Электрический заряд. Электростатика в вакууме.

Взаимодействие между электрически заряженными частицами или телами осуществляется посредством электромагнитного поля, которое представляет собой совокупность двух взаимосвязанных полей: электрического и магнитного.

Электродинамика – раздел физики, в котором изучаются законы электромагнитного поля.

Электростатика– раздел электродинамики, в котором изучают теорию электростатического поля неподвижных электрических зарядов.

В природе существует два рода электрических зарядов: положительные(возникают на стекле, натертым кожей) и отрицательные(возникают на эбоните или янтаре, натертом шерстью).

Точечным электрическим зарядом называется заряженное тело, форма и размеры которого несущественны в данной задаче.

Электрический заряд любой системы состоит из целого числа элементарных зарядов, равных 1,6·10^-19Кл. Наименьшей по массе частицей, имеющей отрицательный элементарный заряд, является электрон. Масса электрона 9,1·10^-31 кг. Наименьшая по массе устойчивая частица с положительным зарядом – протон (ядро атома водорода). Масса протона равна 1,67·10^-27 кг. Электроны и протоны входят в состав всех атомов и молекул.

Наименьшая по массе античастица, имеющая положительный заряд – позитрон – является античастицей электрона и имеет равную с ним массу.

Электрически изолированная система –система тел или частиц, если между ней и внешними телами нет обмена электрическими зарядами.

Закон сохранения электрического заряда:алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.

Силы взаимодействия неподвижных элеетрических зарядов подчиняются основному закону электростатического взаимодействия, который был экспериментально установлен Ш. Кулоном в 1785 г.

Закон Кулона:cила электростатического взаимодействия F двух точечных зарядов в вакууме пропорциональна произведению этих зарядов и , обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направ­лена вдоль прямой, соединяющей эти заряды.

, (1)

где k - численный коэффициент ,

где =8.85 Ф/м- диэлектрическая постоянная;

- относительная диэлектрическая проницаемость, она учитывает влияние среды на силу взаимодействия зарядов.

Практической единицей заряда является кулон (Кл).

Кулон - величина такого точечного заряда, который действует на такой же точечный заряд в вакууме с силой в 1Н, если расстояние между обоими зарядами равно 1м.

Кулон очень боль­шая единица. Два точечных заряда в один кулон каждый, удален­ные друг от друга на расстояние 1км, взаимодействовали бы с силой Н.

Сила F направлена по прямой и является центральной и соответствует притяжению (F< 0) в случае разноименных зарядов и отталкиванию (F > 0) в случае одноименных зарядов (рис.1).

Рис.1.

Электрическое поле. Напряженность электростатического поля. Принцип суперпозиции

Если в пространство, окружающее электрический заряд, внести другой заряд, то на него будет действовать кулоновская сила; значит в пространстве, окружающем электрические заряды, существует силовое поле.

Для обнаружения и опытного исследо­вания электростатического поля исполь­зуется пробный точечный положитель­ный заряд - такой заряд, который своим действием не искажает исследуемое поле (не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле).

Количественной характеристикой силового действия электрического поля на заряженные частицы и тела служит векторная величина E – напряженность электрического поля.

Напряженность Еэлектрического поля в данной точке есть физическая величина, определяемая силой, действую­щей на единичный положительный заряд, помещенный в эту точку поля:

E = F/ . (2)

Направление вектора Е совпадает с на­правлением силы, действующей на поло­жительный заряд. Из формулы следует, что единица напряженности элек­тростатического поля - ньютон на кулон (Н/Кл): 1Н/Кл - напряженность такого поля, которое на точечный заряд 1Кл действует силой в 1Н. Как следует из вышезаписанной формулы и закона Кулона, напряженность поля точечного заряда (для )

. (3)

Вектор Е во всех точках поля направлен радиально от заряда, если он положи­телен, и радиально к заряду, если отри­цателен.

Для наглядного изображения электрических полей широко пользуются силовыми линиями.

Силовая линия есть математическая линия, направление касательной к которой в каждой точке, через которую она проходит, совпадает с направлением вектора Е в той же точке (рис.2).

Рис.2

За положительное направление силовой линии условились считать направление самого вектора Е. Т.о. силовые линии начинаются от положительных зарядов и оканчиваются на отрицательных. Силовые линии идут гуще там, где поле Е сильнее, и реже там, где оно слабее. Поэтому по, густоте силовых линий можно судить и о величине напряженности электрического поля.

На рис.3 изобра­жены силовые линии равномерно заряженных шариков - положи­тельного и отрицательного, а на рис.4 - двух разноименных и одноименных зарядов равных величин, сосредоточенных на таких шариках.

Рис.3 Рис. 4.

Принцип суперпозиции: напряженность электрического поля Е нескольких неподвижных точечных зарядов q , q , ... равна векторной сумме напряженностей полей, которые создавал бы каждый из этих зарядов в отсутствие остальных, т. е.

×r (4)

где r —радиус-вектор, проведенный из заряда , в точку наблюде­ния. Это положение, являющееся обобщением опытных фактов, называется принципом суперпозиции электростатических полей. Возможно, что принцип суперпозиции нарушается на малых расстоя­ниях порядка размеров атомных ядер (10 см) и меньше.

Формула (4) позволяет рассчитать напряженность электрического поля любой системы неподвижных зарядов..

Напряженность электростатического поля зависит от свойств среды: нормальная составляющая напряженности поля при переходе из вакуума в среду всегда уменьшается во столько раз, во сколько возрастает