1 Закон сохранения электрического заряда

Все тела в природе способны приобретать электрический заряд. Имеются 2 вида зарядов, называемых положительными и отрицательными. Заряды одного знака отталкиваются, разных знаков – притягиваются. Заряд всех элементарных частиц одинаков по абсолютной величине. Его можно назвать элементарным зарядом. Положительный элементарный заряд обозначается буквой е (е=1,610^–19 Кл). Частицы, несущие заряды разных знаков, распределены в теле с одинаковой плотностью. В этом случае алгебраическая сумма зарядов в любом элементарном объеме тела равна нулю, и каждый такой объем будет нейтральным. Если каким-либо образом создать в теле избыток частиц одного знака, тело окажется заряженным. Величина заряда, измеряемая в различных системах отсчета, оказывается одинаковой. Следовательно, электрический заряд является инвариантным. Отсюда вытекает, что величина заряда не зависит от того, движется этот заряд или покоится. Таким образом, суммарный заряд электрически изолированной системы не может изменяться. Это утверждение носит название закона сохранения электрического заряда.

2 Закон Кулона

Точечным зарядом называется заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями от этого тела до других тел, несущих заряд. Сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов пропорциональна величине каждого из зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Закон Кулона может быть выражен формулой (1), где k – коэффициент пропорциональности.

(1) (2) (3) (4)

Сила F называется кулоновской силой. В векторной форме закон Кулона имеет вид (2). В СИ коэффициент пропорциональности равен (3), тогда закон Кулона запишется в виде (4). Величина ₀ называется электрической постоянной; она относится к числу фундаментальных физических постоянных.

3 Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля

Взаимодействие между покоящимися зарядами осуществляется через электростатическое поле. Заряд изменяет свойства окружающего его пространства – создает в нем электрическое поле. Это поле проявляет себя в том, что помещенный в какую-либо его точку электрический заряд оказывается под действием силы. Если в поле, создаваемое зарядом Q, поместить пробный заряд Q₀, то на него действует сила F, различная в разных точках поля, которая, согласно закону Кулона, пропорциональна пробному заряду Q₀. Поэтому отношение F/Q₀ не зависит от Q₀ и характеризует электростатическое поле в той точке, где пробный заряд находится. Эта величина называется напряженностью и является силовой характеристикой электростатического поля. Напряженность электростатического поля в данной точке есть физическая величина, определяемая силой, действующей на пробный единичный положительный заряд, помещенный в эту точку поля – (1).

(1)

Из формулы следует, что единица напряженности электростатического поля — ньютон на кулон (Н/Кл): 1 Н/Кл — напряженность такого поля, которое на точечный заряд 1 Кл действует с силой в 1 Н.

4 Принцип суперпозиции электростатических полей. Поле диполя

К кулоновским силам применим рассмотренный в механике принцип независимости действия сил – (1). F = Q₀E и F_i = Q₀Е_i. Подставляя выражения в (1), получаем (2). Формула (2) выражает принцип суперпозиции электростатических полей, согласно которому напряженность Е результирующего поля, создаваемого системой зарядов, равна геометрической сумме напряженностей полей, создаваемых в данной точке каждым из зарядов в отдельности.

(1) (2) (3) (4)

Принцип суперпозиции применим для расчета электростатического поля электрического диполя. Электрический диполь – система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов, расстояние между которыми значительно меньше расстояния до рассматриваемых точек поля. Вектор (3) называется электрическим моментом диполя. Согласно принципу суперпозиции, напряженность Е поля диполя в произвольной точке – (4).