Электрические заряды

 

Электродинамика изучает макроскопические заряженные тела. Минимальный заряд, существующий в природе в свободном состоянии, равен величине заряда электрона. Заряд реально заряженного тела кратен заряду электрона, поэтому суммарный заряд тела определяется формулой

, (1.1)

где q_i – элементарный заряд, входящий в состав тела.

Для описания заряда и его пространственного распределения введем соответствующие характеристики.

 

Характеристики заряженного тела	Точечный заряд
Объемная плотность заряда
Поверхностная плотность заряда
Линейная плотность заряда

 

Под точечным зарядом понимают заряд тела, размеры которого много меньше расстояния, на котором оно рассматривается в выбранной системе координат.

Если заряд распределен по объему тела, то вводят понятие объемной плотности заряда. Объемная плотность заряда – это заряд, содержащийся в единице объема. Обозначается объемная плотность заряда r_е и определяется формулой

 

. (1.2)

 

Объемную плотность заряда измеряют в кулонах на кубический метр ().

Очевидно, заряд элементарного объема определяется формулой

. (1.3)

Полный заряд тела, имеющего объем V, равен сумме элементарных зарядов и определяется по формуле

, (1.4)

где q_T – полный заряд тела, r_е – объемная плотность заряда, dV – элементарный объем.

В ряде случаев заряд распределен по поверхности тела, поэтому удобно пользоваться поверхностной плотностью заряда s. Поверхностная плотность заряда – это заряд, приходящийся на единичную площадь заряженного тела. Поверхностная плотность заряда определяется формулой

 

, (1.5)

где Dq – заряд, DS – площадь поверхности. Единицей измерения поверхностной плотности заряда является кулон на квадратный метр ().

Очевидно, заряд элементарной поверхности находится из выражения

. (1.6)

Полный заряд, находящийся на поверхности тела площадью S, определяется формулой

. (1.7)

В случае расположения заряда вдоль нити вводят линейную плотность заряда. При идеализированном распределении заряда толщина нити считается нулевой. Линейная плотность заряда – это заряд, приходящийся на единицу длины заряженной нити. Линейная плотность заряда определяется формулой

, (1.8)

где Dq – заряд, Dl – длина элемента нити. Единицей измерения линейной плотности заряда является кулон на метр ().

Исходя из данного определения, заряд элемента длины нити определяется выражением

. (1.9)

Полный заряд, приходящийся на нить длиной L, определяется формулой

 

. (1.10)

Отметим, в реальных условиях распределение заряда является объемным.

Точечные заряды взаимодействуют между собой по закону Кулона, который для вакуума имеет вид

, (1.11)

где – значения зарядов, r – расстояние между зарядами, – единичный радиус-вектор.

Понятия точечного заряда, поверхностной и линейной плотности заряда являются идеальными, использование которых существенно помогает упростить изучение содержания электродинамики.