ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Электростатика - раздел учения об электричестве, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов и свойства постоянного электрического поля.

1.Электрический заряд.

Электрический заряд - это внутреннее свойство тел или частиц, характеризующее их способность к электромагнитным взаимодействиям.

Единица электрического заряда - кулон (Кл) - электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 ампер за время 1 секунда.

Существует элементарный (минимальный) электрический заряд

е =1,6·10^-19Кл.

Носитель элементарного отрицательного заряда - электрон. Его масса m_е =9,11·10^{-31 кг. Носитель элементарного положительного заряда -} протон. Его масса m_р = 1,67·10^{-27 кг.}

Фундаментальные свойства электрического заряда установленные опытным путем:

- Существует в двух видах: положительный и отрицательный.

Одноименные заряды отталкиваются, разноименные - притягиваются.

- Электрический заряд инвариантен - его величина не зависит от системы отсчета, т.е. оттого, движется он или покоится.

- Электрический заряд дискретен - заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда е.

- Электрический заряд аддитивен - заряд любой системы тел (частиц) равен сумме зарядов тел (частиц), входящих в систему.

- Электрический заряд подчиняется закону сохранения заряда: Алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы остается неизменной, какие бы процессы ни происходили внутри данной системы.

Под замкнутой системой в данном случае понимают систему, которая не обменивается зарядами с внешними телами.

В электростатике используется физическая модель - точечный электрический заряд - заряженное тело, форма и размеры которого несущественны в данной задаче.

2. Закон Кулона

1 Закон взаимодействия точечных зарядов - закон Кулона, сила взаимодействия F между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядам q₁ и q₂, и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними

Сила F направлена по прямой, соединяющей взаимодействующие заряды, т.е. является центральной, и соответствует притяжению (F < 0) в случае разноименных зарядов и отталкиванию (F>0) в случае одноименных зарядов. В векторной форме, сила, действующая на заряд q₁ со стороны заряда q₂

На заряд q₂ со стороны заряда q_x действует сила .

- электрическая постоянная, относящаяся к числу фундаментальных физических постоянных
или . Тогда

где фарад (Ф) - единица электрической емкости (п.21).

Если взаимодействующие заряды находятся в изотропной среде, то кулоновская сила
где ε - диэлектрическая проницаемость среды - безразмерная величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия F между зарядами в данной среде меньше их силы взаимодействия F₀ в вакууме

Диэлектрическая проницаемость вакуума ε_вак=1. Подробнее диэлектрики и их свойства будут рассмотрены ниже (п. 15).
Всякое заряженное тело можно рассматривать как совокупность точечных зарядов, аналогично тому, как в механике всякое тело можно считать совокупностью материальных точек. Поэтому электростатическая сила, с которой одно заряженное тело действует на другое, равна геометрической сумме сил, приложенных ко всем точечным зарядам второго тела со стороны каждого точечного заряда первого тела.

Часто бывает значительно удобнее считать, что заряды распределены в заряженном теле непрерывно - вдоль некоторой линии (например, в случае заряженного тонкого стержня), поверхности (например, в случае заряженной пластины) или объема. Соответственно пользуются понятиями линейной, поверхностной и объемной плотностей зарядов.

Объемная плотность электрических зарядов

где dq - заряд малого элемента заряженного тела объемом dV.

Поверхностная плотность электрических зарядов где dq - заряд малого участка заряженной поверхности площадью dS.

Линейная плотность электрических зарядов

где dq - заряд малого участка заряженной линии длиной dl .

3.Напряженность электростатического поля

Электростатическим полем называется поле, создаваемое неподвижными электрическими зарядами.

Электростатическое поле описывается двумя величинами: потенциалом (энергетическая скалярная характеристика поля) и напряженностью (силовая векторная характеристика поля).

Напряженность электростатического поля - векторная физическая величина, определяемая силой, действующей на единичный положительный заряд q₍₎, помещенный в данную точку поля.

Единица напряженности электростатического поля - ньютон на кулон

(Н/Кл): 1 Н/Кл=1 В/м, где В (вольт) - единица потенциала электростатического поля.

Напряженность поля точечного заряда в вакууме (и в диэлектрике)

где r - радиус-вектор, соединяющий данную точку поля с зарядом q.

В скалярной форме

Направление вектора Е совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд.

Если поле создается положительным зарядом, то вектор Е направлен вдоль радиуса-вектора от заряда во внешнее пространство (отталкивание пробного положительного заряда). Если поле создается отрицательным зарядом, то вектор Е направлен к заряду (притяжение).

Графически электростатическое поле изобра­жают с помощью линий напряженности - линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора Е (рис.(а)). Линиям напря­женности приписывается направление, совпа­дающее с направлением вектора напряженности. Так как в данной точке пространства вектор напряженности имеет лишь одно направление, то линии напряженности никогда не пересекаются. Для однородного поля (когда вектор напря­женности в любой точке постоянен по модулю и направлению) линии напряженности параллельны вектору напряженности.

Если поле создается точечным зарядом, то линии напряженности - радиальные прямые, выходящие из заряда, если он положителен, и входящие в него, если заряд отрицателен (рис.(б)).