Физика 3 семестр / новая папка / Помощь к экзамену / Темы / 01. Электрический заряд и его свойства. Закон Кулона

1.1. 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.

Силы взаимодействия неподвижных электрических зарядов подчиняются основному закону электростатического взаимодействия, который был экспериментально установлен Г. Кавендишем в 1773 г. Впервые этот закон был опубликован в 1785 г. Ш. Кулоном, который исследовал взаимодействие заряженных маленьких шариков с помощью крутильных весов. Такие шарики в опыте Кулона можно было считать материальными точками. Назовем электри-чески заряженную материальную точку точечным электрическим зарядом.

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

Нм²Кл^–2, (1.2)

где – коэффициент, определяемый из экспериментальных данных, называемый электрической постоянной:

Кл²Н^–1м^–2. (1.3)