§ 1 Закон Кулона

В природе существуют положительно и отрицательно заряженные тела. Можем назвать пока зарядом тела меру его электризации. Для точного определения понятия заряда тела необходимо описать процедуру его измерения. Это можно сделать, используя закон Кулона (Ch.Coulomb, 1785): сила взаимодействия между малыми заряженными телами обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними. При соприкосновении одинаковых металлических шариков заряд между ними распределяется равномерно. Измерив силу отталкивания между двумя одинаково заряженными шариками, можем определить их заряд:

.

Итак, первая физическая величина для описания нового круга явлений определена. Теперь можем вслед за Кулоном обобщить его закон, экспериментируя с телами, заряды которых различны: сила взаимодействия F между малыми заряженными телами (точечные заряды) пропорциональна зарядам этих тел q₁, q₂ и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними:

. (1.1)

Условие малости заряженного тела то же, что и при определении материальной точки: размер тела много меньше характеристического размера задачи (в данном случае это расстояние между телами).

Остановимся на эксперименте Кулона несколько подробнее. Кулон для измерения малых сил изобрел крутильные весы, которые схематично показаны на рис.1.1a. На шелковой нити 1 подвешено сбалансированное коромысло из диэлектрика, на котором закреплено заряженное тело 2 и демпфер 3 для того, чтобы быстрее затухали колебания. При вращении коромысла нить закручивается, появляется момент,

Рис.1.1

стремящийся вернуть подвес в равновесие. Если другое заряженное тело 4 на изоляторе 5 поднести к первому телу (рис.1.1b), то, поскольку между ними будет взаимодействие, нить закрутится на угол , который будет пропорционален действующей на тело 2 силе. Отклонением подвеса от вертикали пренебрегаем, считая силу тяжести, действующую на тело, много большей кулоновской силы. Для малых углов:

.

Поскольку новое взаимодействие между телами, которое мы описываем, появляется только между заряженными телами, будет разумным сделать единицу заряда основной для измерения новых величин в этом разделе физики. Так и сделано в Гауссовой системе единиц – симметричной СГС системе (в механике основные единицы в ней – сантиметр, грамм, секунда). Единицей заряда в ней будет такой заряд тела, при котором между двумя одинаково заряженными малыми телами, находящимися на расстоянии один сантиметр, будет действовать сила, равная одной дине.

Однако поддерживать эталон единицы заряда практически невозможно. Даже в сверхвысоком вакууме могут образовываться, например, электрон - позитронные пары. Если заряд эталона выбран положительным, то позитрон от него отталкивается, а электрон притягивается, попадает на эталон и изменяет его заряд. В силу этого, основной единицей для измерения электрических величин в системе единиц, используемой для практических целей (СИ), выбрана единица силы тока - ампер.

Итак, далее все законы электродинамики мы будем формулировать в Гауссовой системе, а численные оценки и анализ результатов экспериментов мы будем делать и в СИ.