25. Взаимодействие зарядов. Закон Кулона.
Закон взаимодействия электрических зарядов экспериментально установлен в 1785 г. французским ученым Ш. Кулоном. Природа вещей такова, что сила взаимодействия между двумя небольшими заряженными шариками прямо пропорциональна произведению величин их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Сила взаимодействия зарядов - сила центральная, т. е. направлена вдоль прямой,соединяющей заряды (рис. 1.1). Для изотропной среды закон Кулона записывается следующим образом:
|
|
где k – коэффициент пропорциональности; q1 и q2 - величины взаимодействующих зарядов; r – расстояние между ними; r – радиус-вектор, проведенный от одного заряда к другому и направленный к тому из зарядов, на который действует сила.
Формулировка закона Кулона: «Сила электростатического взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению величин зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль соединяющей их прямой так, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются».
Следует отметить, что закон Кулона применим для расчета взаимодействия точечных зарядов и тел шарообразной формы при равномерном распределении заряда по их поверхности или объёму.
Точечным зарядом называется заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями до других тел, несущих электрический заряд.
Экспериментальные исследования показали, что при прочих равных условиях сила электростатического взаимодействия зависит от свойств среды, в которой находятся заряды. Поэтому коэффициент пропорциональности k в законе Кулона представляют в виде k = k1 / e, где k1 - коэффициент, зависящий только от выбора системы единиц; e - безразмерная величина, которая характеризует электрические свойства среды и называется относительной диэлектрическойпроницаемостью среды. Для вакуума e = 1.
В системе единиц СИ единица заряда кулон (Кл) определяется через единицу силы тока ампер (А) и единицу времени секунду (с), так что 1 Кл = 1 А×1 с. Коэффициент k1 в этой системе определяется следующим образом: k1 = 1 / 4pe0 = 8,988×109 (Н×м2) / Кл2, где e0 = 8,85×10–12 Кл2 / (Н×м2) и носит названиеэлектрической постоянной.
Таким образом, закон Кулона для изотропной и однородной среды записывается в виде
(1.1)
27. Закон Гаусса.
Потоком напряжённости электрического поля (или просто потоком электрического поля) dФ через площадкуdSназывается величина:
За направление площадки-вектора принимается направление нормали к её поверхности. Тогда поток вектора есть произведение модуля вектора на проекцию площадки, перпендикулярную к направлению вектора. (У площадки две стороны, поэтому всегда надо оговаривать, какую нормаль принимать за положительную.)
Закон Гаусса (теорема Гаусса, теорема Остроградского-Гаусса): поток напряжённости электростатического поля сквозь произвольную замкнутую поверхность пропорционален алгебраической сумме зарядов, охватываемых этой поверхностью (при этом за положительную принимают нормаль к внешней поверхности):
