Электрический заряд. Дискретность заряда. Закон сохранения электрического заряда Закон Кулона

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

В этом разделе изучается одна из сторон единого электромагнитного поля - электростатическое поле неподвижных зарядов. В основе такого рассмотрения лежит установленный экспериментально закон Кулона, идея близкодействия и принцип суперпозиции электростатических полей.

Электростатика - раздел электродинамики, в котором изучается взаимодействие неподвижных электрических зарядов. Такое взаимодействие осуществляется посредством электростатического поля. C 17^го века исследователи проводили многочисленные опыты с наэлектризованными телами. Были построены первые электростатические машины, основанные на электризации трением. С изобретением первого конденсатора (лейденская банка 1745 г.) появилась возможность накапливать большие электрические заряды. Это позволило в 1750 г. Б. Франклину установить закон сохранения электрического заряда.

В 1785 г. был экспериментально открыт закон взаимодействия неподвижных электрических зарядов - закон Кулона. С этого времени началось количественное изучение электрических явлений с помощью изобретенных в то время приборов (электроскопов и электрометров).

В отличие от гравитационного, в электростатическое взаимодействие вступают не все тела и частицы. Тем из них, которые участвуют в таких взаимодействиях, приписывается новое свойство - электрический заряд.

Электрический заряд. Дискретность заряда. Закон сохранения электрического заряда Закон Кулона.

По современным представлениям, электрический заряд является скалярной физической величиной, которая характеризует способность тел вступать в электромагнитные взаимодействия и его величина определяет интенсивность этих взаимодействий.

Что же представляет собой электрический заряд? Для того, чтобы составить себе представление об этом понятии, можно перечислить свойства, которыми обладают электрические заряды.

1) Существует два типа зарядов - положительные или отрицательные, им соответствуют два типа взаимодействия: одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные – притягиваются.

2) Электрический заряд величина релятивистски инвариантная, т.е. он не изменяется при движении с любыми скоростями и не зависит от выбора системы отсчета.

3) Заряд обладает свойством аддитивности, т.е. заряд любой системы равняется алгебраической сумме зарядов частиц, составляющих эту систему.

4) Электрический заряд – дискретен, т.е. заряды всех тел и частиц, вступающих в электрические взаимодействия, состоят из целого числа элементарных зарядов. В природе в свободном состоянии существуют частицы, имеющие минимальный по модулю заряд, равный . Поэтому

, (1.1)

где N - целое число. В этом заключается дискретность электрического заряда. Заряд электрона равен , т.е. является отрицательным и численно равным элементарному заряду, а заряд протона является положительным по знаку и численно равным элементарному заряду.

5) М. Фарадеем был сформулирован закон сохранения заряда: в любой электроизолированной системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается величиной постоянной

Замкнутая система: const. (1.2)

В 1785 году Ш Кулоном с помощью изобретенных им крутильных весов экспериментально был установлен закон взаимодействия неподвижных точечных зарядов. «Точечным» называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстояниями до других заряженных тел, с которыми он взаимодействует. Закон Кулона:силы, с которыми взаимодействуют два неподвижных точечных заряда в вакууме, прямо пропорциональны произведению этих зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними; силы направлены вдоль прямой, соединяющей эти заряды:

, (1.3)

где - сила, с которой первый заряд действует на второй заряд, а - радиус – вектор, проведенный от первого заряда ко второму заряду.

Входящая в формулу (1.3) величина Ф/м называется электрической постоянной, она возникает при записи формулы закона в международной системе единиц СИ, а коэффициент k пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц в системе СИ равен

.

Если взаимодействующие заряды находятся в однородной и изотропной диэлектрической среде, то в знаменателе формулы (1.3) появляется безразмерная величина - диэлектрическая проницаемость среды, которая показывает во сколько раз сила взаимодействия зарядов в данной среде меньше, чем их сила взаимодействия в вакууме.

Рис. 1.1

Для вакуума ε = 1, для всех сред ε>1, но с достаточной степенью точности при проведении многих расчетов можно принять для газов ( и для воздуха).