Раздел III. Электричество и магнетизм Основные понятия и уравнения электродинамики

Раздел классической физики, изучающий законы электромагнитного поля, посредством которого происходит взаимодействие между заряженными частицами, называется электродинамикой.

Раздел электродинамики, посвященный изучению неподвижных заряженных тел, называется электростатикой.

Электрический заряд. Электростатическое поле

Электрический заряд – это источник электромагнитного поля, связанный с материальной частицей; это характеристика частицы, определяющая ее электромагнитное взаимодействие. Единица измерения величины заряда в СИ: (кулон).

Основные свойства заряда:

• Существует два вида зарядов – положительный и отрицательный. Заряды одного знака при взаимодействии друг с другом отталкиваются между собой, а заряды разных знаков – притягиваются.

• Элементарными носителями зарядов являются позитрон – носитель положительного заряда и электрон – носитель отрицательного заряда. Величина элементарного заряда (без учета знака) равна 1,6∙10^-19Кл.

• В электрически изолированной системе алгебраическая сумма электрических зарядов тел остается величиной постоянной – закон сохранения электрического заряда.

Закон Кулона:

Сила электростатического взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна произведению этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль соединяющей их прямой (рис.3.1):

,

где k- коэффициент пропорциональности. В системе СИ ,,₀– электрическая постоянная вакуума,.

Если заряды взаимодействуют в среде с относительной диэлектрической проницаемостью , то сила взаимодействия между ними уменьшается враз:

.

При действии нескольких заряженных частиц на одну заряженную частицу результирующая сила рассчитывается как векторная сумма всех действующих на выбранную частицу сил: – принцип суперпозиции сил.

Каждая заряженная частица создает вокруг себя электрическое поле. Силовой характеристикой такого поля является напряженность электрического поля . Энергетической характеристикой является потенциал φ.

Напряженность поля – это физическая величина, равная отношению силы, действующей со стороны поля на неподвижный точечный положительный пробный заряд, помещенный в рассматриваемую точку поля к величине этого заряда: .

Единица измерения в СИ: (вольт/метр). Направление векторавсегда совпадает с направлением силовой линии поля (рис.3.2).

Если имеется несколько зарядов, то каждый из них создает свое электрическое поле, независимо от остальных, а напряженность результирующего поля в данной точке определяется векторной суммой напряженностей полей, создаваемой в этой точке каждым зарядом в отдельности: - принцип суперпозиции полей.

Напряженность поля неподвижного электрического заряда Qможно определить по формуле:.

Электрическое поле точечного заряда обладает потенциальной энергией Е_пот, которая пропорциональна заряду. Физическая величина, равная отношению потенциальной энергии пробного точечного электрического зарядаq, помещенного в рассматриваемую точку поля, к величине этого заряда, называется – потенциалом электрического поля:.

Потенциал точечного электрического заряда Qопределяется по формуле:

.

Единица измерения в СИ: (вольт).

Результирующий потенциал электрического поля, созданного совокупностью точечных электрических зарядов, равен алгебраической сумме потенциалов полей от каждого заряда в отдельности: ,

где знак потенциала определяется знаком заряда.

При перемещении электрического заряда qв электрическом поле с напряженностьюна расстояниеr, будет совершаться работа:

.

Поскольку работа совершается консервативными силами, то она будет приводить к убыли потенциальной энергии поля: . С учетом выражения для потенциала электрического поля работу поля можно записать в виде:.

Связь между напряженностью и потенциалом поля определяется соотношением:.

Знак (-) показывает, что напряженность поля направлена в сторону убыли потенциала.