27.Электрические заряды и электрическое поле

ЗАКОН КУЛОНА. ПРИНЦИП СУПЕРПОЗИЦИИ. НАПРЯЖЕННОСТЬЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Нам известны такие электрические явления, как электризация при трении тел, проявление атмосферного электричества - молния. Эти явления обязаны существованию двух видов электрических зарядов, условно названных (+) и (-). Электрический заряд является неотъемлемым свойством заряженных частиц. Электрический заряд дискретен. Элементарный заряд для различных веществ одинаков по абсолютной величине и обозначается "е". Электрон имеет отрицательный элементарный заряд е^-, протон – е⁺, заряд нейтрона равен нулю. Заряда равного какой-то части «е» не существует, т.е. пока физиками не обнаружен. Кварки.

(m_e=0,91·10^-27г; m_p=1,67·10^-24г; d_p=1,6·10^-12м; )

Обычно заряды разных знаков присутствуют в веществе в равных количествах и распределяются с одинаковой плотностью. Поскольку за­ряд тела q образуется совокупностью элементарных зарядов, то он являет­ся целым кратным е^±, т.е. q=±Ne.

Электрические заряды могут исчезать и возникать вновь, однако, два элементарных заряда противоположных знаков всегда возникают и исчезают одновременно. Поэтому суммарный заряд электрически изолиро­ванной системы не может изменяться, т.е. -алгебраическая сумма электрических зарядов в замкнутой изолированной системе остается постоянной, Это утверждение носит название закона сохранения электрического заряда (1843 год, М. Фарадей).

Электрический заряд – величина, кот не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится.

Экспериментальное определение величины ,,е" было впервые осу­ществлено в 1909г. Милликеном.

Опыт показывает, что одноименные электрические заряды отталки­ваются друг от друга, разноименные заряды притягиваются друг к другу, а при соединении в равных количествах – нейтрализуются.

Закон взаимодействия электрических зарядов был установлен в 1875 Кулоном.

Сила взаимодействия двух точечных зарядов направлена вдоль линии, сое­диняющей оба заряда, пропорциональна величине каждого из зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами (1)

В векторной форме закон Кулона записывается в следующей форме:`где

Эта формула выражает не только величину силы, но и её направление,

-вектор, проведенный из одного заряда в другой, имеет направление к тому из зарядов, к которому приложена сила `F (если заряды одноименны).

; ;(1')

т.е. взаимодействие электрических зарядов удовлетворяет 3 закону Ньютона.

Коэффициент k зависит от выбора системы единиц в СИ ,где - электрическая постоянная в вакууме,-множитель рационализации. = 8,86 ·10^-12 Кл²/Н·м² ); k= 9·10⁹Н·м²/Кл².

В системе СИ закон Кулона выглядит следующим образом

`(1”)

e -безразмерная величина, характеризующая электрические свойства среды и называющаяся отно­сительной диэлектрической проницаемостью среды,

В системе СИ для измерения электрических величин вводится основная электрическая единица тока - ампер (А). Единицей заряда в СИ является кулон (К) - количество электричества, протекающее за I с через поперечное сечение проводника при токе в цепи, равном I А:1Кл = 1А·с

Формулы (1) остаются справедливыми и в случае разноименных зарядов. Произведение зарядов в этом случае отрицательно, и обе силы меняют своё направление - отталкивание заменяется притяжением.

Принцип суперпозиции. Если зарядов имеется не 2, а больше, то на каждый заряд будут действовать другие заряды с силой типа (1) с резуль­тирующей силой . Опыт показывает, что силы, возникающие в результате электрического взаимодействия, складываются по тем же законам, как и силы в механике, т.е. вектор`F равен геометрической сумме сил `F_i, созда­ваемых электрическими полями каждого заряда и определяемых по закону Кулона:`F = S`F_i.

Если заряды взаимодействуют не в вакууме, а в однородной непроводящей среде, то сила взаимодействия между зарядами уменьшается.

- диэлектрическая проницаемость среды.

Удаленные друг от друга точечные заряды взаимодействуют по за­кону Кулона. Возникает вопрос: каким образом осуществляется это вза­имодействие, т.е. какой материальный носитель взаимодействия? Этим но­сителем является связанное с зарядами электрическое поле. Силовые взаимодействия между разобщенными телами могут передаваться только при наличии какой-либо среды, окружающей эти тела, последовательно от од­ной части этой среды к другой, и с конечной скоростью; даже при наличии одного - единственного заряда в окружающем пространстве происходят определённые изменения. Т.о. между зарядами существует электрическое поле, которое и осуществляет их взаимодей­ствие. Если в каком -либо месте появляется электрический заряд, то вокруг этого заряда возникает электрическое поле. Основное свойство электрического поля заключается в том, что на всякий другой заряд помещённый в это поле, действует сила.

Для количественной характеристики электрического поля служит специальная физическая величина - напряжённость электрического поля. Согласно зако­ну Кулона, сила, действующая на пробный заряд q', при внесении его в по­ле других зарядов, пропорциональна величине этого пробного заряда q’. Поэтому силы элeктрического поля будут вполне определены, если определена в каж­дой точке этого поля сила, действующая на помещенный в ней единичный положительный заряд. Эта сила, действующая на заряд q'=1, называется напряжённостью или силой электрического поля и обозначается `E.Как следует из закона Кулона, напряжённость поля точечного заря­да q на расстоянии r от этого заряда равна:

; ;;

- не зависит от величины пробного заряда, единица измерения в СИ - Н/Кл.

Напряжённость поля точечного заряда убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от заряда.

Направление вектора `E определяется направлением силы`F, дей­ствующей на положительный заряд, помещённый в рассматриваемую точку поля

q +1 `E

-q `E +1

Если известна напряженность поля в ка­кой-либо точке, то тем самым определена и сила, действующая на электрический за­ряд, помещённый в эту точку, а именно:`F=q`E.

Если электрическое поле создается не одним, а несколькими точечными зарядами q₁, q_2, q_3,…q_n, то в этом случае результирующая напряженность суммар­ного силового поля равна E=`E<sub>1</sub>+`E₂+`E<sub>3</sub>+…+`E_n=S`E_i.

т. е. вектор напряженности электрического поля системы зарядов равен геометрической сумме напряженностей полей, создаваемых в данной точке каждым из заря­дов в отдельности ( принцип суперпозиции электрических полей). Принцип суперпозиции выполняется лишь тогда, когда электрические поля не меняют свойств среды, т.е. пока внешние поля значительно меньше электрических полей, существующих внутри атомов и молекул.