Электрический заряд. Дискретность заряда. Распределение зарядов. Закон сохранения заряда. Закон Кулона

РАЗДЕЛ 3. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

ТЕМА 8. ЭЛЕКТРОСТАТИКА

Электрический заряд. Дискретность заряда. Распределение зарядов. Закон сохранения заряда. Закон Кулона.

Несмотря на огромное разнообразие веществ в природе, существует только два типа электрических зарядов. Заряды подобные возникающим на стекле, потертом о кожу называются положительными, а заряды, подобные возникающим на эбоните, потертом о мех - отрицательными. Одноименные заряды друг от друга отталкиваются, разноименные - притягиваются.

Опытным путем было доказано, что электрический заряд дискретен, т.е. заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда e (e=1,6^.10^-19 Кл). Электрон и протон являются соответственно носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов.

Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Электризация тел может осуществляться различными способами: соприкосновением (трением), электрической индукцией и т.д. При этом электрический заряд может быть распределен линейно, поверхностно или по объему.

Линейной плотностью заряда называется заряд, отнесенный к единице длины:

Поверхностной плотностью заряда называется заряд единицы площади поверхности тела:

Объемной плотностью заряда называется заряд единицы объема тела:

Из обобщения опытных данных был установлен фундаментальный закон природы, экспериментально подтвержденный в 1843 г. английским физиком М. Фарадеем, - закон сохранения заряда:

Алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы (системы, не обменивающейся зарядами с внешними телами) остается неизменной, какие бы процессы ни происходили внутри этой системы.

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

Единица измерения электрического заряда - кулон (Кл).

Кулон-электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с.

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

Точечный заряд - заряженное тело, линейные размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми оно взаимодействует.

Понятие точечного заряда, как и материальной точки, является физической абстракцией.

Закон Кулона:

Сила взаимодействия F двух неподвижных точечных зарядов, находящихся в вакууме, пропорциональна величинам этих зарядов q₁ и q₂ и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними:

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

В СИ коэффициент пропорциональности равен k=1/(4 ).

Тогда закон Кулона запишется в виде:

(8.1.1.)

Величина называется электрической постоянной; она относится к числу фундаментальных физических постоянных и равна Ф/м, где фарад(Ф) - единица электрической емкости. Тогда k = 1/(4 )=9^.10⁹ м/Ф.

Сила Fнаправлена вдоль 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:

(8.1.2.)

где F₁₂-сила,действующая на заряд q₁ со стороны заряда q₂, - радиус-

вектор, соединяющий заряды q₁ и q₂ ; (рис.8.1.). На заряд q₂ со стороны заряда q₁ действует сила .