2. Заряд и поле. Закон Кулона. Напряженность поля

2.1. Понятие электрического заряда и его свойства.

2.2. Закон Кулона.

2.3. Электрическое поле и его характеристики.

2.1. Понятие электрического заряда и его свойства

Во многих науках существуют базовые понятия, которым нельзя дать определения, но можно описать их свойства. В геометрии таким понятием является точка, в электродинамике - заряд.

Электрический заряд, источник электромагнитного поля, связанный с материальным носителем; внутренняя характеристика элементарной частицы, определяющая ее электромагнитное взаимодействие. Вся совокупность электрических и магнитных явлений есть проявление существования, движения и взаимодействия электрического заряда [1].

Рассмотрим ряд опытов, иллюстрирующих основные свойства заряженных тел.

Опыт с гильзами

Оборудование:

1. Станиолевые гильзы на нитях.

2. Два штатива.

3. Стеклянная и эбонитовая палочки.

4. Шелк, шерсть.

Рис. 2.1.

Выводы: одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.

Опыт с деревянной линейкой

Оборудование:

1. Штатив изолирующий с легко вращающейся насадкой.

2. Стеклянная и эбонитовая палочки.

3. Шелк, шерсть.

4. Деревянная линейка.

Рис. 2.2.

Выводы: наблюдается электризация через влияние (на расстоянии).

Положительные и отрицательные заряды внутри линейки перераспределяются и она ведет себя как заряженное тело, хотя количество зарядов того и другого знака в ней одинаково.

Таким образом, можно сказать, какое-либо тело имеет электрический заряд либо при нарушении баланса между положительно и отрицательно заряженными частицами в нем, либо при их неравномерном распределении по объему тела.

Свойства заряда

Биполярность. Существует два рода зарядов, условно называемых положительными "+" и отрицательными "–". Причем одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.

Дискретность (дробление или прерывистость). Заряд любого тела является кратным некоторой величине, а именно элементарному заряду электрона ( Кл). Данное представление о заряде просуществовало до шестидесятых годов, когда появилась теория кварков - частиц с дробными зарядами и

(2.1)

Закон сохранения заряда. Алгебраическая сумма зарядов в изолированной (изолированная система включает все взаимодействующие тела) системе есть величина постоянная.

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 Кулон. Для этого он использовал крутильные весы (рис 2.3).

Опыт проходил в два этапа:

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

2. Заряды шариков оставляли неизменными ( ), но изменяли расстояние между ними. В ходе опыта было установлено, что сила взаимодействия между зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними .

Рис. 2.3.

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.

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

где - электрическая постоянная.

Запись закона Кулона в векторной форме

Рис. 2.4а 2.4б.