Электростатическое поле. Напряженность

Закон сохранения электрического

Заряда

Янтарь, потертый о шерсть, притягивает легкие предметы. Английский врач Джильберт (конец XVI в.) назвал тела, способ-ные после натирания притягивать легкие предметы, наэлектризованными. Сейчас мы гово­рим, что тела при этом приобретают электрические заряды. Существует только два типа электрических зарядов:заряды, подоб-ные возникающим на стекле, потертом о кожу (их назвали положитель­ными), и заряды, подобные возникающим на эбоните, потертом о мех (их назвали отрицательными).Одно-именные заряды друг от друга отталкиваются, разноимен­ные — притягиваются.

Опытным путем (1910—1914) американс-кий физик Р. Милликен (1868—1953) пока­зал, что электрический заряд дискретен, т.е. заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда е (е=1,6∙10^-19 Кл). Электрон (т_е=9,11∙10^-31 кг) и протон (m_p=1,67∙10^-27 кг) являются соответст-венно носителями элементарных отрицатель-ного и положительного зарядов.

Все тела в природе способны электризо-ваться, т.е. приобретать электрический заряд. Электризация тел может осуществляться раз-личными способами: соприкоснове­нием (тре-нием), электростатической индукцией и т.д. Всякий процесс заряжения сводится к разде-лению зарядов, при котором на одном из тел (или части тела) появляется избыток положи-тельного заряда, а на другом (или другой части тела) - избыток отрицательного заряда. Общее количество зарядов обоих знаков, со-держащихся в телах, не изменяется: эти заря-ды только перераспределяются между телами.

Из обобщения опытных данных был установлен фундаментальный закон природы, экспериментально подтвержденный в 1843 г. английским физиком М. Фарадеем (1791—1867), - закон сохранения заряда.

Закон гласит: алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой сис-темы (системы, не обменивающейся зарядами с внешними тела­ми) остается неизменной, какие бы процессы ни происходили внутри этой системы.

Электрический заряд - величина релятивистски инвариантная, т.е. не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится.

В зависимости от концентрации свобод-ных зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводники — тела, в которых электри-ческий заряд может перемещаться по всему его объему. Проводники делятся на две группы: 1) проводники первого рода (метал-лы). В них перенос зарядов (свободных элект-ронов) не сопровождается химическими прев-ращениями; 2) проводники второго рода (например, расплавленные соли, растворы кислот). В них перенос зарядов (положитель-ных и отрицательных ионов) ведет к химии-ческим изменениям.

Диэлектрики (например, стекло, пласт-массы) - тела, в которых практически отсут-ствуют свободные заряды.

Полупроводники(например, германий, кремний) занимают промежуточное поло-жение между проводниками и диэлектриками. Указанное деление тел является весьма усло­вным, однако большое различие в них кон-центраций свободных зарядов обусловливает огромные качественные различия в их пове-дении и оправдывает поэтому деление тел на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Единица электрического заряда (производ-ная единица, так как определяется через еди-ницу силы тока) - кулон(Кл).

Кулон - электрический заряд, проходящий через попереч­ное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с.

Закон Кулона

Закон Кулона это закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов. Он установлен в 1785 г. Ш. Кулоном. Ранее этот закон был открыт Г. Кавендишем с помощью крутильных весов, при определении гравитационной постоянной, однако его работа оставалась неизвестной более 100 лет.

Точечнымназывается заряд, сосредото-ченный на теле, линейные раз­меры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоя-нием до других заряжен­ных тел, с которыми он взаимодействует. Понятие точечного заря-да, как и материаль­ной точки, является физической абстракцией.

Закон Кулона гласит:сила взаимодейст-вия F между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропор-циональна зарядам Q₁и Q₂и обратно пропор-циональна квадрату расстояния r между ними:

,

где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц.

Сила F направлена по прямой, соединяю-щей взаимодействующие заряды, т.е. является центральной, и соответствует притяжению (F<0) в случае разноименных зарядов и отталкиванию (F>0) в случае одноименных зарядов. Эта сила называется кулоновской силой.

В векторной форме закон Кулона имеет вид

, (11.1)

где F₁₂ - сила, действующая на заряд Q₁со стороны заряда Q₂, r₁₂- радиус-вектор, соединяющий заряд Q₂ с зарядом Q_1, r=|r₁₂| (рис.11.1).

На заряд Q₂со стороны заряда Q₁действует сила F₂₁ =-F₁₂.

В СИ коэффициент пропорциональности равен .

Тогда закон Кулона запишется в окончательном виде:

. (11.2)

Величина e₀ называется электрической постоянной; она относится к числу фундамен­тальных физических постоянных и равна

e₀=8,85∙10^-12 Кл²/(Н∙м²), или e₀=8,85∙10^-12 Ф/м, где фарад (Ф) - единица электрической емкости. Тогда .

Электростатическое поле. Напряженность