1.1.2.Закон кулона

Основной закон взаимодействия электрических зарядов был найден Шарлем Кулоном в 1785 г. экспериментально. Кулон установил, что сила взаимодействия между двумя небольшими заряженными металлическими шариками обратно пропорциональна квадрату расстояниямежду ними и зависит от величины зарядови:

,

где - коэффициент пропорциональности. Силы, действующие на заряды, являются центральными, то есть они направлены вдоль прямой, соединяющей заряды. Для одноименных зарядов произведениеи силасоответствует взаимному отталкиванию зарядов, для разноимнных зарядов, и силасоответствует взаимному притяжению зарядов.

Закон Кулона можно записать в векторной форме:

,

где - вектор силы, действующей на зарядсо стороны заряда,

- радиус-вектор, соединяющий зарядс зарядом;- модуль радиус-вектора.

Сила, действующая на заряд со стороныравна

,.

Силы, действующие на заряды, являются центральными и направлены вдоль прямой, соединяющей заряды (рис.1.1.1).

Закон Кулона в такой форме справедлив только для взаимодействия точечных электрических зарядов, то есть таких заряженных тел, линейными размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием между ними. Кроме того, он выражает силу взаимодействия между неподвижными электрическими зарядами, то есть это электростатический закон.

Формулировка закона Кулона:

Сила электростатического взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению величин зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, и направлнеа пр прямой, соединяющей звряды.

Коэффициент пропорциональности в законе Кулона зависит от свойств среды и выбора единиц измерения величин, входящих в формулу. Поэтомуможно представить отношением

,

где - коэффициент, зависящий только от выбора системы единиц измерения;

- безразмерная величина, характеризующая электрические свойства среды, называется относительной диэлектрической проницаемостью среды. Она не зависит от выбора системы единиц измерения и равна единице в вакууме.

Тогда закон Кулона примет вид:

,

для вакуума , тогда-относительная диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз в данной среде сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами и, находящимися друг от друга на расстоянии, меньше, чем в вакууме.

В системе СИ коэффициент , и закон Кулона имеет вид:

.

Это рационализированная запись закона Кулона. - электрическая постоянная,.

В векторной форме закон Кулона принимает вид где- вектор силы, действующей на зарядсо стороны заряда,- радиус-вектор, проведенный из зарядак заряду (рис.1.1.2 ),r –модуль радиус-вектора .

Всякое заряженное тело состоит из множества точечных электрических зарядов, поэтому электростатическая сила, с которой одно заряженное тело действует на другое, равна векторной сумме сил, приложенных ко всем точечным зарядам второго тела со стороны каждого точечного заряда первого тела.

1.1.3.Электрическое поле. Напряженность

Пространство, в котором находится электрический заряд, обладает определенными физическими свойствами. На всякий другой заряд, внесенный в это пространство, действуют электростатические силы Кулона. Если в каждой точке пространства действует сила, то говорят, что в этом пространстве существует силовое поле. Поле наряду с веществом является формой материи. Если поле стационарно, то есть не меняется во времени, и создается неподвижными электрическими зарядами, то такое поле называется электростатическим. Электростатика изучает только электростатические поля и взаимодействия неподвижных зарядов.

Для характеристики электрического поля вводят понятие напряженности. Напряженностью в каждой точке электрического поля называется вектор , численно равный отношению силы, с которой это поле действует на пробный положительный заряд, помещенный в данную точку, и величины этого заряда, и направленный в сторону действия силы.

Пробный заряд, который вносится в поле, предполагается точечным . Он не участвует в создании поля, которое с его помощью измеряется. Кроме того, предполагается, что этот заряд не искажает исследуемого поля, то есть он достаточно мал и не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле.

Если на пробный точечный заряд поле действует силой, то напряженность

.

Единицы напряженности в системе СИ Н/Кл=В/м.

Выражение для напряженности поля точечного заряда:

.

В векторной форме:

Здесь – радиус-вектор, проведенный из зарядаq , создающего поле, в данную точку.

Таким образом, векторы напряженности электрического поля точечного заряда q во всех точках поля направлены радиально от заряда, если он положительный (рис.1.1.3), и к заряду, если он отрицательный (рис.1.1.3).

Для графической интерпретации электрического поля вводят понятие силовой линии или линии напряженности. Это кривая, касательная в каждой точке к которой совпадает с вектором напряженности. Линия напряженности начинается на положительном заряде и заканчивается на отрицательном. Линии напряженности не пересекаются, так как в каждой точке поля вектор напряженности имеет лишь одно направление.

Лекция 2