- •1. Электрический заряд и его свойства. Закон Кулона
- •2. Напряженность электрического поля. Силовые линии
- •1.3. Суперпозиция электростатических полей
- •3. Работа сил электростатического поля. Разность потенциалов. Потенциал
- •4. Работа сил электростатического поля. Разность потенциалов. Потенциал
- •5. Связь напряженности и потенциала. Градиент скалярного поля
1. Электрический заряд и его свойства. Закон Кулона
Электрический заряд – физическая величина, определяющая интенсивность электрических взаимодействий. Электрический заряд –фундаментальное свойство материи. Заряд – инвариантная величина, т.е. не зависит от скорости движения заряженного тела.
Положительные и отрицательные заряды по-разному проявляют себя в парном взаимодействии: тела, обладающие зарядами одного типа, отталкиваются друг от друга, а тела, обладающие зарядами разных типов, притягиваются друг к другу.
Поскольку электрический заряд – это мера воздействия на тело других заряженных тел или электрических полей, то он всегда связан с определенным телом или частицей. Электрический заряд дискретен, т.е. существует минимальная величина электрического заряда (элементарный заряд), а электрический заряд любого тела может быть представлен как алгебраическая сумма целого числа элементарных зарядов. Элементарный положительный заряд – это заряд протона, элементарный отрицательный заряд – это заряд электрона (в дальнейшем будем обозначать их р и е соответственно).
Для количественного измерения электрических зарядов в СИ существует единица измерения, называемая кулон (обозначается Кл). 1 кулон – это электрический заряд, переносимый через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока в проводнике, равной 1 ампер.
В результате точных электрических измерений было установлено, что Кл, .
Система тел или частиц называется электрически изолированной, если между ней и внешними телами нет обмена электрическими зарядами (заряженными частицами). В такой системе могут образовываться новые электрически заряженные частицы, например, электроны при ионизации атомов и молекул. Однако всегда при этом рождаются частицы, заряды которых противоположны по знаку и в сумме равны нулю. Для электрически изолированной системы тел справедлив фундаментальный закон физики – закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.
Закон Кулона утверждает, что сила электростатического взаимодействия двух неподвижных точечных электрических зарядов, находящихся в вакууме, прямо пропорциональна произведению этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами и направлена вдоль соединяющей их прямой (рис.1.1):
, , (1.1)
где – сила, действующая на заряд со стороны заряда ; –радиус-вектор, соединяющий заряд с зарядом ; ; k – коэффициент пропорциональности; – сила, действующая на заряд со стороны заряда ;– радиус-вектор, соединяющий заряд с зарядом . Из (1.1) следует, что при (рис.1.1, а) – одноименно заряженные тела отталкиваются. При (рис.1.1, б) – разноименно заряженные тела притягиваются.
Коэффициент пропорциональности k в формуле (1.1) зависит от выбора системы единиц. В СИ принимается, что
Нм2Кл–2, (1.2)
где – коэффициент, определяемый из экспериментальных данных, называемый электрической постоянной:
Кл2Н–1м–2. (1.3)
Электрическое поле, создаваемое заряженными телами, неподвижными относительно инерциальных систем отсчета, называется электростатическим полем.