Электрическое поле в вакууме. Закон Кулона.

Напряженность электрического поля.

Первые сведения об электричестве относятся к эпохе древнего мира. Эти сведения дошли до нас в виде многочисленных легенд. Например, янтарные веретена, которыми пользовались древнегреческие ткачи, после использования начинали притягивать к себе кусочки нитей и другие маленькие предметы. По греческому названию янтаря (электрон) впоследствии такие явления стали называться электрическими.

Основные представления об электричестве сложились уже на рубеже XVIII-XIX веков.

В России изучением электричества занимались Ломоносов и Рихман. Последний погиб при проведении эксперимента с атмосферным электричеством.

В 1802 году академик В. В. Петров открыл, а впоследствии исследовал электрическую дугу.

Электростатика изучает взаимодействие неподвижных электрических зарядов и свойства постоянного электрического поля.

Электрический заряд. Закон Кулона

Во многих науках существуют базовые понятия, которым нельзя дать определения, но можно описать их свойства. В геометрии таким понятием является точка, в электродинамике - заряд.

Заряд q, наряду с массой m, является важнейшей характеристикой частицы. Наличие у тела электрического заряда проявляется в том, что он взаимодействует с другим электрическим зарядом.

Электрическим зарядом называется величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия заряженных частиц.

Электрические заряды могут быть положительными и отрицательными, причем, одноименные заряды отталкиваются, разноименные - притягиваются. Обычно носителем элементарного отрицательного заряда является электрон, а положительного - протон. По модулю значение элементарного заряда равно: e = 1,6·10^-19 Кл.

Любые заряды в целое число раз больше элементарного:

q = ±Ne (2.1)

Для электрических зарядов установлен ряд законов: закон квантования заряда, закон сохранения и закон инвариантности заряда. Формула (2.1) выражает закон квантования заряда: электрический заряд квантуется (т. е. может изменяться только порциями или квантами).

Закон сохранения заряда, сформулированный после проведения множества опытов, гласит: в электрически замкнутой системе полный заряд сохраняется.

Экспериментально также установлен закон инвариантности электрического заряда: величина заряда не зависит от скорости, с которой он движется (т. е. инвариантна относительно инерциальных систем отсчета).

Закон Кулона

Закон Кулона установлен экспериментально и позволяет вычислить силу взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами.

Для этого Кулон использовал крутильные весы (рис 2.1).

Опыт проходил в два этапа:

1. Изменяли заряды шариков, но расстояние между ними оставляли прежним (r = const). В ходе опыта было установлено, что сила взаимодействия зарядов прямо пропорциональна величинам зарядов. F~q₁q₂

2. Заряды шариков оставляли неизменными, но изменяли расстояние между ними. В ходе опыта было установлено, что сила взаимодействия между зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. F~1/r²

Рис. 2.1.

Точечным зарядом называется заряд, расположенный на теле, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием до других тел. Закон Кулона гласит: сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними

(2.2)

где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. В СИ он равен: - электрическая постоянная.

Закон Кулона, записанный для среды: (2.3)

Где ε - диэлектрическая проницаемость среды, в которой находятся заряды.

Это безразмерная величина, которая показывает, во сколько раз электрическое поле в диэлектрике меньше, чем в вакууме. Для вакуума ε = 1, для среды ε > 1. Значение определяется по справочнику.

Сила взаимодействия зарядов является силой отталкивания, если заряды одноименные, и силой притяжения - если разноименные (рис. 2.2).

Рис. 2.2

Подчеркнем еще раз. Закон Кулона справедлив для точечных зарядов и тел шарообразной формы.