1. Электрический заряд, его свойства. Закон сохранения заряда. Способы электризации тел. Закон Кулона.

В электромагнитное взаимодействие вступают не все тела и частицы. Тем из них, которые участвуют в таких взаимодействиях, приписывается новое свойство - электрический заряд. Он может быть положительным или отрицательным, отражая тот факт, что электромагнитное взаимодействие может быть в виде взаимного притяжения разноименных зарядов или отталкивания одноименных зарядов. Итак, электрический заряд характеризует способность тел вступать в электромагнитные взаимодействия и его величина определяет интенсивность.

Электрический заряд – это величина релятивистски инвариантная т.е. не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или нет.

Единица электрического заряда – кулон. Электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1А за время 1с. Электрический заряд обозначается буквами q или Q. Свойства заряда:

1, Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными. Положительно заряженными называют тела, которые действуют на другие заряженные тела так же, как стекло, наэлектризованное трением о шелк. Отрицательно заряженными называют тела, которые действуют так же, как эбонит, наэлектризованный трением о шерсть. Выбор названия «положительный» для зарядов, возникающих на стекле, и «отрицательный» для зарядов на эбоните совершенно случаен.

2, Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.

3, Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

4, Важным свойством электрического заряда является его дискретность. Это означает, что существует некоторый наименьший, универсальный, далее не делимый элементарный заряд, так что заряд q любого тела является кратным этому элементарному заряду:

где N – целое число, е – величина элементарного заряда. Согласно современным представлениям, этот заряд численно равен заряду электрона e = 1,6∙10^-19 Кл. Поскольку величина элементарного заряда весьма мала, то для большинства наблюдаемых и используемых на практике заряженных тел число N очень велико, и дискретный характер изменения заряда не проявляется. Поэтому считают, что в обычных условиях электрический заряд тел изменяется практически непрерывно.

В замкнутых системах выполняется закон сохранения электрического заряда, который формулируется следующим образом: алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы (системы не обменивающейся зарядами с внешними телами) остается постоянной какие бы процессы не происходили внутри этой системы.(1843 год, Фарадей)

Замкнутая система: q 1+ q 2 + .... = const.

Этот закон является важным, так как позволяет анализировать процессы, происходящие в замкнутых системах при изменении в них числа частиц.

Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Способы электризации тел, которые представляют собой взаимодействие заряженных тел, могут быть следующими:

1, Электризация тел при соприкосновении. В этом случае при тесном контакте небольшая часть электронов переходит с одного вещества, у которого связь с электроном относительно слаба, на другое вещество.

2, Электризация тел при трении. При этом увеличивается площадь соприкосновения тел, что приводит к усилению электризации.

3, Влияние. В основе влияния лежит явление электростатической индукции, то есть наведение электрического заряда в веществе, помещённом в постоянное электрическое поле.

4, Электризация тел под действием света. В основе этого лежит фотоэлектрический эффект, или фотоэффект, когда под действием света из проводника могут вылетать электроны в окружающее пространство, в результате чего проводник заряжается.

Всякий процесс заряжения сводиться к разделению зарядов, при котором на одном из тел(или части тела) появляется избыток положительного заряда, а на другом(или другой части тела)-избыток отрицательного заряда. Общее количество зарядов обоих знаков не изменяется эти заряды только перераспределяются между телами.

Закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов установлен в 1785 году Ш.Кулоном.

Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми он взаимодействует. Понятие точечного заряда является физической абстракцией.

Закон Кулона: сила взаимодействия F между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядам Q₁ и Q₂ и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними:

где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц.

Сила F направлена по прямой, соединяющей взаимодействующие заряды, т. е. является центральной, и соответствует притяжению (F<0) в случае разноименных зарядов и отталкиванию (F>0) в случае одноименных зарядов. Эта сила называется кулоновской силой. В векторной форме закон Кулона имеет вид

                                                    (78.1)

где F₁₂ — сила, действующая на заряд Q₁ со стороны заряда Q₂, r₁₂ — радиус-вектор, соединяющий заряд Q₂ с зарядом Q₁, r = |r₁₂| (рис. 117). На заряд Q₂ со стороны заряда Q₁ действует сила F₂₁ = –F₁₂. Т.е взаимодействие электрических точечных зарядов удовлетворяет третьему закону Ньютона.

В СИ коэффициент пропорциональности равен:

Тогда закон Кулона запишется в окончательном виде:

Величина называется электрической постоянной; она относиться к числу фундаментальных физических постоянных и равна 8,85*10^-12 Кл²/(Н*м²) или 8,85*10^-12 Ф/м, где фарад (Ф) – единица электрической емкости, тогда