Закон Кулона

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Электрические свойства тел объясняются присутствием в них заряженных частиц (электрон и протон). Эти заряды по абсолютной величине равны, но противоположны по знаку – электрон (–) и протон (+). Эти частицы вместе с нейтронами (не имеющими заряда) входят в состав атомов вещества, но могут находиться и в свободном состоянии.

Величина заряда электрона е = -1, 64·10^–19 Кл. Это элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом, входящая в состав всех атомов, а следовательно, и любого обычного вещества. Это – самая легкая из электрически заряженных частиц. Электроны участвуют почти во всех электрических явлениях.

Протон это то же элементарная частица, имеющая положительный заряд. Будучи составной частицей атома, протон имеет конечные размеры = 10^-13 см, хотя, разумеется, его нельзя представлять как твердый шарик. Скорее, протон напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц. Масса протона = 1, 6∙ 10^–24 г, т. е. протон в 1836 раз тяжелее электрона! По современным измерениям, положительный заряд протона в точности равен элементарному заряду e = 1, 60217733·10–19 Кл, то есть равен по модулю отрицательному заряду электрона.

Если тело заряжено, то в нем преобладают положительные или отрицательные заряды.

Если число тех и других зарядов одинаково, то тело электрически нейтральное.

Тела с одноименными зарядами отталкиваются, а с разноименными – притягиваются.

Таким образом, электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.

Силы взаимодействия между зарядами называются электростатическими.

Закон Кулона

где q1, q2 – эл. заряды, Кл;    ε а = ε ·ε 0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, Ф/м;    ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды, о. е.    ε 0 = 8, 85·10–12 – диэлектрическая постоянная, Ф/м    r – расстояние между зарядами, м.

Французский физик Кулон опытным путем установил силу взаимодействия двух электрических зарядов: сила взаимодействия двух эл. зарядов прямо пропорциональна произведению величин этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними

 

Вокруг любого электрически заряженного тела существует электрическое поле (пространство, окружающее электрически заряженное тело) – одна из сторон электромагнитного поля. Это поле способно действовать на заряженные частицы в соответствии с законом Кулона. В связи с этим эл. поле является силовым (векторным).

Механическая сила F, с которой эл. поле действует на единичный положительный заряд, помещенный в данной точке, называется напряженностью эл. поля Е. Направление напряженности поля совпадает с направлением его силы, действующей на положительный заряд, помещенный в это поле. Количественное значение напряженности определяется по формуле:

где Е – напряженность эл. поля, В/м (Вольт/метр);

   F – сила действующая на заряд, Н (Ньютон);

   q – величина заряда, Кл (Кулон).

Если в формуле закона Кулона один из зарядов принять равным единице, то мы получим силу, действующую на единицу заряда, т. е. напряженность эл. поля

Напряженность эл. поля характеризуется как численным значением, так и направлением в пространстве, т. е. является векторной величиной. Длина отрезка от заряда до точки поля в определенном масштабе выражает расстояние r, а длина вектора напряженности в определенном масштабе есть числовое значение величины Е, а стрелка указывает ее направление.

Пример 1 – напряженность эл. поля в точках А и В, удаленных на расстояние r₁  и  r₂  от единичного заряда имеет вид

Из рис. видно, что по мере удаления точки от заряда напряженность поля в этой точке убывает. Напряженность поля направлена вдоль радиуса.

Пример 2. Определение напряженности поля, созданного двумя зарядами +q₁ и – q₂, в некоторой точке А (рис. 1).

Если убрать заряд — q₂, то напряженность поля в точке А, созданная зарядом +q₁  будет Е₁. Наоборот, если убрать заряд +q₁, то напряженность поля в точке А, созданная зарядом — q₂, будет Е₂. Так как напряженно­сти Е₁ и Е₂ направлены под углом одна к другой, то для получения результирующей напряженности поля Е от совместного действия зарядов + q₁ и — q₂ необходимо напряженности Е₁ и Е₂ сложить по правилу параллелограмма. Тем же способом можно вычис­лить и построить напряженность в любой точке поля при любом числе электрических зарядов.

 

Рассмотрим более сложное электрическое поле между двумя разноименными точечными зарядами (рис. 2, а). Возьмем точку А и построим для нее вектор напряженности с учетом одновременного действия двух заряженных тел. На конце вектора напряженности Е₁ ставим точку Б и строим век­тор напряжения в этой точке. В точке В, установленной на конце вектора напряженности Е₂, строим вектор напряженности и т. д. Ломаная линия АБВГД показывает направление элек­трического поля в точках А, Б, В, Г и Д. При большем числе промежуточных точек (рис. 2, б) ломаная линия, соединяющая эти точки, будет точнее пере­давать направления поля.

 

На рис. 3, в дано изобра­жение электрического поля двух физически точечных разноименных зарядов, а на рис. 3, а, б — двух одноименных зарядов.

Рис. 3 Виды электрического поля электрических зарядов

Электрическое поле, напряженность которого в разных точках пространства одинакова по величине и по направлению, называется однородным, или равномерным. Практически однород­ное поле получается между большими параллельными пластинами (рис. 4).

 

Однородное электрическое поле изображается параллельными линиями, расположенными на одинаковых расстояниях одна от другой.

 Так как одноименные заряды взаимно отталкиваются, то электрический заряд сосредоточивается только на внешней поверхности проводника. Количество электричества, приходя­щееся на единицу поверхности заряженного тела, называется поверхностной плотностью электрического заряда. Величина плотности электрического заряда зависит от коли­чества электричества на теле, а также от формы поверхности проводника. На телах правильной формы (шар, очень длинные проводники круглого сечения) электрический заряд распределяется равно­мерно. Поэтому поверхностная плотность электри­ческого заряда во всех точках поверхности таких тел будет одинакова.

На проводниках неправильной формы заряд распределяется неравномерно. Большая плотность электричества будет на выступах, выпуклостях, меньшая — во впадинах, углублениях. Особенно велика плотность электриче­ства на остриях. Поэтому части заряда, находящиеся на острие тела неправильной формы, будут испытывать силы отталки­вания, стремящиеся удалить эти части заряда с поверхности тела. Большая часть заряда, скопившегося на острие провод­ника, может образовать в этом месте сильноеэлектрическое поле, под влиянием которого воздух (или другой диэлектрик) будет ионизирован и станет проводящим. В этом случае электрический заряд, как говорят, начинает стекать с острия. Во избежание этого в электротехнике высоких напряжений на проводниках тщательно устраняют острые углы, концы, выступы.

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

· Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

· Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.

· Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

123456Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: