Электростатическое поле. Напряженность поля. Поле точеного заряда и системы зарядов. Приницп суперпозиции.

Электрические заряды. Закон сохранения зарядов. Закон кулона.Электрическая постоянная

Не­смотря на огромное разнообразие веществ в природе, существует только два типа электрических зарядов: заряды, подобные возникающим на стекле, потертом о кожу (их назвали положительными), и заряды, подобные возникающим на эбоните, по­тертом о мех (их назвали отрицательны­ми); одноименные заряды друг от друга отталкиваются, разноименные — притяги­ваются. Опытным путем (1910—1914) амери­канский физик Р. Милликен (1868 — 1953) показал, что электрический заряд дискре­тен, т. е. заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электриче­ского заряда е (e =1,6•10^-19 Кл). Элек­трон (т_е = 9, 11•10^-31 кг) и протон (т_р= 1,67•10^-27 кг) являются соответственно носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов.

Все тела в природе способны электри­зоваться, т. е. приобретать электрический заряд. Электризация тел может осуще­ствляться различными способами: сопри­косновением (трением), электростатической индукцией (см. §92) и т.д. Из обобщения опытных данных был установлен фундаментальный закон при­роды, экспериментально подтвержденный в 1843 г. английским физиком М. Фараде­ем (1791 —1867),— закон сохранения за­ряда: алгебраическая сумма электриче­ских зарядов любой замкнутой системы (системы, не обменивающейся зарядами с внешними телами) остается неизменной, какие бы процессы ни происходили внутри этой системы.

Электрический заряд — величина ре­лятивистски инвариантная, т. е. не за­висит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится.В зависимости от концентрации сво­бодных зарядов тела делятся на проводни­ки, диэлектрики и полупроводники. Про­водники — тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объему. Проводники делятся на две груп­пы: 1) проводники первого рода (метал­лы) — перенесение в них зарядов (свобод­ных электронов) не сопровождается хими­ческими превращениями; 2) проводники

второго рода (например, расплавленные соли, растворы кислот) — перенесение в них зарядов (положительных и отрица­тельных ионов) ведет к химическим изме­нениям. Диэлектрики (например, стекло, пластмассы) — тела, в которых практиче­ски отсутствуют свободные заряды. Полу­проводники (например, германий, крем­ний) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Закон Кулона: сила взаимодействия F между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, про­порциональна зарядам Q₁ и Q₂ и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними:

где k — коэффициент пропорционально­сти, зависящий от выбора системы единиц.

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. Эта сила называется кулоновской силой.

В векторной форме закон Кулона име­ет вид

где F ₁₂— сила, действующая на заряд Q₁ со стороны заряда Q₂, r ₁₂ — радиус-век­тор, соединяющий заряд Q₂ с зарядом Q₁, r= | r ₁₂|(рис. 117). На заряд Q₂ со сторо­ны заряда Q₁ действует сила F ₂₁=- F ₁₂, т. е. взаимодействие электрических точеч­ных зарядов удовлетворяет третьему за­кону Ньютона.

В СИ коэффициент пропорционально­сти равен

k=1/(4pe₀).

Тогда закон Кулона запишется в оконча­тельном виде:

Величина e₀ называется электрической постоянной; она относится к числу фунда­ментальных физических постоянных и равна

e₀=8,85•10^-12Кл²/(Н•м²),

или

e₀=8,85•10^-12Ф/м, (78.3)

где фарад (Ф) — единица электрической емкости (см. §93). Тогда

1/(4pe₀) = 9•10⁹м/Ф.

Электростатическое поле. Напряженность поля. Поле точеного заряда и системы зарядов. Приницп суперпозиции.

Для обнаружения и опытного исследо­вания электростатического поля использу­ется пробный точечный положительный заряд — такой заряд, который не искажа­ет исследуемое поле (не вызывает пере­распределения зарядов, создающих поле). Если в поле, создаваемое зарядом Q, по­местить пробный заряд Q₀, то на него действует сила F, различная в разных точках поля, которая, согласно закону Ку­лона (78.2), пропорциональна пробному заряду Q₀. Поэтому отношение F /Q₀ не зависит от Q₀ и характеризует электриче­ское поле в той точке, где пробный заряд находится. Эта величина называется на­пряженностью и является силовой харак­теристикой электростатического поля.

Напряженность электростатического поля в данной точке есть физическая вели­чина, определяемая силой, действующей на единичный положительный заряд, по­мещенный в эту точку поля:

E = F /Q₀. (79.1)

Как следует из формул (79.1) и (78.1), напряженность поля точечного заряда

в вакууме

или 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 (рис. 118).

 

Согласно (79.1), F =Q₀ E и F _i,=Q₀ E _i, где Е —напряженность результирующего по­ля, а Е _i — напряженность поля, создавае­мого зарядом Q _i. Подставляя последние выражения в (80.1), получим

Формула (80.2) выражает принцип су­перпозиции (наложения) электростатиче­ских полей, согласно которому напряжен­ность Е результирующего поля, создавае­мого системой зарядов, равна геометриче­ской сумме напряженностей полей, со­здаваемых в данной точке каждым из зарядов в отдельности.

Принцип суперпозиции позволяет рас­считать электростатические поля любой системы неподвижных зарядов, поскольку если заряды не точечные, то их можно всегда свести к совокупности точечных зарядов.

Принцип суперпозиции применим для расчета электростатического поля элек­трического диполя.

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: