Тема 1. Электростатическое поле.

§ 1. Электрический заряд

Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Наличие электрического заряда проявляется в том, что заряженное тело взаимодействует с другими заряженными телами. Имеется два вида электрических зарядов, условно называемых положительными и отрицательными. Заряды одного знака отталкиваются, разных знаков - притягиваются друг другом.

Электрический заряд является неотъемлемым свойством некоторых элементарных частиц. Заряд всех элементарных частиц (если он не равен нолю) одинаков по абсолютной величине. Его можно назвать элементарным зарядом. Положительный элементарный заряд мы будем обозначать буквой e. К числу элементарных частиц относятся, в частности, электрон (несущий отрицательный заряд - e), протон ( несущий положительный заряд + e ) и нейтрон (заряд которого равен нолю). Из этих частиц построены атомы и молекулы любого вещества, поэтому электрические заряды входят в состав всех тел.

Поскольку всякий заряд q образуется совокупностью элементарных зарядов, он является целым кратным e:

Однако элементарный заряд настолько мал, что возможную величину макроскопических зарядов можно считать изменяющейся непрерывно. Электрические заряды могут исчезать и возникать вновь. Однако всегда возникают или исчезают два элементарных заряда противоположных знаков. Поэтому суммарный заряд электрически изолированной системы не может изменяться (закон сохранения электрического заряда). Под электрически изолированной системой понимается такая система, у которой через ограничивающую ее поверхность не могут проникать заряженные частицы.

§ 2. Закон Кулона

Закон, которому подчиняется сила взаимодействия точечных зарядов, был установлен экспериментально в 1785 г. французским ученым Ш. Кулоном. Точечным зарядом называется заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием от этого тела до других тел, несущих электрический заряд.

С помощью крутильных весов Кулон измерял силу взаимодействия двух заряженных шариков в зависимости от величины зарядов на них и от расстояния между ними.

В результате своих опытов Кулон при шел к выводу, что сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов пропорциональна величине каждого из зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Закон Кулона может быть выражен формулой

(2.1)

k - коэффициент пропорциональности.

Сила F₁₂ отличается от силы F₂₁ знаком

(2.2)

Одинаковый для обоих зарядов модуль силы взаимодействия можно представить в виде

(2.3)

Опыт устанавливает, что сила взаимодействия двух данных зарядов не изменяется, если вблизи них поместить еще какие-либо заряды.

Пусть имеется заряд q_a и, кроме того, N зарядов q₁, q₂ ,q₃ ... q_N.

Из сказанного выше вытекает, что результирующая сила F , с которой действуют на q_a все N зарядов q_i, определяется формулой

(2.4)

где F_ai - сила, с которой действует на q_a заряд q_i в отсутствие остальных N - 1 зарядов.

В системе СИ коэффициент k равен

т.е. (2.5)

- электрическая постоянная, равная = 8,85 10 Ф/м.

Единицей заряда в СИ является кулон (Кл). Элементарный заряд, выраженный в кулонах, равен

В абсолютной электростатической системе единиц (СГСЭ) коэффициент k = 1 и

(2.6)

1 Кл = 2,998 10⁹ СГСЭ ед. заряда.