1. Электростатическое поле в вакууме

Введение

Взаимодействие между электрически заряженными частицами или телами, движущимися произвольным образом относительно инерциальной системы отсчета, осуществляется посредством электромагнитного поля, которое представляет собой совокупность двух взаимосвязанных полей:электрического и магнитного.

Особенность электрического поля состоит в том, что сила его воздействия на электрически заряженное тело (или частицу) не зависит от скорости движения тела. Поэтому электрическое поле в пространстве удобно изучать по силовому действию на неподвижный электрический заряд.

Особенность магнитного поля состоит в том, что сила его воздействия на движущиеся электрически заряженные тела (или частицы) пропорциональна скорости движения тела и направлена перпендикулярно этой скорости.

Электростатика – раздел науки об электричестве, изучающий взаимодействие электрических зарядов, неподвижных относительно друг друга и систем координат. Электрическое поле, создаваемое заряженными телами, неподвижными относительно инерциальных систем отсчета, называетсяэлектростатическим полем.

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; он не зависит от скорости движения заряженного тела.

Экспериментально обнаружено существование двух типов электрических зарядов. Положительно заряженныминазывают тела, которые действуют на другие заряженные предметы так же, как стекло, натертое кожей или шелком.Отрицательно заряженныминазывают тела, которые действуют на другие заряженные предметы так же, как эбонит или янтарь, натертые шерстью. 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, он всегда связан с материальным телом или частицей. Электрический заряд дискретен; это означает, что. 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 ихр ие соответственно).

Для количественного измерения электрических зарядов в СИ существует единица измерения, называемая кулон (обозначается Кл). 1 Кл – это электрический заряд, переносимый через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока в проводнике, равном 1 А. Понятие силы тока и определение его единицы в СИ мы введем позднее. Пока подчеркнем лишь то обстоятельство, что в СИ единица электрического заряда является не основной, а производной.

В результате точных электрических измерений было установлено, что Кл,. Приведем здесь же значение отношения заряда электрона к его массе:Кл/кг. Относительная погрешность определения всех этих величин составляет%.

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 сохраненияэлектрического 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 электрически заряженную материальную точку точечным электрическим зарядом.

Закон Кулонаутверждает, чтосила электростатического взаимодействия двух неподвижных точечных электрических зарядов, находящихся в вакууме, прямо пропорциональна произведению этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами и направлена вдоль соединяющейихпрямой так, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. На рис.1.1,аиб показаны силы взаимодействия между двумя положительными точечными зарядамиq₁иq₂.

В векторном виде закон Кулона записывается следующим образом:

Здесь – сила, действующая на зарядсо стороны заряда;–радиус-вектор, соединяющий зарядс зарядом;;k – коэффициент пропорциональности;– сила, действующая на зарядсо стороны заряда;– радиус-вектор, соединяющий зарядс зарядом.