5 Электростатика

5.1 Основные понятия

Взаимодействия между заряженными частицами носят название электромагнитных. В природе существуют два типа электрических зарядов: заряды, подобные возникающим на стекле, потёртом о кожу (их назвали положительными), и заряды, подобные возникающим на эбоните, потертом о мех (отрицательные). Одноименно заряженные частицы отталкиваются, разноименно заряженные частицы - притягиваются. Существует минимальный заряд (е), называемый элементарным, которым обладают все элементарные частицы. Носителями отрицательного элементарного заряда являются электроны, положительного - протоны. Модуль элементарного заряда e = 1,6^.10^-19 Кл. Заряд нейтрона равен нулю.

В последнее время в физике рассматриваются новые элементарные частицы - кварки. Кваркам приписывают дробные электрические заряды +2/3 е и -1/3 е. Однако с введением кварков представление о дискретности электрического заряда не снимается, а переносится на другой уровень.

Макроскопическое тело электрически заряжено в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с одним знаком заряда. Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов по сравнению с протонами, а положительный - недостатком электронов. Поскольку заряд q образуется совокупностью элементарных зарядов, он является целым кратным элементарному заряду, т. е. q = Ze. Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Электризация тел может осуществляться различными способами: соприкосновением (трением), электростатической индукцией и т.д.

Электрические заряды могут исчезать и возникать вновь. Однако всегда разноимённые заряды исчезают или возникают попарно. Например, электрон е^- и позитрон е⁺ (античастица электрона) при встрече аннигилируют, т.е. превращаются в два (реже три) фотона:

е^- + е⁺ → 2γ

При этом исчезают е^- и е⁺. Существует и обратный процесс, называемый рождением пары, в ходе которого фотон, энергия которого больше удвоенной энергии покоя электрона, попадая в поле ядра, превращается в пару частиц – е^- и е⁺. Процесс приводит к появлению зарядов е^- и е⁺.

Если через поверхность, ограничивающую систему зарядов, не могут проникать электрические заряды, система называется электрически изолированной. Для электрически изолированной системы справедлив закон сохранения электрического заряда: в электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной:

q₁ + q₂ + ^....+ q_n = const.

В СИ единицей заряда является Кулон (Кл). Величина заряда в 1 Кл устанавливается с помощью единицы силы тока 1 А: один Кулон (1 Кл) - это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.

Заряд в 1 Кл очень велик. Сила взаимодействия двух точечных зарядов по 1 Кл каждый, расположенных на расстоянии 1 км друг от друга, чуть меньше силы, с которой земной шар притягивает груз массой 1т. Поэтому сообщить небольшому телу заряд в 1 Кл невозможно. Отталкиваясь друг от друга, заряженные частицы не смогут удержаться на теле.

Электростатика изучает взаимодействие неподвижных зарядов и поля, созданные неподвижными зарядами.

Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные размеры которого пренебрежимо малы, по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми он взаимодействует.

Линейной плотностью зарядов называется физическая величина, численно равная заряду, приходящемуся на единицу длины:

τ = q ⁄ l.

Единица линейной плотности заряда в СИ Кл/м.

Поверхностной плотностью зарядов называется физическая величина, численно равная заряду, приходящемуся на единицу площади:

σ = q/ S.

Единица поверхностной плотности зарядов в СИ Кл / м².

Объёмной плотностью зарядов называется физическая величина, численно равная заряду, приходящемуся на единицу объёма:

ρ = q ⁄ V.

Единица объёмной плотности зарядов в СИ Кл / м³.

Для исследования электрических полей используется пробный заряд. Пробным называется настолько малый заряд (как правило, положительный), который не искажает исследуемое поле.