V. Электростатика

28. Дискретность электрического заряда. Закон сохранения электрического заряда

Источником электростатического поля служит электрический заряд — внутренняя характеристика элементарной частицы, определяющая ее способность вступать в электромагнитные взаимодействия.

Различают два вида электрических зарядов: положительный и отрицательный. Электрический заряд дискретен: заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда е=1,610^-19 Кл. По знаку заряда все элементарные частицы можно разделить на два класса: отрицательно заряженные (например, электрон) и положительно заряженные (протон, позитрон и др.). Существуют также электронейтральные элементарные частицы (например, нейтрон, фотон и др.).

Один из фундаментальных строгих законов природы — закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой (электрически изолированной) системы остается постоянной, какие бы процессы ни происходили внутри этой системы.

29. Закон Кулона. Напряжённость электростатического поля. Вектор электрического смещения

Взаимодействие между неподвижными электрическими зарядами осуществляется посредством электростатического поля.

Сила взаимодействия между двумя точечными неподвижными зарядами определяется законом Кулона: два точечных неподвижных заряда взаимодействуют друг с другом с силой пропорциональной произведению зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

.

(29.1)

Здесь ₀ — электрическая постоянная СИ,  — диэлектрическая проницаемость среды, показывающая во сколько раз сила взаимодействия между зарядами в среде меньше, чем в вакууме,

Электрический заряд в СИ измеряется в кулонах. Один кулон — это такой заряд, который протекает через поперечное сечение проводника за 1 с при неизменной силе тока, равной 1 А.

Силовой характеристикой электростатического поля является напряжённость — векторная величина, равная силе действующей со стороны электростатического поля на единичный положительный заряд, помещённый в данную точку поля:

.

(29.2)

Поскольку сила, действующая на заряд, помещённый в среду с диэлектрической проницаемостью  уменьшается в  раз, то при переходе из вакуума в среду напряженность поля также уменьшается в  раз.

Введём теперь иную характеристику электростатического поля, величина которой не зависит от среды — вектор электрического смещения

.

(29.3)

Поскольку E~1/, то, как видно из (29.3), D не зависит от .

Пример. Напряженность поля точечного заряда.

Рис. 29.1

Поместим в точку А (рис. 29.1), находящуюся на расстоянии от заряда Q пробный заряд q и найдём силу взаимодействия между ними по закону Кулона.

Тогда напряжённость поля, создаваемого зарядом на расстоянии r на основании (29.1) и (29.2) может быть найдена по формуле:

.

(29.4)

Вектор электрического смещения

(29.5)

не зависит от .

Если электростатическое поле создаётся несколькими зарядами, то в соответствии с принципом суперпозиции суммарная напряжённость поля в некоторой точке, определяется как векторная сумма напряжённостей, создаваемых в этой точке отдельными зарядами:

(29.6)