Л-6
6 Електростатика
6.1 Поняття про електричний заряд. Закон збереження заряду.
Дослідами по взаємодії тіл встановлено, що деякі тіла взаємодіють з силами, набагато більшими (приблизно в 1039 разів), ніж сила гравітаційної взаємодії. Таким тілам приписали властивість мати заряд. Всі заряди умовно поділені на позитивні і негативні у відповідності з двозначним характером їх взаємодії: однойменні заряди відштовхуються, різнойменні притягуються. Сучасній науці відомо, що носіями заряду являються електрони, позитрони (античастинки електронів), протони (входять до складу ядер атомів). Ці частинки мають найменший (елементарний) заряд е = 1,6∙10-19 Кл. Кл (кулон) - одиниця заряду в системі одиниць СІ. Електрон був відкритий англійським фізиком Дж. Дж. Томсоном у 1897 р. Заряд електрона має відємний знак; протон і позитротрон – додатній.
В замкнутій системі тіл має місце закон збереження заряду: алгебраїчна сума зарядів замкнутої системи не змінюється.
6.2 Взаємодія зарядів. Закон Кулона у вакуумі і в середовищі
В
основі електростатики, тобто вчення
про взаємодію нерухомих зарядів, лежить
закон Кулона (1785 р.) для точкових зарядів
у вакуумі:
(6.1)
Сила, з якою взаємодіють два точкових заряди у вакуумі прямо пропорційна добуткові цих зарядів, обернено пропорційна квадрату відстані між ними і направлена по лінії, що з’єднує ці заряди.
q1, q2 – заряди точкових тіл; r – відстань між ними,
-
коефіцієнт
пропорціональності в системі СІ,
- діелектрична стала, яка не має фізичного
змісту, а введена для узгодження одиниць
вимірювання в системі СІ;
-
одиничний вектор.
Сила
взаємодії електричних зарядів в
середовищі залежить від діелектрична
проникність середовища
.
В цьому разі закон Кулона приймає вигляд:
(6.1а)
-
відносна діелектрична проникність
середовища, яка показує у скільки разів
сила взаємодії у вакуумі більша, ніж
сила взаємодії в даному середовищі.
Для
повітря
.
В воді
.
Це означає, що в повітрі сила взаємодія
електричних зарідів майже така ж, як і
в вакуумі, а у воді в 81 раз менша.
6.3 Силові характеристики поля – напруженість та індукція
По сучасним поглядам, взаємодія зарядів відбувається через особливу форму матерії – електричне поле. Кожний заряд утворює у навколишньому середовищі електричне поле, яке і діє на внесений у нього інший заряд.
Силовою характеристикою електростатичного поля є напруженість
(6.2)
Напруженістю електричного поля називають векторну величину, що дорівнює силі, яка діє з боку поля на одиничний позитивний заряд.
Для поля точкового заряду q напруженість
(6.3)
Вимірюється
напруженість електричного поля згідно
(6.2) одиницею
. Або:
.
Крім напруженості існує ще одна силова характеристика електричного поля – індукція.
Вектором індукції електростатичного поля називається вектор
.
Це теж силова, векторна характеристика поля, але на відміну від напруженості, вона не залежить від властивостей середовища. Дійсно, для точкового заряду, враховуючи (6.3), маємо
. (6.4)
Діелектричні властивості середовища (ε і εо) немає в цій формулі.
Графічно
електростатичне поле зображається
силовими лініями. Це лінії, дотична до
яких в кожній точці співпадає з вектором
напруженості
(індукції
).
Властивості силових ліній: