Сила взаимодействия зарядов в электростатике называется кулоновской силой

РАЗДЕЛ V. Электричество и магнетизм

Тема 21. Электростатика.

Лекция №21.

Закон сохранения электрического заряда.

Закон Кулона.

Электростатическое поле, основные характеристики.

Закон сохранения электрического заряда.

Все тела в природе способны в большей или меньшей степени электризоваться, т. е. приобретать электрический заряд.

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

Существуют два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные.

Примечание. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые – притягиваются

В 1843 г. английским физиком М. Фарадеем (1791—1867) экспериментально был установлен фундаментальный закон природы, названный Законом сохранения заряда.

Закон сохранения заряда, формулировка.

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

В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Определение 1.

Проводники — это тела (точнее – вещества!), в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объему.

Проводники делятся на две группы:

1) про­водники первого рода (металлы) — перенос в них зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями;

2) проводники второго рода (например, расплавленные соли, растворы кислот) — перенос в них зарядов (положительных и отрицательных ионов) ведет к химическим изменениям.

Определение 2.

Диэлектрики (например, стекло, пластмассы) — тела (точнее вещества!), в которых практически отсутствуют свободные заряды.

Примечание. Полупроводники (например, германий, кремний) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Указанное деление является весьма усло­вным, однако большое различие в них концентраций свободных зарядов обусловливает огромные качественные различия в их поведении и оправдывает поэтому деление тел на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Определение 3.

Единица электрического заряда — кулон (Кл) — электрический заряд, проходящий через попереч­ное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с.

Закон Кулона.

Определение 1.

Заряд называется точечным, если он сосредоточен на теле, линейные раз­меры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряжен­ных тел, с которыми он взаимодействует. Понятие точечного заряда, как и материаль­ной точки, является физической абстракцией.

Закон Кулона, формулировка.

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.

Определение 2.

Сила взаимодействия зарядов в электростатике называется кулоновской силой.

В векторной форме закон Кулона имеет вид

где F₁₂ — сила, действующая на заряд Q₁ со стороны заряда Q₂, r₁₂ — радиус-вектор, соединяющий заряд Q₂ с зарядом Q₁, r = |r₁₂|. На заряд Q₂ со стороны заряда Q₁ действует сила F₂₁ = –F₁₂.

В системе единиц измерения – СИ коэффициент пропорциональности равен

Тогда закон Кулона запишется в окончательном виде:

Определение 3.

Величина e₀ называется электрической постоянной (или диэлектрической проницаемостью вакуума!),

где Фарада (Ф) — единица электрической емкости.