Лекция №11

Электростатика. Электрические свойства тел. Электрический заряд и закон его сохранения. Закон Кулона. Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля. Силовые линии поля. Поток вектора напряженности электрического поля. Теорема Остроградского-Гаусса и ее применение. Работа сил электростатического поля по перемещению зарядов. Потенциал. Разность потенциалов. Связь между напряженностью и потенциалом. Потенциал точечного заряда и сферы. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков. Электрическое смещение. Электрическая емкость. Конденсаторы. Соединения конденсаторов. Электроемкость плоского конденсатора. Энергия электрического поля.

11.1. Электрические свойства тел. Электрический заряд. Закон сохранения заряда

Известно, что имеются два вида электрических зарядов, условно называемых положительными и отрицательными. Наименьшую величину заряда е = 1,6021910 ^–19 Кл имеет элементарный заряд. Носителем положительного элементарного заряда является, например, протон - элементарная частица, входящая в состав ядра атома и имеющая заряд +е. Носителем отрицательного элементарного заряда - электрон. Его заряд -е.

Все существующие на практике заряды q = Ne, где N — целые числа, т.е, электрический заряд квантуется (если физическая величина может принимать только определенные дискретные значения, то говорят, что эта величина квантуется). Экспериментально установлено, что величина заряда не зависит от скорости, следовательно, электрический заряд является релятивистски инвариантным.

Как известно, все вещества состоят из атомов, а атом, в свою очередь, состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. В целом атом электронейтрален, т. к. число протонов, несущих положительный заряд q₊=+ze (где z — порядковый номер элемента в таблице Менделеева), равно числу электронов, несущих отрицательный заряд q_- = -ze.

При электризации, например, трением, оба тела заряжаются разноименно: одно — положительно, а другое — отрицательно, т.е, одно тело теряет электроны, а другое приобретает их.

Если рассмотреть изолированную систему, через поверхность которой заряды не проходят, то можно утверждать: «Алгебраическая сумма электрических зарядов в изолированной системе есть величина постоянная», т.е.

.

Это один из фундаментальных законов физики — закон сохранения электрического заряда. Его опытным путем установил Фарадей.

11.2. Закон Кулона

Он справедлив для точечных зарядов.

Точечным зарядом называется заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями от него до других заряженных тел. Кулон в 1785 г. экспериментально установил, что: «Сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов пропорциональна величинам этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними», т.е.

, (11-1)

где в СИ коэффициент Ф / м — электрическая постоянная. В итоге имеем k = 910⁹ м/Ф, или Нм² /Кл². Измеряя в (1) расстояние в "м", а заряды в "Кл", силу получим в "Н". Одноименно заряженные тела отталкиваются, разноименно заряженные -притягиваются. Закон Кулона можно выразить в векторной форме:

, (11-2) - сила, действующая на заряд, к которому направлен вектор , проведенный от одного заряда к другому; ₁ — сила, действующая на заряд q₁ со стороны заряда q₂; ₂ — сила, действующая на заряд q₂ со стороны заряда q₁.

Экспериментально установлено, что взаимодействие двух зарядов не изменится, если вблизи них поместить другие заряды. Пусть, кроме заряда q, имеются еще заряды q₁, q₂, …, q_n, тогда результирующая сила, с которой они действуют на заряд q, будет

(11-3)

где ; - радиус-вектор, исходящий от заряда q_i, и направленный к заряду q.