2.7.1. Пондеромоторные силы .

В электрических полях на диэлектрики и проводники действуют силы, которые называют пондеромоторными, т.е. (в переводе) силами, действующими на весомые тела. Термин пондеромоторные силы безусловно устарел, поскольку был введен в то время, когда в физике признавалось существование невесомых субстанций (например, теплород, эфир, электрические и магнитные жидкости). Теперь известно, что невесомых субстанций не существует, но этот термин по-прежнему используется. Механические явления, такие как растягивание заряженной поверхности, механические напряжения в диэлектрических слоях, втягивание диэлектрика в конденсатор, взаимодействие проводников с током, механическое действие оптического излучения на тела, объясняются пондеромоторными силами. Природа этих сил вполне определена – они возникают при воздействии электромагнитного поля на электрические заряды.

Рассмотрим возникновение и действие пондеромоторных сил применительно к электростатике.

Поскольку электростатическое поле потенциально, то для любой системы электрических зарядов можно записать

Сила, действующая на какой-либо заряд, определяется, очевидно, напряженностью того поля, в которое помещен этот заряд (но не того поля, которое возбуждается им самим):

, (7.2)

Если заряд непрерывно распределен по объему с плотностью , то сила, действующая на элемент заряда , равна

.

Можно также ввести объемную плотность сил, которая равна

. (7.3)

Силы, действующие в поляризованном диэлектрике .

Силы, действующие на электрические диполи в веществе, деформирующие и ориентирующие их в пространстве, относятся к пондеромоторным силам.

Ранее в §1.7 мы получили выражение (7.13) для силы, действующей на одиночный диполь в электрическом поле. Причем, как мы выяснили, сила, действующая в однородном поле на отдельный диполь, равна нулю.

Рассмотрим теперь силы, действующие в объеме диэлектрика, помещенного в электрическое поле. Сила, приложенная к элементу объема диэлектрика, равна сумме сил, действующих на элементарные диполи внутри рассматриваемого объема :

, (7.4)

причем суммирование ведется по всем элементарным диполям, находящимся в объеме . Так как элемент объема мал, то вектор напряженности электрического поля - медленно меняющаяся в пределах этого объема величина. Поэтому, вводя вектор поляризации , можем записать

Отсюда объемная плотность сил в диэлектрике:

. (7.6)

Для однородного диэлектрика справедливо соотношение

,

тогда получаем выражение для объемной плотности сил в виде:

. (7.7)

Воспользуемся тождеством из векторной алгебры {см. (7.12), §1.7},

записанным для :

. (7.8)

Поскольку для электростатического поля , получаем теперь для объемной плотности пондеромоторных сил:

. (7.9)

Если рассматриваемый диэлектрик однородный ( , ), то

. (7.10)

Формулы (7.9) и (7.10), выражающие объемную плотность сил справедливы как для абсолютно жестких, так и для упруго деформируемых диэлектриков. Последнее утверждение справедливо лишь при условии, что поляризованность диэлектрика (вектор поляризации ) линейно зависит от его массы, т.е. дипольные моменты молекул и атомов при сжатии и растяжении элемента объема не изменяются.

Если диэлектрическая проницаемость не постоянна , и мы имеем дело с сжимаемыми диэлектриками, то определение пондеромоторных сил довольно сложно. Общий метод вычисления пондеромоторных сил дает термодинамика - термодинамика диэлектриков. Определяются термодинамические функции диэлектриков - свободная энергия, термодинамический потенциал, энтальпия. В данном курсе мы не будем этим заниматься.

2.7.2. Силы, действующие на поверхностные заряды .

Ранее мы уже затрагивали этот вопрос. Если имеется замкнутая проводящая поверхность, заряженная с поверхностной плотностью , то электрическое поле известно по обе стороны, причем , а на самой поверхности электрическое поле не определено. В результате взаимодействия поверхностных зарядов поверхность проводника растягивается. Как найти силу, действующую на единицу поверхности?

Рассмотрим уединенный проводник. Выделим элемент поверхности :

1) поле с внешней стороны выделенного элемента поверхности равно ;

2) поле внутри .

Поле внутри и снаружи проводника можно рассматривать как суперпозицию полей, создаваемых самим элементом поверхности , т.е. , и всеми остальными зарядами, находящимися на поверхности : . Поле одинаково по величине по обе стороны от площадки , но имеет противоположные направления. Поле одинаково по модулю и направлению над и под площадкой .

В СИ коэффициент пропорциональности в законе Кулона равен

k = 9·10 9 Н·м 2 /Кл 2 .

