Раздел III. Электричество

Глава 13. Электростатика

Электродинамика – раздел физики, изучающий взаимодействие электрически заряженных частиц, а также особый вид материи, порождаемый этими частицами – электромагнитное поле.

Электростатика – раздел электродинамики, изучающий взаимодействие неподвижных заряженных тел. Электромагнитное поле, осуществляющее это взаимодействие, называется электростатическим.

13.1. Электрические заряды. Закон сохранения электрического заряда

Все тела в природе способны электризоваться, то есть приобретать электрический заряд. Существуют два вида электрических зарядов, условно называемых положительными и отрицательными. Исторически, положительными считают заряды, подобные тем, которые возникают при натирании стекла шелком, отрицательными – заряды, подобные тем, которые возникают при натирании янтаря мехом. Заряды одного знака отталкиваются, разных знаков – притягиваются.

Опытным путем Милликен и Иоффе доказали, что электрический заряд дискретен (атомистичен): заряд любого тела составляет целое кратное от некоторого элементарного электрического заряда . Электрон и протон являются, соответственно, носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов.

Примечание. Электрон и протон входят в состав атомов, из которых построены все тела в природе. Сильновзаимодействующие частицы, входящие в состав атомных ядер – адроны (мезоны и барионы) – построены из кварков, имеющих дробный заряд или . Каждому кварку соответствует антикварк с зарядом или .

Мезоны состоят из двух кварков, барионы – из трех. В свободном состоянии кварки не наблюдаются. Это позволяет считать, что элементарным зарядом в природе является заряд , а не заряд кварков.

Из обобщения опытных данных был установлен фундаментальный закон природы – закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы (системы, не обменивающейся зарядами с внешними телами) остается неизменной, какие бы процессы не происходили внутри этой системы, то есть

. (13.1.1)

Единица электрического заряда в системе СИ – Кулон (Кл).

Электрический заряд – величина релятивистки инвариантная (не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится).

13.2. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона

Закон взаимодействия неподвижных точечных зарядов был установлен в 1785 г Кулоном, который с помощью крутильных весов измерял силу взаимодействия двух небольших заряженных шариков в зависимости от величины их зарядов и и расстояния между ними . На основе своих опытов Кулон установил, что сила взаимодействия между двумя точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (закон Кулона):

. (13.2.1)

Коэффициент пропорциональности зависит от выбора системы единиц измерения величин, входящих в эту формулу.

В СИ , где электрическая постоянная, относящаяся к числу фундаментальных физических величин. Следовательно, . Таким образом,

. (13.2.2)

В таком виде закон Кулона формулируется только для точечных зарядов, то есть таких заряженных тел, размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием до других тел, несущих электрический заряд. Понятие точечного заряда является физической абстракцией.

В ектор силы взаимодействия точечных зарядов (кулоновской силы) направлен по прямой, соединяющей заряды.

В векторной форме закон Кулона имеет вид:

,

где сила, действующая на заряд со стороны заряда ; радиус-вектор, соединяющий заряд с зарядом ; (рис. 13.2.3). По третьему закону Ньютона .

П ример 13.2.1. Два одинаковых маленьких шарика с зарядами и находятся в вакууме на расстоянии друг от друга. Как изменится величина силы взаимодействия между шариками, если их привести в соприкосновение и затем удалить на прежнее расстояние?