Электростатика

Электростатика изучает взаимодействие неподвижных электрических зарядов и свойства постоянного электрического поля.

2.1.1. Электрический заряд. Закон Кулона

Заряд q, наряду с массой m, является важнейшей характеристикой частицы. Наличие у тела электрического заряда проявляется в том, что он взаимодействует с другим электрическим зарядом.

Электрическим зарядом называется величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия заряженных частиц.

Электрические заряды могут быть положительными и отрицательными, причем, одноименные заряды отталкиваются, разноименные - притягиваются. Обычно носителем элементарного отрицательного заряда является электрон, а положительного - протон. По модулю значение элементарного заряда равно:

Кл.

Любые заряды в целое число раз больше элементарного:

Для электрических зарядов установлен ряд законов: закон квантования заряда, закон сохранения и закон инвариантности заряда. Формула (2.1) выражает закон квантования заряда: электрический заряд квантуется (т. е. может изменяться только порциями или квантами).

Закон сохранения заряда, сформулированный после проведения множества опытов, гласит: в электрически замкнутой системе полный заряд сохраняется.

Экспериментально также установлен закон инвариантности электрического заряда: величина заряда не зависит от скорости, с которой он движется (т. е. инвариантна относительно инерциальных систем отсчета).

Закон Кулона

Закон Кулона установлен экспериментально и позволяет вычислить силу взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами.

Точечным зарядом называется заряд, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием до других тел. Закон Кулона гласит: сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними

Это будет сила отталкивания, если заряды одноименные, и сила притяжения - если разноименные (рис. 2.1).

Рис. 2.1

По третьему закону Ньютона

Формула (2.2) записана в системе СИ, - электрическая постоянная.

Такая размерность ε ₀ получена из закона Кулона: заряд измеряется в кулонах (Кл), сила - в ньютонах (Н), расстояние - в метрах (м). Другая размерность ε ₀ - фарад/метр.

ε - диэлектрическая проницаемость среды, в которой находятся заряды.

Это безразмерная величина, которая показывает, во сколько раз сила взаимодействия между зарядами в диэлектрике меньше, чем в вакууме. Для вакуума ε = 1, для среды ε > 1. Значение определяется по справочнику. Например, для воды ε = 81, для керосина - ε =2.1, для спирта - ε =27.