Согласно закону Кулона два точечных заряда по 1 Кл, расположен­ных в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой F = 9·10 9 H, примерно равной весу египетских пирамид. Из этой оценки ясно, что кулон - очень большая единица заряда. На практике, поэтому обычно используют дольные единицы кулона.

Рассмотренный ранее закон Кулонаустанавливает количественные и качественные особенности взаимодействия точечных электрических зарядов в вакууме. Однако этот закон не дает ответа на весьма важный вопрос о механизме взаимодействия зарядов, т.е. посредством чего передается действие одного заряда на другой. Поиск ответа на этот вопрос привел английского физикаМ. Фарадея к гипотезе о существовании электрического поля, справедливость которой была полностью подтверждена последующими исследованиями. Согласно идее Фарадея электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот.

Все сказанное позволяет дать следующее определение:

электрическое поле – это особый вид материи, посредством которого осуществляется взаимодействие электрических зарядов.

Свойства электрического поля

Электрическое поле материально , т.е. существует независимо от наших знаний о нем.

Порождается электрическим зарядом : вокруг любого заряженного тела существует электрическое поле.

Поле, созданное неподвижными электрическими зарядами, называется электростатическим .

Электрическое поле может быть создано и переменным магнитным полем. Такое электрическое поле называется вихревым .

Электрическое поле распространяется в пространстве с конечной скоростью , равной скорости света в вакууме.

Действие электрического поля на электрические заряды

Электрическое поле можно рассматривать как математическую модель , описывающую значение величины напряженности электрического поля в данной точке пространства.

Электрическое поле является одной из составляющих единого электромагнитного поля и проявлением электромагнитного взаимодействия

Надо ввести количественную характеристику поля . После этого электрические поля можно будет сравнивать друг с другом и продолжать изучать их свойства.

Для изучения электрического поля будем использовать пробный заряд : под пробным зарядом будем понимать положительный точечный заряд, не изменяющий изучаемое электрическое поле .

Пусть электрическое поле создается точечным зарядом q 0 . Если в это поле внести пробный заряд q 1 , то на него будет действовать сила .

Обратите внимание , что в данной теме мы используем два заряда: источник электрического поля q 0 и пробный заряд q 1 . Электрическое поле действует только на пробный заряд q 1 и не может действовать на свой источник, т.е. на заряд q 0 .

Согласно закону Кулона эта сила пропорциональна заряду q 1:

.

Поэтому отношение силы, действующей на помещаемый в данную точку поля заряд q 1 , к этому заряду в любой точке поля:

не зависит от помещенного заряда q 1 и может рассматриваться как характеристика поля. Эту силовую характеристику поля называют напряженностью электрического поля .

Подобно силе, напряженность поля – векторная величина, ее обозначают буквой .

Напряженность поля равна отношению силы, с которой поле действует на точечный заряд, к этому заряду.

Е , которая является его силовой характеристикой: Напряженность электростатического поля показывает, с какой силой электростатическое поле действует на единичный положительный электрический заряд , помещенный в данную точку поля. Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, и противоположно направлению силы, действующий на отрицательный заряд.

Электростатическое поле является стационарным (постоянным), если его напряженность не изменяется с течением времени. Стационарные электростатические поля создаются неподвижными электрическими зарядами.

Электростатическое поле однородно, если вектор его напряженности одинаков во всех точках поля, если вектор напряженности в различных точках различается, поле неоднородно. Однородными электростатическими полями являются, например, электростатические поля равномерно заряженной конечной плоскости и плоского конденсатора вдали от краев его обкладок.

Одно из фундаментальных свойств электростатического поля заключается в том, что работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от траектории движения, а определяется только положением начальной и конечной точек и величиной заряда. Следовательно, работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю. Силовые поля, обладающие этим свойством, называют потенциальными или консервативными. То есть электростатическое поле - это потенциальное поле, энергетической характеристикой которого является электростатический потенциал , связанным с вектором напряженности Е соотношением:

Е = -gradj .

Для графического изображения электростатического поля используют силовые линии (линии напряженности) - воображаемые линии, касательные к которым совпадают с направлением вектора напряженности в каждой точке поля.

Для электростатических полей соблюдается принцип суперпозиции . Каждый электрический заряд создает в пространстве электрическое поле независимо от наличия других электрических зарядов. Напряженность результирующего поля, создаваемого системой зарядов, равна геометрической сумме напряженности полей, создаваемых в данной точке каждым из зарядов в отдельности.

