Закон Кулона

З акон взаимодействия электрических зарядов был установлен экспериментально французским физиком Ш. Кулоном во второй половине XVIII века. Закон формулируется следующим образом: модуль силы взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

Для вакуума и воздуха закон Кулона записывают так:

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. В СИ

где – электрическая постоянная.

Для бесконечной однородной и изотропной диэлектрической среды закон Кулона имеет вид:

где ε – диэлектрическая проницаемость среды, в которой находятся заряды.

Закон Кулона справедлив для точечных зарядов – заряженных тел, размеры которых много меньше других размеров рассматриваемой системы. Если заряженное тело в условиях данной задачи нельзя считать точечным зарядом, то его рассматривают как совокупность точечных зарядов. Сила, с которой такое тело будет действовать на другое тело, определяется согласно принципу суперпозиции сил.

Действие электрического поля на электрические заряды

Для описания взаимодействия электрических зарядов в начале XIX века английский физик М. Фарадей предложил использовать понятие электрического поля.

Электрическое поле – материальная среда, являющаяся посредником действия одного заряда на другой и передающая это действие с конечной скоростью.

Идея Фарадея: любой электрический заряд создаёт во всём окружающем его пространстве материальный объект – электрическое поле, которое действует на другие электрические заряды с некоторой силой, называемой электрической силой, и убывает по мере удаления от заряда, его создающего.

Заряд наделяет окружающее пространство особыми физическими свойствами, главное из которых – действие с электрической силой на любой заряд, помещённый в это пространство.

Поле, создаваемое неподвижными электрическими зарядами, не изменяется со временем и называется электростатическим.

Электрические поля принято представлять графически с помощью силовых линий – линий, касательные к которым в любой точке совпадают с направлением вектора напряжённости в этой точке. Графическое преставление электрических полей даётся с соблюдением следующих правил:

1) силовые линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных;

2) силовые линии не пересекаются;

3) плотность линий пропорциональна модулю вектора напряжённости в данном месте поля.

Н а рисунках приведено несколько примеров графического изображения полей.

Напряжённость электрического поля

Для описания главного свойства электрического поля введена физическая величина.

Напряжённость электрического поля – векторная величина, равная отношению силы, действующей на точечный заряд в рассматриваемой точке поля, к величине этого заряда:

Важно помнить, что направление вектора напряжённости совпадает с направлением силы, действующей на точечный положительный заряд, помещённый в рассматриваемую точку поля:

Модуль вектора напряжённости может быть найден по формуле:

В СИ напряжённость имеет две формы записи единиц измерения.

Напряжённость электрического поля позволяет находить электрические силы, поэтому её называют силовой характеристикой поля.

Рассмотрим величину напряжённости для некоторых видов электрических полей.

1. Напряжённость поля точечного заряда. Эту формулу легко получить из закона Кулона:

г де q₀ – заряд, создающий поле (q – заряд, помещаемый в поле). Формула справедлива и для расчёта электрического поля равномерно заряженной сферы (и для равномерно заряженного шара) радиуса R для r ≥ R. В этом случае r – расстояние от рассматриваемой точки до центра сферы (шара).

2. Напряжённость поля бесконечной равномерно заряженной плоскости:

где – поверхностная плотность заряда. В формуле нет расстояния до заряда, то есть во всех точках пространства напряжённость такого поля одинакова.

3. Напряжённость поля, созданного несколькими зарядами.

Однородное поле – поле, силовая характеристика которого одинакова во всех точках пространства. Однородное электростатическое поле на рисунках показывается параллельными прямыми линиями напряжённости, расположенными на равных расстояниях.