Электрические заряды. Закон Кулона.

Напряженность электрического поля. Линии напряженности. Принцип суперпозиции. Теорема Гаусса-Остроградского.

Электромагнетизм

Лекция 18.

Электростатика в вакууме.

Электростатика устанавливает законы, определяющие поведение и взаимодействие неподвижных зарядов.

Современная физика оперирует понятием электромагнитного поля, рассматривая его, наряду с веществом, в качестве одного из видов материи. Этот вид материи – электромагнитное поле – обладает энергией, импульсом и может быть охарактеризован другими физическими свойствами. Именно посредством полей осуществляются электромагнитные взаимодействия тел.

Свойства электрического заряда.

Наряду с массой одной из основных характеристик частицы является её электрический заряд. Электрический заряд обладает свойствами:

1) Опытным путем установлено, что существуют как положительные, так и отрицательные электрические заряды. Этот экспериментальный факт называют дуализмом или двойственностью заряда.

Заряды одинакового знака отталкиваются, а разноименные заряды притягиваются.

2) Следующее утверждение, являющееся экспериментальным фактом, – это закон сохранения электрического заряда. Полный заряд (алгебраическая сумма зарядов) электрически изолированной системы никогда не меняется. Нарушения закона сохранения заряда не наблюдались.

3). Релятивистская инвариантность полного заряда:

алгебраическая сумма зарядов в изолированной системе не меняется при переходе от одной ИСО (инерциальной системы отсчета) к другой, независимо от скорости их относительного движения.

4). Квантование или дискретность заряда.

Полный заряд любого тела кратен элементарному заряду  . Опыты с макроскопическими телами позволяют установить дискретное изменение заряда лишь в тех случаях, когда избыточный заряд одного знака будет состоять лишь из небольшого числа элементарных. Такой случай реализуется вкапельном методе Милликена (описание опыта дается на лекции или см. в рекомендованной литературе), позволяющем достигнуть очень высокой точности в определении величины элементарного заряда.

Закон Кулона

	Кулон (1785 г.) проводил опыты по измерению силы взаимодействия точечных зарядов (размеры заряженных тел значительно меньше расстояния между ними  ,Рисунок 18.1) с помощью крутильных весов и открыл основной количественный закон электростатики.
Рисунок 18.1.

Сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов пропорциональна величине каждого из зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой, соединяющей заряды.

,

(18.1)

Выбор коэффициента  зависит от системы единиц. Всистеме СИ основные единицы: метр (м), килограмм (кг), секунда (с), Кельвин (К) и Ампер (А). При этом величина заряда и сила определяются независимо:

1 заряда (Кулон) = 1Кл = 1 А1 с

Коэффициент  равен:

где  - диэлектрическая постоянная. Тогда значение коэффициента составляет .

Напряженность электрического поля.

Взаимодействие между покоящимися зарядами осуществляется посредством электрического поля. Всякий электрический заряд определенным образом изменяет свойства окружающего пространства, т.е. создает в нем электрическое поле, которое может быть обнаружено по воздействию на «пробный» заряд q₀. (Под пробным понимают такой заряд, который практически не изменяет электростатическое поле рассматриваемой системы зарядов).

Силовой характеристикой электрического поля служит векторная величина, называемая напряженностью электрического поля и опреде­ляемая как

(18.2)

Напряженность поля, создаваемого точечным зарядом  в окружающем пространстве, определяется выражениями:

(18.3)

Однородным называется электрическое поле, напряженность которого во всех точках рассматриваемого пространства одинакова:

(18.4)