ФИЗИКА
Модуль 2.1
Глава 1 Электростатическое поле в вакууме
1 Электрический заряд. Закон Кулона
В настоящее время известно, что в основе всего разнообразия явлений природы лежат четыре фундаментальных взаимодействия между элементарными частицами – сильное ядерное, слабое ядерное, электромагнитное и гравитационное. Каждый вид взаимодействия связывается с определенной характеристикой частицы. Например, гравитационное взаимодействие зависит от масс частиц, электромагнитное от электрических зарядов.
Свойства электрического заряда:
1. Электрический заряд существует в двух видах: как положительный , так и отрицательный.
2. В любой электрический изолированной системе алгебраическая сумма зарядов не изменяется: - это утверждение выражаетзакон сохранения электрического заряда.
3. Всякий заряд образуется совокупностью элементарных зарядов, поэтому он является целым кратным:, гдеКл – элементарный заряд, - это означает,чтоэлектрический заряд квантуется.
4. Электрический заряд является релятивистки инвариантным: его величина не зависит от скорости, с которой он движется. Это означает, что величина заряда, измеренная в различных инерциальных системах отсчета, оказывается одинаковой.
Закон Кулона
Если размерами заряженного тела можно пренебречь по сравнению с расстояниями до других тел, то такое тело называется точечным зарядом. Закон взаимодействия точечных зарядов был установлен экспериментально французским физиком Шарлем Кулоном в 1785.
Закон Кулона гласит, что сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов, находящихся в вакууме, пропорциональна величинам зарядови, и обратно пропорциональна квадрату расстояниямежду ними:
, (1.1)
где - коэффициент пропорциональности.
Сила направлена вдоль линии, соединяющей эти заряды, причем одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.
Закон Кулона можно выразить в векторной форме:
,
где - орт радиус-вектора.
Рис. 1
На рис. 1 изображены силы отталкивания двух положительных зарядов.
В системе единиц СГС =1.
В Международной системе единиц (СИ) единица заряда – Кулон, коэффициент , определяемый экспериментально, равен
Н·м2/Кл2.
Его представляют в виде:
.
Тогда формула, выражающая закон, имеет вид:
(1.3)
Величину называютэлектрической постоянной. Она равна:
Ф/м,
Где Ф (Фарад) – единица емкости
Замечание:
Формулы (1.1), (1.2) и (1.3) выражают закон Кулона в вакууме. Однако, если электрические заряды находятся в среде, которая характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью , то сила Кулона уменьшается враз. Тогда закон Кулона в среде будет иметь вид:
(1.2а)
или
(1.3а)
Принцип суперпозиции силы
Пусть кроме заряда имеются заряды. Тогда результирующая сила, с которой действует навсезарядов, равна
, (1.4)
где - сила, с которой действует назарядв отсутствие остальных () зарядов.
Примеры нахождения результирующей силы .
Рис. 2