В добрый путь и удачи!

Глава 3 электричество и магнетизм

1. Электростатика

   1. Электрическое поле

Поместим стеклянную палочку над мелко изорванными бумажками. По закону всемирного тяготения палочка притягивает бумажки, тем не менее, они не шелохнулись, очевидно потому, что Земля их притягивает сильнее. Таким образом, в пределах точности данного опыта гравитационное поле палочки не обнаруживается. Потрем палочку, например, шелком и повторим опыт. Бумажки бурно реагируют, притягиваясь к палочке; некоторые даже подскакивают к ней.

Ясно, что палочка стала источником какого-то поля, помимо гравитационного, которое проявилось действием бóльших сил. Впервые такое явление наблюдалось на палочке из янтаря, поэтому силы были названы электрическими¹, поле таких сил – электростатическим полем. Тело, участвующее в электрическом взаимодействии, называют электрически заряженным телом или электрическим зарядом². Процесс, в результате которого тело заряжается, называется электризацией. Экспериментально были обнаружены два рода электрических зарядов. Взаимодействуют они по разному, соединяясь – нейтрализуются. Поэтому зарядам приписали противоположные знаки – «стеклянное» электричество было названо положительным, «смоляное» – отрицательным. При взаимодействии одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

1. Почему в процессе трения стеклянной палочки о шелк происходит процесс электризации?

Электрический заряд – одна из фундаментальных характеристик материи. И как не уничтожается и не создается вновь в различных процессах материя, так не создается и не исчезает электрический заряд. Отсюда следует подтвержденный экспериментально закон сохранения электрического заряда:

алгебраическая сумма зарядов изолированной системы постоянна, т.е. .

Электрические заряды порождают электрическое поле – материальную среду, посредством которой осуществляется их взаимодействие.

2. Почему нельзя обойтись без «посредников» в лице поля при взаимодействии электрических зарядов? Что мешает полагать, что один заряд воздействует на другой непосредственно?

Всякий конечный заряд равен целому числу элементарных зарядов: . Наименьший элементарный заряд равен абсолютной величине заряда электрона е = 1,60219·10^-19 Кл (в системе СИ единицей заряда является кулон).

Электрическое поле данных зарядов по-разному проявляется в различных системах отсчета. Наиболее простой случай электрического поля – поле, созданное покоящимися в выбранной системе зарядами. Поле таких неподвижных зарядов называется электростатическим.

2. Закон Кулона

Назовем точечными зарядами тела, размеры которых пренебрежимо малы в условиях данной задачи. Взаимодействие точечных зарядов на опыте изучал Кулон. Закон Кулона:

силы взаимодействия двух точечных электрических зарядов пропорциональны произведению этих зарядов, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними, зависят от среды и направлены по линии центров (рис. 3.1).

.

В этом выражении: сила действия первого заряда на второй; вектор, соединяющий заряды, направленный по линии центров от первого ко второму заряду; величины взаимодействующих зарядов; модуль вектора ; единичный вектор, направленный вдоль вектора ; диэлектрическая проницаемость – число, которое показывает, во сколько раз сила взаимодействия каких-либо зарядов в данной среде меньше, чем в вакууме, экспериментальный коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. В СИ принято , и закон Кулона имеет вид

.

Модуль этой силы .

Величина Кл²/(Н·м²) называется диэлектрической постоянной.

Если взаимодействуют одноименные заряды, то их произведение положительно, направление силы совпадает с направлением вектора, соединяющего заряды. Положительная сила – это сила отталкивания. Если взаимодействуют разноименные заряды, то их произведение отрицательно, сила взаимодействия и вектор, соединяющий заряды, противоположно направлены. Отрицательная сила – это сила притяжения.

По закону Кулона можно определить только силы взаимодействия точечных зарядов. Но любые два протяженных заряда можно разбить на заряженные материальные точки и все их силы взаимодействия сложить. Так можно решить задачу о взаимодействии любых заряженных тел. Правда, в общем виде такая задача приводит часто к непреодолимым математическим затруднениям.

3. Два точечных заряда взаимодействовали в вакууме с определенной силой F. Затем их поместили в воду (ε=81). Как необходимо изменить расстояние между зарядами, чтобы сила F взаимодействия между ними осталось прежней?