Закон сохранения электрического заряда

Ещё в глубокой древности было известно, что янтарь, потёртый о шерсть, притягивает лёгкие предметы. Английский врач Джильберт назвал тела, способные притягивать лёгкие предметы наэлектризованными. Сейчас говорят, что тела приобретают электрические заряды.

Опытным путём установлено, что электрический заряд дискретен, т.е. заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда (q=1,6×10^-19 Кл). Электрон (m_e=9,1×10^-31 кг) и протон (m_p=1,67×10^-27 кг) являются носителями элементарного электрического заряда.

Из опытных данных был установлен закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма зарядов, входящих в изолиро­ванную систему остаётся неизменной:

где — сумма зарядов, входящих в изолиро­ванную систему; п — число зарядов.

Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина:

(n = 0, 1, 2, …)

Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, называются квантованными. Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда.

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

Проводники – тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объёму.

Проводники делятся на две группы:

1. проводники первого рода (металлы) – перенесение в них зарядов не сопровождается химическими превращениями;

2. проводники второго рода (расплавленные соли, растворы кислот) – перенесение в них зарядов ведёт к химическим изменениям.

Диэлектрики (стекло, пластмассы) – тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды.

Полупроводники (германий, кремний) – занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.

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

Закон Кулона

Закон взаимодействия неподвижных точечных зарядов. Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других тел, с которыми оно взаимодействует.

Закон Кулона: сила взаимодействия Fмежду двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, про­порциональна зарядам Q₁ и Q₂ и обратно пропорциональна квадрату расстояния rмежду ними:

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

Сила F направлена по прямой, соединяющей взаимодействующие заряды и соответствует притяжению (F<0) в случае разноименных зарядов и отталкиванию (F>0) в случае одноименных зарядов (рис. 2.1). Эта сила называется кулоновской силой.

В векторной форме закон Кулона име­ет вид:

(2.1)

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

r₁₂ – радиус-вектор, соединяющий заряд q₂ с зарядом q₁, . (рис.2.2).

На заряд q₂ со стороны заряда q₁ действует сила F₂₁ = –F₁₂, т. е. взаимодействие электрических точечных зарядов удовлетворяет третьему за­кону Ньютона.

В СИ коэффициент пропорционально­сти равен:

Величина e_о называется электрической постояннойи равна:

или

где фарад (Ф) — единица электрической ёмкости. Тогда

Силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции.

Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.

Рис. 2.3 поясняет принцип суперпозиции на примере электростатического взаимодействия трех заряженных тел.

Принцип суперпозиции электростатических сил:

; ; .

Электростатическое поле.