Тема 1.3. Электрическое поле в вакууме

Зарождением науки об электричестве мы обязаны Гильберту, который изготовил первый электроскоп и показал, что свойством притяжения мелких предметов обладает не только янтарь, но и другие вещества. Он же ввел абстрактное понятие «электричество». Благодаря Гильберту наука об электричестве была обогащена многочисленными новыми явлениями и точными наблюдениями.

Первую электрофорная машина, изобретенная Отто фон Герике, позволила сделать наблюдаемые эффекты более наглядными.

В 1733 году Шарль Дюфе экспериментально доказал, что в природе существует два вида зарядов; одноименные – отталкиваются, разноименные - притягиваются.

Но особенно возрос интерес к электрическим явлениям после изобретения конденсатора.

Лейденский профессор Мушенбрук пытался получить наэлектризованную воду, которая считалась полезной для здоровья. Продев в горлышнко банки с водой гвоздь, он дотронулся им до проводника действующей электрофорной машины. Затем он второй рукой прикоснулся к гвоздю и испытал сильный удар, так, что «даже все тело содрогнулось как от молнии».

Нолле повторил эти опыты, убив при этом несколько птиц, после чего призывал с осторожностью обращаться с этой новой вещью, которая « может оживать и раздражаться».

Бенджамин Франклин экспериментально показал электрическую природу молнии.

Изобретение конденсатора и доказательство электрической природы молнии имело сильный психологический эффект – способствовало образованию целой армии физиков, убежденных в том, что исследование электрических явлений – достойное занятие для ученого.

1.1.3. Электрический заряд. Закон Кулона.

Как показывает опыт, в природе существует взаимодействие, сила которого с изменением расстояния изменяется, так же как и сила всемирного тяготения, но эта сила во много раз превышает гравитационное взаимодействие. Это взаимодействие получило название электрического, а тела участвующие в нем называют наэлектризованными или обладающими электрическим зарядом.

Из обобщения опытных фактов были установлены основные свойства электрического заряда.

В природе существует два вида электрических зарядов – положительные и отрицательные. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются.

Электрический заряд дискретен, т.е. заряд каждого тела кратен некоторому элементарному заряду ( ).

Электрический заряд неотъемлемое свойство элементарных частиц материи – в природе существуют положительно заряженные частицы (протон), отрицательно заряженные частицы (электрон) и частицы, не имеющие заряда (нейтрон), но заряд отдельно от частицы не существует.

М. Фарадей установил закон сохранения электрического заряда – алгебраическая сумма зарядов любой замкнутой системы остается величиной постоянной. Другими словами электрические заряды не создаются и не пропадают, они могут быть либо переданы от одного тела к другому, или перемещены внутри одного тела.

Электрический заряд величина релятивистки инвариантная, т.е. не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от скорости движения заряда.

В конце 18 века появилась настоятельная необходимость перехода от качественного исследования электрических явлений к количественным, различать и определять количественные величины, необходимость связать их математическими соотношениями, начать измерять их с помощью приборов.

В 1784 году Кулон закончил свое блестящее исследование упругого кручения нити. Он установил, что сила закручивания нити пропорционально углу закручивания нити. Это давало новый, исключительно чувствительный метод измерения силы путем сравнения с силой, возникающей при закручивании нити. Новый прибор получил название крутильных весов.

Закон взаимодействия точечных зарядов был установлен Кулоном в 1785 году с помощью крутильных весов. Точечным зарядом называется заряд, сосредоточенный на теле, размерами которого в данных условиях можно пренебречь.

Закон Кулона – сила взаимодействия двух точечных зарядов, расположенных в вакууме, пропорциональна произведению зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами и направлена вдоль прямой, проходящей через центры зарядов.

1.1

С ила F называется кулоновской силой. Эта сила является центральной (рис. 1).

Если заряды находятся в однородной и изотропной среде, то закон Кулона имеет вид:

, 1.2

где - диэлектрическая проницаемость среды, величина, показывающая во сколько раз уменьшается сила взаимодействия зарядов в среде по сравнению с вакуумом.

Значение коэффициента k зависит от выбора системы единиц. В международной системе (СИ) коэффициент k принимается равным

, 1.3

где - электрическая постоянная. Она относится к числу фундаментальных физических постоянных.

В настоящее время имеется большое количество экспериментальных данных показывающих, что закон Кулона выполняется очень точно и притом как для очень больших, так и для очень малых расстояний. В частности, исследования атомных явлений позволяет заключить, что он справедлив, по крайней мере, вплоть до расстояний порядка м.