Електростатика

Як ми вже говорили, у природі існують чотири типи основних взаємодій: гравітаційна, електромагнітна, сильна і слабка. Взаємодія являє собою обмін віртуальними частками. Зокрема, електромагнітна взаємодія – це обмін квантами електромагнітного поля – фотонами. Фізична величина, яка характеризує здатність тіл або часток до електромагнітних взаємодій, називається електричним зарядом.

Одиниця електричного заряду – Кулон (Кл). Електричні заряди володіють наступними фундаментальними властивостями:

1) Заряди існують у двох видах: позитивних і негативних. Однойменні заряди відштовхуються, різнойменні – притягаються.

2) Електричний заряд інваріантний: його величина не залежить від системи відліку (тобто не залежить від того, рухається він або знаходиться у спокої).

3) Електричний заряд дискретний: заряд будь-якого тіла q складає ціле кратне від елементарного електричного заряду – найменшого заряду в природі, рівного е= 1,6×10^-19Кл. Носієм елементарного негативного заряду є електрон (масою m_e= 9,11×10^-31кг), а елементарного позитивного заряду – протон (m_р= 1,67×10^{-27 кг)}.

4) Електричний заряд адитивний: заряд будь-якої системи тіл або часток дорівнює сумі зарядів тіл або часток, що входять у неї.

5) Електричний заряд підлягає закону збереження заряду: алгебраїчна сума електричних зарядів будь-якої замкнутої системи залишається незмінною, які б процеси не відбувались усередині даної системи.

Електричний заряд, зосереджений на тілі, лінійні розміри якого нехтовно малі у порівнянні із відстанями до інших заряджених тіл, з якими він взаємодіє, називається точковим електричним зарядом. Як і матеріальна точка, точковий заряд – це фізична абстракція. Сила взаємодії між точковими зарядами визначається законом Кулона: два нерухомих точкових заряди у вакуумі взаємодіють із силою, пропорційною добутку модулів цих зарядів і обернено пропорційною квадрату відстані між ними. У векторній формі закон Кулона має вигляд:

(7.1)

де r ₁₂ – радіус-вектор, що з'єднує заряди між собою, r= ç r ₁₂ç, k= 1/4 pe ₀ – коефіцієнт пропорційності, рівний 9×10⁹м/Ф, а величина e ₀ = 8,85×10^-12 Ф/м називається електричною сталою і відноситься до числа фундаментальних фізичних констант. Сила F ₁₂(або F ₂₁)спрямована уздовж прямій, що з'єднує взаємодіючі заряди (є центральною силою) і відповідає притяганню (F< 0 ) у випадку різнойменних зарядів і відштовхуванню (F> 0 ) у випадку однойменних зарядів. У скалярній формі закон Кулона має вигляд:

(7.2)

Якщо ці ж точкові заряди розташувати на такій же відстані, але не у вакуумі, а у деякому діелектричному середовищі, то сила їхньої взаємодії зменшиться у e -разів, де e - діелектрична проникність середовища. Вираз для сили кулонівської взаємодії набуде вигляду:

(7.3)

Силова взаємодія між електричними зарядами здійснюється за допомогою особливої форми матерії – електричного поля. Електричні поля створюються електричними зарядами і виявляють себе по силовій взаємодії між ними. Поля, створювані нерухомими зарядами, називаються електростатичними. Для виявлення і дослідження електростатичних полів використовується поняття пробного заряду – позитивного точкового заряду, який настільки малий, що створюване ним електричне поле не викривляє досліджуване поле (тобто, не спричиняє перерозподілу зарядів, які утворюють поле).

Нехай електричне поле у вакуумі утворене точковим зарядом q, що знаходиться у деякій точці простору О. Проведемо із цієї точки сферу радіуса r і виберемо на цій сфері елементарну площадку dS. Якщо інтенсивність електричного поля, створюваного зарядом q, уявити кількістю фотонів, які випускаються зарядом в усіх напрямках за одиницю часу, то через одиничну поверхню сфери радіуса r пройде кількість фотонів n=q/S=q/ 4 pr², звана густиною потоку фотонів. Отже, через площадку dS цієї сфери пройде кількість фотонів:

(7.4)

Дата добавления: 2014-11-07