Всякий заряд в окружающем его пространстве создает электростатическое поле. Чтобы обнаружить поле в какой-либо точке, надо поместить в точку наблюдения точечный пробный заряд - заряд, который не искажает исследуемое поле (не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле).

Поле, создаваемое уединенным точечным зарядом q , является сферически симметричным. Модуль напряженности уединенного точечного заряда в вакууме с помощью закона Кулона можно представить в виде:

Е = q/4pe о r 2 .

Где e о - электрическая постоянная, = 8,85 . 10 -12 Ф/м.

Закон Кулона, установленный при помощи созданных им крутильных весов (см. Кулона весы), - один из основных законов, описывающих электростатическое поле. Он устанавливает зависимость между силой взаимодействия зарядов и расстоянием между ними: сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Эту силу называют кулоновской, а поле - кулоновским. В кулоновском поле направление вектора зависит от знака заряда Q: если Q > 0, то вектор направлен по радиусу от заряда, если Q ? раз (? - диэлектрическая проницаемость среды) меньше, чем в вакууме.

Экспериментально установленные закон Кулона и принцип суперпозиции позволяют полностью описать электростатическое поле заданной системы зарядов в вакууме. Однако, свойства электростатического поля можно выразить в другой, более общей форме, не прибегая к представлению о кулоновском поле точечного заряда. Электрическое поле можно характеризовать значением потока вектора напряженности электрического поля, который можно рассчитать в соответствии с теоремой Гаусса . Теорема Гаусса устанавливает связь между потоком напряженности электрического поля через замкнутую поверхность и зарядом внутри этой поверхности. Поток напряженности зависит от распределения поля по поверхности той или иной площади и пропорционален электрическому заряду внутри этой поверхности.

Если изолированный проводник поместить в электрическое поле, то на свободные заряды q в проводнике будет действовать сила. В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, компенсирует полностью внешнее поле, т. е. установится равновесное распределение зарядов, при котором электростатическое поле внутри проводника обращается в ноль: во всех точках внутри проводника Е = 0, то есть поле отсутствует. Силовые линии электростатического поля вне проводника в непосредственной близости к его поверхности перпендикулярны поверхности. Если бы это было не так, то имелась бы составляющая напряженности поля, вдоль поверхности провод­ника и по поверхности протекал бы ток. Заряды располагаются только на поверхности проводника, при этом все точки поверхности проводника имеют одно и то же значение потенциала. Поверхность проводника является эквипотенциальной поверхностью . Если в проводнике есть полость, то электрическое поле в ней также равно нулю; на этом основана электростатическая защита электрических приборов.

Если в электростатическое поле поместить диэлектрик, то в нем происходит процесс поляризации - процесс ориентации диполей или появление под воздействием электрического поля ориентированных по полю диполей. В однородном диэлектрике электростатическое поле вследствие поляризации (см. Поляризация диэлектриков ) убывает в? раз.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

Лекция 1

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОСТАТИКИ

ЭЛЕКТРОСТАТИКА В ВАКУУМЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД

Электрическое, или электростатическое взаимодействие – это один из фундаментальных видов взаимодействия, рассматриваемых в физике. Электрические силы действуют, например, между электронами и протонами, а также между электронами. Эти силы значительно больше гравитационных, и порождаются электрическими зарядами.

Первые сведения об электричестве относятся к электрическим зарядам, полученным посредством трения. Электрические же цепи, подводящие ток к осветительным лампочкам и электромоторам, появились с изобретением батарей после 1800 года. В 1752-53г. Ломоносов и Рихман в России и Франклин в Америке доказали общую природу атмосферного электричества и электризации при трении. Мощная молния и слабые искорки, наблюдаемые при расчесывании волос гребнем, - это электрические разряды в воздухе, отличающиеся лишь масштабом явления.

Исходными для всей электродинамики являются такие понятия, как «электрический заряд» и «электромагнитное поле». Понятие «электрический заряд» тесно связано с особыми свойствами заряженных тел и частиц, которые проявляются в образовании электромагнитного поля, сопутствующего заряду, и в силовом действии поля на заряд. Эти два разных свойства заряженных тел – создавать поле и испытывать на себе действие поля других зарядов – характеризуются одной и той же величиной – электрическим зарядом q.

Величина заряда определяется в физических измерениях по тем или иным проявлениям электромагнитного взаимодействия. Так, для точечных покоящихся зарядов предполагают, что сила взаимодействия между ними пропорциональна величине зарядов (закон Кулона). Поэтому, выбирая единичный заряд, можно определить величину другого заряда, сравнивая силы взаимодействия зарядов: единичного с единичным и единичного с неизвестным.

