2.2. Закон Кулона.

Точечным зарядом называется такое заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь. Это аналогично понятию материальной точки в механике.

Взаимодействие точечных зарядов на опыте изучал Огюст Кулон в 1784 г.. Для этого он использовал крутильные весы (рис 2.3).

Опыт № 3. Опыт Кулона.

Цель: выявить связь между силой взаимодействия двух зарядов с массой этих зарядов и расстоянием между ними.

Оборудование:

1.Крутильные весы.

Ход работы: Аппарат Кулона представлял собой стеклянный цилиндр, имеющий на окружности измерительную шкалу, в крышке цилиндра имеются центральное боковое отверстия. В центральное отверстие пропущена серебряная нить, закрепленная на измерительной головке и проходящая по оси высокого стеклянного цилиндра, заканчивающееся упомянутой головкой. Нить несет легкое стеклянное коромысло, заканчивающееся шариком и противовесом. В боковое отверстие пропускается стерженек, несущий наэлектризованный шарик.

Опыт проходит в два этапа:

1. Изменяют заряды шариков, но расстояние между ними оставляли прежним (r = const). В ходе опыта устанавливается, что сила взаимодействия зарядов прямо пропорциональна величинам зарядов .

2. Заряды шариков оставляют неизменными ( ), но изменяют расстояние между ними. В ходе опыта устанавливается, что сила взаимодействия между зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними .

Рис. 2.3. Крутильные весы.

Вывод: обобщая результаты опыта, Кулон сформулировал свой закон: сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна величинам этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними

, (3)

где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. В СИ он равен:

где - электрическая постоянная. Она равна 8.85 Ф/м

Запись закона Кулона в векторной форме

(4)

(а) (б)

Рис. .2.4Направление силы Кулона между (а) одноименными и (б) разноименными зарядами.

2.3. Электрическое поле и его характеристики.

Электрическим полем называется особая форма существования материи, способная передавать электрическое взаимодействие.

Свойства поля:

1. Поле не имеет границ, оно бесконечно.

2. Электрическое взаимодействие передается с конечной скоростью (в вакууме со скоростью света c ).

3. Поле обладает энергией.

4. Поле обладает массой.

Напряженность поля

Основной силовой характеристикой поля в вакууме является напряженность.

Рис. 2.5. Напряженность поля, создаваемого зарядом Q в точке A.

Напряженность поля, создаваемого зарядом Q в точке A, зависит от заряда Q и от расстояния r.

(5)

Напряженность — это физическая величина, численно равная силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля.

Напряженность поля точечного заряда в скалярной и векторной форме определяется по формулам:

Принцип суперпозиции полей.

Каждый из зарядов в отдельности создаст в данной точке поле независимо от полей создаваемых другими зарядами.

Суперпозиция означает наложение.

Рис. 2. 6. Принцип суперпозиции.

(6)

Силовые линии.

Для символического изображения напряженности Фарадей предложил использовать силовые линии.

Силовые линии — это линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением силы, действующей на положительный заряд, помещенный в эту точку. Они начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах. Если рассмотреть некоторый уединенный точечный заряд, то линии напряженности обязательно закончатся на отрицательном заряде, который, возможно, на чертеже и не уместится. Чем больше величина напряженности электростатического поля, тем выше густота силовых линий. Количество линий напряженности (или силовых линий), пронизывающих единичную площадку, численно равно значению напряженности электростатического поля.

Рассмотрим важнейшие случаи пространственного расположения зарядов и форму силовых линий полей этих зарядов.