5.1.1.3. Закон Кулона

Взаимодействие точечных зарядов можно изучать, проводя опыты с небольшими металлическими шариками, подвешенными на тонких нерастяжимых нитях.

В 1785 г. Шарль Кулон (1736–1806, Франция) установил и сформулировал закон, известный как основной закон электростатики (закон Кулона): электрическая (кулоновская) сила F_к взаимодействия двух точечных электрических зарядов q₁ и q₂ в вакууме прямо пропорциональна произведению их величин, обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними и направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды.

– коэффициент пропорциональности.

5.1.1.4. Электрическая постоянная. Диэлектрическая проницаемость среды

В ряде случаев для упрощения расчётов k удобно представлять в виде: . Тогда .

Электрическая постоянная – коэффициент .

• Сила взаимодействия зарядов в среде меньше, чем в вакууме.

Относительная диэлектрическая проницаемость среды () – величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия зарядов в среде (F_с) меньше, чем в вакууме ( ).

Тогда .

Абсолютная диэлектрическая проницаемость среды – произведение ₀.

5.1.1.5. Электрическое поле и его напряжённость

Из опытов известно, что взаимодействие электрических зарядов может проявляться без их соприкосновения. Если полагать, что взаимодействие передаёт через свои молекулы среда, то механизм взаимодействия зарядов в вакууме неясен.

На основе работ Майкла Фарадея (1791–1867, Англия) была создана теория, взаимодействия электрических зарядов, основанная на существовании электрического поля.

Электрическое поле – особый вид материи, проявляющийся во взаимодействии с электрическими зарядами.

Электрическое поле непрерывно в пространстве, существует вокруг каждого заряда и заряды взаимодействуют друг с другом посредством этого поля.

Электростатическое поле – поле, созданное неподвижным зарядом (зарядами).

Оказалось, что:

1) больший по величине заряд создаёт более сильное поле;

2) более сильное поле оказывает на заряд более сильное действие;

3) одно и то же поле на больший по величине заряд, помещённый в ту же точку поля, действует с большей силой.

Если в точку поля заряда Q поочерёдно помещать заряды q₁, q₂, ..., то на них соответственно будут действовать силы ; ... . Отношения же .

Напряжённость электрического поля ( ) – векторная физическая величина, численно равная силе, с которой поле действует на единичный точечный положительный заряд, помещённый в данную точку поля.

(п.5.1.1.14)

• – силовая характеристика точки электрического поля.

• Напряжённость поля точечного заряда Q на расстоянии r от него: .

5.1.1.6. Принцип суперпозиции полей

Если взять n точечных электрических зарядов Q₁, Q₂, ... Q_n, то они создадут общее электрическое поле. Опыты показали: в точке этого поля на пробный заряд q действует равнодействующая:

.

Принцип суперпозиции (наложения) полей: напряжённость в данной точке электрического поля, созданного системой n точечных зарядов Q_i, равна векторной сумме напряжённостей , созданных в этой точке каждым зарядом .

5.1.1.7. Графическое изображение электрического поля

Электрическое поле невидимо, его условно изображают в виде линий напряженности.

Линия напряжённости (силовая линия) электрического поля – линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряжённости в этой точке.

• Линии напряжённости поля можно построить, внося в него положительный заряд (по направлению силы в каждой точке поля).

• Линии напряжённости разомкнуты: они начинаются на положительных зарядах (или в бесконечности) и заканчиваются на отрицательных зарядах (или в бесконечности).

• Линии напряжённости не пересекаются (сравни с п.5.2.1.3 пункт 3).

Картины электрических полей разных источников:

Для большей наглядности линии напряжённости поля рисуют с разной плотностью (количеством линий, приходящихся на единицу площади перпендикулярно расположенной поверхности): в областях пространства, где напряжённость выше, плотность линий больше.