Глава 13. основы электростатики

Атомистичность заряда. Закон сохранения заряда

Имеется два вида электрических зарядов, условно называемых «положительными» и «отрицательными». Заряды одного знака отталкиваются, разных знаков – притягиваются.

Электрический заряд является неотъемлемым свойством некоторых так называемых элементарных частиц. Заряд всех заряженных элементарных частиц одинаков по абсолютной величине. Его можно назвать элементарным зарядом. Обозначать его будем буквой е.

К числу элементарных частиц принадлежат – электрон (отрицательно заряжен), протон (положительно заряжен) и нейтрон (не заряжен).

Обычно частицы, несущие заряды разных знаков, присутствуют в равных количествах и распределены в теле с одинаковой плотностью. В этом случае алгебраическая сумма зарядов в любом элементарном объеме тела равна нулю, и каждый такой объем будет нейтральным.

Поскольку всякий заряд q образуется совокупностью элементарных зарядов, он является целым кратким е:

.

Электрические заряды могут исчезать и возникать вновь. Однако всегда возникают или исчезают одновременно два элементарных заряда противоположных знаков. Поэтому суммарный заряд электрически изолированной системы не может изменяться. Это утверждение носит название закона сохранения электрического заряда.

Электрический заряд измеряется в системе СИ в Кулонах (Кл).

Закон Кулона

В 1785 г. Кулон экспериментально, с помощью крутильных весов установил, что сила взаимодействия двух точечных зарядов пропорциональна величине каждого из зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними

, (13.1)

где = 9×10⁹ Нм²/Кл²,

или в векторном виде

. (13.2)

В этом выражении под следует подразумевать вектор, проведенный от одного заряда к другому и имеющий направление к тому из зарядов, к которому приложена сила .

Рис. 13.1

В системе СИ . Тогда закон Кулона примет вид

. (13.3)

Здесь e₀ = 8,85×10^-12 Кл²/Нм² – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума.

Взаимодействие между зарядами осуществляется через электрическое поле. Всякий заряд изменяет свойства окружающего его пространства – создает в нем электрическое поле. Поле проявляет себя в том, что на помещенный в какую-либо его точку электрический заряд действует сила. По величине силы можно судить об «интенсивности» поля.

Силу, действующую на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля, называют напряженностью электрического поля в этой точке

. (13.4)

Из закона Кулона следует, что

. (13.5)

За единицу напряженности электрического поля принимается напряженность в такой же точке, в которой на заряд, равный единице действует единичная сила (в СИ 1к – заряд, 1н – сила). .

Опыт показывает, что сила, с которой система зарядов действует на некоторый не входящий в систему заряд, равна векторной сумме сил, с которыми действует на данный заряд каждый из зарядов системы в отдельности. Отсюда вытекает, что напряженность поля системы зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, которые создавал бы каждый из зарядов системы в отдельности:

(13.6)

это утверждение носит название принципа суперпозиции (наложения) электрических полей.