27. Электрическое поле в вакууме. Закон сохранения заряда. Закон Кулона. Электрическое поле.

Важнейшими понятиями в учении об электричестве являются электрический заряд и электрическое поле. Электрический заряд является физической величиной, определяющей интенсивность электромагнитных взаимодействий.

Известным из опыта фундаментальным свойством электрического заряда является то, что он существует в двух видах, условно называемых положительными и отрицательными зарядами.

Взаимодействие зарядов противоположных знаков, как показывает опыт, заключается в их взаимном притяжении, а одноименные заряды отталкиваются друг от друга.

В природе носителями электрического заряда являются элементарные частицы. Носителем элементарного, то есть наименьшего, отрицательного заряда является электрон, заряд которого , а масса .

Суммарный заряд всякой изолированной системы сохраняется. Это свойство называется законом сохранения электрического заряда.

Электрическое поле – особая материя, возникающая вокруг любых электрических зарядов и действующая электрической силой на любые электрические заряды, попавшие в это поле.

Напряженность эл. поля - силовая характеристика поля, численно равна силе, которая действовала бы на единицу пробного заряда, помещенного в данную точку поля. F=qE, где F – сила, действующая на точечный заряд со стороны электрического поля; Е – напряженность эл.поля, создаваемого в той точке, где находится заряд q, всеми остальными зарядами.

Потенциал – энергетическая характеристика поля, численно равна потенциальной энергии, которую имела бы единица пробного заряда, помещенного в данную точку поля.

А_1-2 = q(φ1- φ2), W=q*φ,

где А – работа электрических сил над зарядом q, при его перемещении из точки с потенциалом φ1 в точку с потенциалом φ2. W – потенциальная энергия заряда q, который находится в точке, где все остальные заряды создают потенциал φ.

Закон Кулона — это закон, описывающий силы взаимодействия между точечными электрическими зарядами. Был открыт Шарлем Кулоном в 1785 г. Проведя большое количество опытов с металлическими шариками, Шарль Кулон дал такую формулировку закона: Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

Иначе: Два точечных заряда в вакууме действуют друг на друга с силами, которые пропорциональны произведению модулей этих зарядов, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними и направлены вдоль прямой, соединяющей эти заряды. Эти силы называются электростатическими (кулоновскими).

Важно отметить, что для того, чтобы закон был верен, необходимы:

1) точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров — впрочем, можно доказать, что сила взаимодействия двух объёмно распределённых зарядов со сферически симметричными непересекающимися пространственными распределениями равна силе взаимодействия двух эквивалентных точечных зарядов, размещённых в центрах сферической симметрии;

2) их неподвижность. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд;

3) взаимодействие в вакууме.

Однако с некоторыми корректировками закон справедлив также для взаимодействий зарядов в среде и для движущихся зарядов.

В векторном виде в формулировке Ш. Кулона закон записывается следующим образом:

где  — сила, с которой заряд 1 действует на заряд 2;  — величина зарядов;  — радиус-вектор (вектор, направленный от заряда 1 к заряду 2, и равный, по модулю, расстоянию между зарядами — );  — коэффициент пропорциональности. Таким образом, закон указывает, что одноимённые заряды отталкиваются (а разноимённые — притягиваются).

В Международной системе единиц (СИ) одной из основных единиц является единица силы электрического тока ампер, а единица заряда — кулон — производная от него. Величина ампера определена таким образом, что k = c²·10^-7 Гн/м = 8,99·10⁹ Н·м²/Кл² (или Ф⁻¹·м). В СИ коэффициент k записывается в виде:

где  ≈ 8,854187817·10⁻¹² Ф/м — электрическая постоянная.

Закон сохранения электрического заряда гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.