Единицей измерения заряда является кулон (Кл).

Заряд – величина скалярная и выражается действительными числами: может иметь положительные, нулевые и отрицательные значения. Величина заряда инвариантна к преобразованиям Лоренца, т.е. заряд некоторого тела или частицы выражается одним и тем же числом во всех инерциальных системах отсчета. Наконец, заряд – величина аддитивная: при соединении нескольких точечных зарядов в один «результирующий» заряд равен алгебраической сумме соединенных зарядов. Заряд любой системы заряженных тел и частиц равен сумме зарядов отдельных тел и частиц. Заряд макроскопического тела равен сумме зарядов его частей.

Электрический заряд по природе дискретен. Пределом дробимости электрического заряда является элементарный заряд, присущий электронам, протонам и другим элементарным частицам, модуль его e =1,6021892·10 Кл.

Субэлементарные частицы – кварки - имеют заряды ±e/ 3 или ±2e/ 3 , но они в свободном состоянии не наблюдаются.

В классической электродинамике рассматривают макроскопические заряды, которые считаются непрерывными, а непрерывными заряды можно считать лишь без учета существования наименьшего элементарного заряда. Отсюда следует, что понятие бесконечно малого заряда dq имеет физический, а не буквально математический смысл: dq мало в сравнении с некоторым полным зарядом q , но все еще так велико по сравнению с элементарным зарядом, что дискретность элементарных зарядов можно не принимать во внимание.

Непрерывность электрического заряда допускает и непрерывное его распределение вдоль линии, поверхности, в пространстве. Это распределение описывается плотностью заряда. Если заряд распределен по некоторой линии, то говорят о линейной плотности:

при распределении заряда по поверхности вводят понятие поверхностной плотности

если заряд расположен в некоторой области пространства, то его распределение описывается объемной плотностью

Понятию «точечный заряд» в классической электродинамике может быть придан двоякий смысл. Во-первых, за точечный заряд принимается бесконечно малый заряд dq , находящийся в бесконечно малом объеме пространства. Эта модель точечного заряда соответствует его непрерывному распределению в пространстве, в таком случае dq=ρdV. Во-вторых, во многих случаях используется модель дискретного в пространстве точечного заряда, когда макроскопический заряд q любой величины размещается в геометрической точке пространства.

Элементарный электрический заряд электрона e также является точечным. Но что касается дискретных зарядов элементарных частиц, то в рамках классической электродинамики нет возможности ставить вопрос об особенностях, вносимых в электромагнитное взаимодействие дискретностью зарядов как по величине, так и по пространственному распределению. Взаимодействия элементарных зарядов между собой описываются квантовой электродинамикой.

Закон сохранения электрических зарядов является фундаментальным законом физики наряду с законами сохранения энергии, импульса и момента импульса. Согласно этому закону при любых известных взаимодействиях элементарных частиц между собой алгебраическая сумма электрических зарядов частиц до взаимодействия равна сумме электрических зарядов частиц после взаимодействия . При этом необязательно сохраняются частицы как таковые, не сохраняется и их общее число, так как одни частицы исчезают, а другие появляются.

Классическая электродинамика изучает процессы, при которых не происходит взаимных превращений заряженных частиц, так что закон сохранения заряда здесь есть простое следствие сохранения его носителей – электронов и протонов. В изолированной системе электрический заряд сохраняется.

При электризации тел трением всегда электризуются оба тела, причем одно из них получает положительный заряд, а другое – такой же по величине отрицательный заряд, если до взаимодействия тела были электрически нейтральны. Таким образом, электрические заряды не возникают и не исчезают, они могут быть лишь переданы от одного тела другому или перемещены внутри данного тела. В любом нейтральном веществе имеются заряды обоих знаков в равных количествах, и в результате соприкосновения двух тел при трении часть зарядов переходит из одного тела в другое. Равенство суммы положительных и отрицательных зарядов в каждом теле нарушается, и они заряжаются разноименно.

ЗАКОН КУЛОНА

Основной закон взаимодействия электрических зарядов был найден Шарлем Кулоном в 1785 г. экспериментально. Кулон установил, что сила взаимодействия между двумя небольшими заряженными металлическими шариками обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и зависит от величины зарядов и :

где - коэффициент пропорциональности . Силы, действующие на заряды, являются центральными, то есть они направлены вдоль прямой, соединяющей заряды. Для одноименных зарядов произведение и сила соответствует взаимному отталкиванию зарядов, для разноименных зарядов , и сила соответствует взаимному притяжению зарядов.

