60

Лекция 1.

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

Электростатика изучает свойства и закономерности систем неподвижных электрических зарядов и процессы, происходящие в телах, помещенных в электрическое поле. Электрическое поле – это разновидность материи, посредством которой осуществляется силовое воздействие на электрические заряды, находящиеся в этом поле.

Все тела в природе способны электризоваться, то есть, приобретать электрический заряд. Наличие заряда проявляется в том, что заряженное тело взаимодействует с другими заряженными телами. Имеется два вида зарядов, условно называемых положительными и отрицательными (заряд, скапливающийся на стеклянной палочке, потертой кожей, был назван положительным, а на куске смолы, потертом мехом, отрицательным). Заряды одного знака отталкиваются, разных знаков – притягиваются.

Электрический заряд является неотъемлемым свойством некоторых элементарных частиц. Его называют элементарным и обозначают буквой е. для электрона он равен –е, для протона +е, у нейтрона = 0. Из этих частиц состоят атомы и молекулы любого вещества. Обычно частицы, имеющие заряды противоположных знаков, присутствуют в теле в равных количествах, поэтому тело будет нейтральным. Если создать каким-нибудь образом (трение, освещение) избыток частиц одного знака, тело окажется заряженным.

Так как всякий заряд образуется совокупностью элементарных зарядов, он является кратным элементарному заряду q = ± Nе. Если физическая величина может принимать только определенные дискретные значения, то говорят, что эта величина квантуется, то есть, электрический заряд квантуется.

Величина заряда, измеренная в различных инерциальных системах, оказывается одинаковой. Следовательно, электрический заряд является релятивистски инвариантным, то есть, величина заряда не зависит от того, движется заряд или покоится.

Электрические заряды могут исчезать и возникать вновь. Но появление или исчезновение + заряда q всегда сопровождается появлением или исчезновением равного ему заряда –q. Следовательно: в замкнутой электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов тел остается постоянной при любых взаимодействиях тел, ∑q_i = const.Это закон сохранения электрического заряда.

Закон Кулона

Взаимодействие точечных зарядов изучал Кулон. Он установил, что сила взаимодействия двух неподвижных зарядов в воздухе или вакууме пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: ,k – коэффициент пропорциональности, зависит от выбора системы единиц. В системе СИ , - электрическая постоянная.

Силы взаимодействия между зарядами равны по величине и направлены противоположно друг другу по прямой, соединяющей точечные заряды. Разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются.

Сила взаимодействия зависит также от среды, в которой находятся заряды. Среда ослабляет силу взаимодействия: ,F₀ – сила взаимодействия между зарядами в вакууме,  - относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Напряженность электрического поля

Всякий заряд q изменяет свойства окружающего его пространства, создает в нем электрическое поле. Для обнаружения и исследования этого поля можно использовать другие заряды, называемые в этом случае пробными.

Если в данную точку пространства вносить разные по величине пробные заряды, то и силы, действующие на них, будут разными. Но отношение силы к величине пробного заряда будет величиной постоянной для данной точки поля. Эта величина называется напряженностью электрического поля, это силовая характеристика поля .

Напряженность численно равна силе, действующей на единичный пробный заряд. Направление напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд. Размерность напряженности в системе СИ: .

Сила, действующая на пробный заряд: . И на любой заряд, находящийся в электрическом поле с напряженностью Е будет действовать сила F = qE.

Если электрическое поле создается не одним, а несколькими зарядами, то оно будет действовать на пробный заряд с результирующей силой, равной равнодействующей всех сил, действующих от каждого заряда в отдельности

Напряженность поля, созданного несколькими зарядами, равна геометрической сумме напряженностей, созданных каждым зарядом в отдельности. Это принцип суперпозиции полей. На рисунке представлен принцип суперпозиции для двух зарядов.

Электрическое поле можно изображать с помощью силовых линий. Эти линии проводятся таким образом, чтобы касательные к ним в каждой точке совпадали с направлением вектора Е. Густота линий выбирается так, чтобы число линий, пронизывающих единицу поверхности площадки, перпендикулярной к силовым линиям, равнялась значению вектора Е. То есть, по картине силовых линий можно судить о направлении и величине вектора Е в разных точках пространства.

Силовые линии электростатического поля разомкнуты. Они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных, или уходят в , или приходят из .