Электростатика Электрические заряды. Закон Кулона

Электрический заряд является физической величиной, опре­деляющей интенсивность электромагнитных взаимодействий.

В природе существуют частицы с электрическими зарядами противоположных знаков. Заряд электрона считают отрицатель­ным, а заряд протона — элементарной частицы, которая входит в состав ядра атома, — положительным. Большинство тел элек­трически нейтрально.

Если нарушить электрическую нейтральность тела, оно ста­новится наэлектризован к им. Тело заряжено отрицательно — значит, оно имеет избыток электронов. Тело, в котором элек­тронов меньше, чем положительно заряженных частиц, заряжено положительно.

Элементарный заряд. Электрический заряд имеет дис­кретный характер и изменяется на целую кратную величину (ква­нтуется). Наименьшая по массе стабильная частица, обладаю­щая элементарным отрицательным электрическим зарядом, на­зывается электроном. Заряд электрона е = 1,6 • 10^-19 Кл. Масса электрона т_е = 9,11 ∙ 10^-31 кг. Заряд протона положителен и по модулю равен заряду электрона, его масса т_р = 1,67 • 10^-27 кг. Элементарный заряд был впервые измерен Милликеном в 1909 году.

Закон сохранения электрического заряда

Алгебраическая сумма зарядов в замкнутой системе не изме­няется во времени.

Этот закон выполняется абсолютно точно как на макро-, так и на микроуровне: элементарные частицы могут превращаться друг в друга, но сумма зарядов при этом не изменяется. Заряды появляются и исчезают парами.

Точечный заряд. В рамках классической физики его следует понимать как макроскопическое тело со сферически симметрич­ным распределением заряда, размеры которого малы по сравнению с расстояниями до других тел, с которыми происходит взаимодействие.

Закон Кулона

Величина силы взаимодействия F между двумя точечными электрическими зарядами q₁ и q₂ прямо пропорциональна произ­ведению величин зарядов, обратно пропорциональна квадрату рас­стояния r между ними и диэлектрической проницаемости веще­ства ε:

Здесь ε₀= 8,85 • 10^-12 Ф/м — электрическая постоянная. Си­ла Кулона является силой притяжения в случае разноименных зарядов и силой отталкивания в случае одноименных зарядов. Обратная пропорциональность квадрату расстояния свидетель­ствует о трехмерности нашего пространства.

Диэлектрическая проницаемость ε это число, «оказывающее во сколько раз сила взаимодействия между зарядами в вакууме больше, чем в данной среде.

Заметим, что наличие среды всегда ослабляет взаимодей­ствие между зарядами, это происходит из-за поляризации моле­кул среды. Впервые закон Кулона был установлен Г.Кавендишем (1773 г.) и независимо — Ш.Кулоном (1785 г.).

Закон Кулона является частным случаем третьего закона Ньютона, поэтому силы взаимодействия между зарядами напра­влены вдоль прямой, соединяющей эти заряды. Самостоятельно сделайте поясняющий рисунок для взаимодействия разноимен­ных и одноименных зарядов.

Для вычисления силы взаимодействия между двумя протя­женными телами нужно мысленно разбить их на малые (точеч­ные) части, рассчитать и сложить все силы взаимодействия ка­ждого элемента первого тела с каждым элементом второго. В общем случае подобные расчеты весьма трудоемки.

Простые результаты получаются только для систем либо очень простых, либо содержащих симметрично расположенные заряды.