Закон Кулона можно записать в векторной форме:

,

где - вектор силы, действующей на заряд со стороны заряда ,

Радиус-вектор, соединяющий заряд с зарядом ; - модуль радиус-вектора.

Сила, действующая на заряд со стороны равна

, .

Силы, действующие на заряды, являются центральными и направлены по прямой, соединяющей заряды (рис.1.1.1).

Закон Кулона в такой форме справедлив только для взаимодействия точечных электрических зарядов, то есть таких заряженных тел, линейными размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием между ними. Кроме того, он выражает силу взаимодействия между неподвижными электрическими зарядами, то есть это электростатический закон.

Формулировка закона Кулона:

Сила электростатического взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению величин зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними , и направлена по прямой, соединяющей заряды.

Коэффициент пропорциональности в законе Кулона зависит от свойств среды и выбора единиц измерения величин, входящих в формулу. Поэтому можно представить отношением

где - коэффициент, зависящий только от выбора системы единиц измерения; - безразмерная величина, характеризующая электрические свойства среды, называется относительной диэлектрической проницаемостью среды. Она не зависит от выбора системы единиц измерения и равна единице в вакууме.

Тогда закон Кулона примет вид:

для вакуума , тогда - относительная диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз в данной среде сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами и , находящимися друг от друга на расстоянии , меньше, чем в вакууме.

В системе СИ коэффициент , и закон Кулона имеет вид:

.

Это рационализированная запись закона Кулона. Здесь - электрическая постоянная, .

В векторной форме закон Кулона принимает вид где - вектор силы, действующей на заряд со стороны заряда , - радиус-вектор, проведенный из заряда к заряду (рис.1.1.2), r –модуль радиус-вектора .

Всякое заряженное тело состоит из множества точечных электрических зарядов, поэтому электростатическая сила, с которой одно заряженное тело действует на другое, равна векторной сумме сил, приложенных ко всем точечным зарядам второго тела со стороны каждого точечного заряда первого тела.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ. НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Пространство, в котором находится электрический заряд, обладает определенными физическими свойствами. На всякий другой заряд, внесенный в это пространство, действуют электростатические силы Кулона. Если в каждой точке пространства действует сила, то говорят, что в этом пространстве существует силовое поле. Поле наряду с веществом является формой материи. Если поле стационарно, то есть не меняется во времени, и создается неподвижными электрическими зарядами, то такое поле называется электростатическим. Электростатика изучает только электростатические поля и взаимодействия неподвижных зарядов.

Для характеристики электрического поля вводят понятие напряженности. Напряженностью в каждой точке электрического поля называется вектор , численно равный отношению силы, с которой это поле действует на пробный положительный заряд, помещенный в данную точку, и величины этого заряда, и направленный в сторону действия силы.

Пробный заряд, который вносится в поле, предполагается точечным. Он не участвует в создании поля, которое с его помощью измеряется. Кроме того, предполагается, что этот заряд не искажает исследуемого поля, то есть он достаточно мал и не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле.

Если на пробный точечный заряд поле действует силой , то напряженность

Единицы напряженности в системе СИ Н/Кл=В/м.

Выражение для напряженности поля точечного заряда:

.

В векторной форме:

Здесь – радиус-вектор, проведенный из заряда q , создающего поле, в данную точку.

Таким образом, векторы напряженности электрического поля точечного заряда q во всех точках поля направлены радиально от заряда, если он положительный (рис.1.1.3), и к заряду, если он отрицательный (рис.1.1.3).

Для графической интерпретации электрического поля вводят понятие силовой линии или линии напряженности . Это кривая, касательная в каждой точке к которой совпадает с вектором напряженности . Линия напряженности начинается на положительном заряде и заканчивается на отрицательном. Линии напряженности не пересекаются, так как в каждой точке поля вектор напряженности имеет лишь одно направление.

Электризация тел

Электризация – явление накопления телом электрического заряда. В электризации всегда участвуют не менее двух тел. Для протекания явления между телами необходим тесный контакт. Иногда такой контакт достигается за счёт трения между телами, что приводит к ошибочному мнению о необходимости трения или совершения работы по электризации тел. Явление электризации объясняется через движение свободных зарядов (электронов).

Существует несколько способов электризации.

