2. Закон Кулона

Закон Кулона, відкритий Ш. Кулоном в 1785 р., – це експериментально встановлений закон взаємодії нерухомих точкових зарядів у вакуумі. Він має таке формулювання:

Сила взаємодії двох нерухомих точкових зарядів і у вакуумі прямо пропорційна добутку величин цих зарядів, обернено пропорційна квадрату відстані між ними і спрямована вздовж прямої, яка сполучає ці заряди:

, або в векторній формі:

де ; – радіус-вектор, спрямований від заряду до заряду .

Зазначимо, що точковий заряд – це фізична абстракція. Точковий заряд – це заряд, зосереджений на тілі, лінійні розміри якого настільки малі порівняно з відстанню до інших заряджених тіл, з якими він взаємодіє, що ними можна знехтувати.

Інша форма запису закону Кулона (в системі СІ)

,

де – електрична стала (діелектрична проникність), яка є фундаментальною фізичною сталою; .

У разі розташування двох точкових зарядів в однорідному і ізотропному середовищі з відносною діелектричною проникністю середовища

.

Тут позначено: – діелектрична проникність середовища. Це безрозмірна величина, яка показує в скільки разів сила взаємодії F між зарядами в даному середовищі менше їх сили взаємодії F₀ у вакуумі: .

Принцип суперпозиції кулонівських сил: сила, яка діє на заряд, дорівнює векторній сумі сил дії інших зарядів на даний заряд:

.

3. Електростатичне поле та його напруженість. Лінії напруженості поля

Визначення електростатичного поля. Між зарядженими тілами діють електричні сили, отже, заряджене тіло створює навколо себе певне силове поле – електричне поле. Електричне поле – це матеріальна складова електромагнітного поля, яке діє на заряд, зумовлена зарядами (а в загальному випадку також змінним у часі магнітним полем). Електричне поле оточує кожне заряджене тіло (з зарядом ) і простягається до нескінченності.

Електростатичне поле – це поле, яке створюється нерухомими зарядами і в кожній точці не змінюється в часі.

Напруженість електростатичного поля – це фізична величина, яка визначається силою, що діє на одиничний позитивний заряд, внесений в дану точку поля:

.

Напруженість поля – це силова векторна характеристика цього поля.

Одиниця напруженості – 1Н/Кл = 1В/м. 1 Н/Кл – напруженість такого поля, яке на точковий заряд 1 К і діє силою 1 Н.

Для дослідження електростатичного поля вносять в нього маленьке заряджене тіло, яке несе малий електричний заряд (його називають пробний заряд). Пробний точковий заряд практично не спотворює поле (не викликає перерозподілу зарядів, які створюють поле), і тому по силі, яка діє на пробний заряд, можна зробити висновок про поле, створене зарядженим тілом (або сукупністю заряджених тіл).

Напруженість поля точкового заряду в вакуумі визначається залежністю:

,

де – радіус-вектор, який з'єднує дану точку поля з зарядом , або в скалярній формі запису

.

Напрям вектора співпадає з напрямом сили, яка діє на позитивний заряд. Якщо поле створюється позитивним зарядом, то вектор направлений уздовж радіусу-вектора від заряду в зовнішній простір (відштовхування пробного позитивного заряду); якщо поле створюється негативним зарядом, то вектор Е направлений до заряду (див. рис. 1).

Рис. 1

Лінії напруженості (силові лінії) електростатичного поля – це лінії, дотичні до яких в кожній точці співпадають з напрямом вектора (рис. 2, а). Густина силових ліній, що проходять через одиницю поверхні, перпендикулярної до них, пропорційна модулю . Лінії починаються і закінчуються на електричних зарядах і ніде не перехрещуються.

Для однорідного поля (коли вектор напруженості в будь-якій точці постійний по модулю і напряму) лінії напруженості паралельні вектору напруженості. Якщо поле створюється точковим зарядом, то лінії напруженості – радіальні прямі, що виходять із заряду, якщо він позитивний (рис. 2, б), і входять в нього, якщо заряд негативний (рис. 2, в).

Рис. 2

Електричне поле характеризують також електричним зміщенням (або вектором електричної індукції ). Вектор в вакуумі визначається залежністю:

,

а в будь-якому ізотропному середовищі –

.

Одиниця електричного зміщення – Кл/м.

Зазначимо, що обидві характеристики поля ( і ) еквівалентні: із залежності по одній з них легко визначити другу. Так само і для графічного описання поля замість електричних силових ліній (ліній напруженості електричного поля) можна застосовувати лінії електричного зміщення (оскільки в раз відрізняється від , причому ).

Повернемося (з врахуванням введеного вектора ) до визначення поняття однорідного поля: електричне поле називається однорідним, якщо (або ) однакові (за напрямом і абсолютним значенням) в кожній точці поля, що відповідає однаковій густоті силових ліній. Приклад однорідного поля – електричне поле в середній частині плоского конденсатора.