Частина 3. Класична електродинаміка

У природі існує особлива категорія сил, які називаються електромагнітними і діють між електрично зарядженими тілами за допомогою створюваного ними електромагнітного поля.

Електродинамікою називається розділ фізики, у якому вивчаються властивості електромагнітних полів, а також процеси і явища, що виникають при поширенні електромагнітних полів у різних середовищах. Електростатика – розділ електродинаміки, у якому досліджуються особливості електромагнітної взаємодії в системах відліку, відносно яких електричні заряди нерухомі.

11. Електростатичне поле у вакуумі

11.1 Дискретність електричного заряду. Закон збереження електричного заряду

Джерелом електромагнітного поля служить електричний заряд – внутрішня характеристика елементарної частинки, що визначає її здатність вступати в електромагнітні взаємодії.

Електричний заряд дискретний – заряд будь-якого тіла становить ціле кратне від елементарного електричного заряду e=1.610^-19 Кл. За знаком заряду всі елементарні частинки можна розділити на два класи: негативно заряджені (наприклад, електрон) і позитивно заряджені (протон, позитрон і ін.)¹ .

Один з фундаментальних строгих законів природи – закон збереження електричного заряду: алгебраїчна сума електричних зарядів будь-якої замкнутої (електрично ізольованої) системи залишається сталою, які б процеси не відбувалися всередині цієї системи.

11.2 Закон Кулона. Напруженість електричного поля

Взаємодія між нерухомими електричними зарядами здійснюється за допомогою електричного поля. Уявлення про електричне поле було введено в 30-х роках XIX ст. англійським фізиком М. Фарадеєм. Відповідно до Фарадея кожний нерухомий заряд створює навколо себе електричне поле; поле одного заряду діє на інший заряд, і навпаки, – так здійснюється взаємодія між зарядами.

Сила взаємодії між двома точковими нерухомими зарядами визначається законом Кулона: два точкових нерухомих заряди взаємодіють один з одним із силою, пропорційною добутку зарядів і обернено пропорційною квадрату відстані між ними:

,

(11.1)

де k – стала, що залежнть від вибору системи одиниць.

Сила Кулона спрямована по лінії, що з'єднує заряди. За третім законом Ньютона кулонівські сили прикладені до різних зарядів і спрямовані або назустріч один одному (якщо заряди різнойменні), або в протилежні сторони (якщо заряди однакового знака).

У СІ стала

,

де ₀ - електрична стала СІ, ₀=8,8510^-12 Кл²/(Нм²).

Таким чином, для зарядів, розташованих у вакуумі, закон Кулона має вигляд

.

(11.2)

Електричний заряд у СІ вимірюється в кулонах. Один кулон – це такий заряд, що протікає через поперечний переріз провідника за 1с при незмінній силі струму, що дорівнює 1А.

Силовою характеристикою електричного поля є напруженість – векторна величина, модуль якої дорівнює силі, що діє з боку електростатичного поля на одиничний заряд; поміщений в дану точку поля, а напрямок збігається з напрямком сили, що діє на позитивний заряд

.

(11.3)

Оскільки сила, що діє на заряд, поміщений у середовище з діелектричною проникністю , зменшується в  раз, то при переході з вакууму в середовище напруженість поля також зменшується в  раз:

,

(11.4)

де Е_с – напруженість електростатичного поля в середовищі.

Якщо електростатичне поле створюється декількома зарядами, то відповідно до принципу суперпозиції сумарна напруженість поля в деякій точці визначається як векторна сума напруженостей, створюваних у цій точці окремими зарядами:

.

(11.5)