1. Электризация трением. При этом используются два ранее незаряженные тела, изготовленные из разных веществ. В процессе электризации заряд накапливают оба тела, одно – положительный, другое – отрицательный и равный по модулю заряду первого тела (закон сохранения заряда). С точки зрения молекулярно-кинетической теории, при электризации трением вещество с более сильным взаимодействием захватывает электроны у второго вещества и накапливает отрицательный заряд.

2. Электризация соприкосновением. При этом могут участвовать несколько тел, вещества которых способны проводить электрические заряды. До соприкосновения одно или несколько тел обладали электрическими зарядами. После соприкосновения заряды перераспределяются пропорционально электроёмкости тел.

3. Электризация электростатической индукцией (смотрите раздел «Проводники в электрическом поле»).

Взаимодействие зарядов. Два вида заряда

Электрический заряд – основная скалярная физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитных взаимодействий. Говорят, что тело обладает электрическим зарядом, если при его взаимодействии с другими телами обнаруживаются силы электрической или магнитной природы. Единица электрического заряда вводится через единицу силы тока.

[q ] = Кл = А∙с.

1 Кл – это заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за 1 с.

Рассмотрим свойства электрического заряда, полученные экспериментально.

1. Существуют два вида электрических зарядов. Положительным называют заряд стеклянной палочки, полученный ею при электризации трением о шёлк. Положительный заряд – это недостаток у тела электронов. Отрицательным называют заряд эбонитовой палочки, полученный ею при электризации трением о шерсть (мех). Отрицательный заряд – это избыток у тела электронов.

2. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются. Силы взаимодействия точечных зарядов направлены вдоль прямой, их соединяющей. Величина взаимодействия описана в законе Кулона.

3. Существует предел делимости электрического заряда. Элементарным называют минимальный (неделимый) электрический заряд тела. Элементарная частица, обладающая положительным элементарным зарядом, – протон, отрицательным – электрон. Значение элементарного заряда является фундаментальной физической постоянной: e = 1,6∙10 –19 Кл.

Электрический заряд дискретен: |q | = Ne .

Электрический заряд обладает свойством сохранения.

Для обнаружения зарядов используется электроскоп .

Закон сохранения электрического заряда

Одним из основных свойств электрического заряда является его способность к сохранению. Закон сохранения электрического заряда: в электрически изолированной системе алгебраическая сумма электрических зарядов всех тел, входящих в эту систему, остается постоянной.

Электрически изолированная система – система, через границу которой нет переноса заряда ни в одном направлении.

Закон Кулона

Закон взаимодействия электрических зарядов был установлен экспериментально французским физиком Ш. Кулоном во второй половине XVIII века. Закон формулируется следующим образом: модуль силы взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

Для вакуума и воздуха закон Кулона записывают так:

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. В СИ

где – электрическая постоянная .

Для бесконечной однородной и изотропной диэлектрической среды закон Кулона имеет вид:

где ε – диэлектрическая проницаемость среды, в которой находятся заряды.

Закон Кулона справедлив для точечных зарядов – заряженных тел, размеры которых много меньше других размеров рассматриваемой системы. Если заряженное тело в условиях данной задачи нельзя считать точечным зарядом, то его рассматривают как совокупность точечных зарядов. Сила, с которой такое тело будет действовать на другое тело, определяется согласно принципу суперпозиции сил.

Действие электрического поля на электрические заряды

Для описания взаимодействия электрических зарядов в начале XIX века английский физик М. Фарадей предложил использовать понятие электрического поля.

Электрическое поле – материальная среда, являющаяся посредником действия одного заряда на другой и передающая это действие с конечной скоростью.

Идея Фарадея: любой электрический заряд создаёт во всём окружающем его пространстве материальный объект – электрическое поле , которое действует на другие электрические заряды с некоторой силой, называемой электрической силой , и убывает по мере удаления от заряда, его создающего.

Заряд наделяет окружающее пространство особыми физическими свойствами, главное из которых – действие с электрической силой на любой заряд, помещённый в это пространство.

Поле, создаваемое неподвижными электрическими зарядами, не изменяется со временем и называется электростатическим .

Электрические поля принято представлять графически с помощью силовых линий – линий, касательные к которым в любой точке совпадают с направлением вектора напряжённости в этой точке. Графическое преставление электрических полей даётся с соблюдением следующих правил:

1) силовые линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных;

2) силовые линии не пересекаются;

3) плотность линий пропорциональна модулю вектора напряжённости в данном месте поля.

На рисунках приведено несколько примеров графического изображения полей.