Электрический заряд. Закон Кулона

Лекция 1. Часть 1 Электродинамика

Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие заряда в электродинамике является первичным, основным понятием.

Электрический заряд (q или Q) – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия. Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными. Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда.

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

q ₁ +q ₂ +q ₃ +…+q _n = const. (1.1)

С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e = ≈ 1,6·10^–19 Кл.

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может потерять или приобрести один или несколько электронов, превратившись в положительно или отрицательно заряженный ион.

Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина:

q = n =1, 2, 3… (1.2)

Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, называются квантованными. Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда. В современной физике элементарных частиц предполагается существование так называемых кварков – частиц с дробным зарядом ⅓·e и ±⅔· e. В свободном состоянии кварки до сих пор наблюдать не удалось.

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

Рисунок 1.1 Силы взаимодействия одноименных и разноименных зарядов

Ш. Кулон в 1785 г установил следующий закон: Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними: (1.3) Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: . Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1). Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием.

Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой. Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел.

В Международной системе СИ за единицу заряда принят Кулон (Кл). Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (Ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения.

Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде: k=1/4πε₀,

где e₀ = 8,85 × 10^-12 Кл²/(Н×м²) или Ф/м – электрическая постоянная. Силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции.

Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.

Рисунок 1.2 Принцип суперпозиции электростатических сил

Рисунок 1.2 поясняет принцип суперпозиции на примере электростатического взаимодействия трех заряженных тел. Принцип суперпозиции утверждает, что при заданном (фиксированном) распределении зарядов на всех телах силы электростатического взаимодействия между любыми двумя телами не зависят от наличия других заряженных тел.

Дата добавления: 2014-01-20