Електричний заряд. Електричне поле. Закон Кулона. Напруженість та індукція електричного поля. Принцип суперпозиції електричних полів

Всі тіла в природі складаються з елементарних частинок, які можна розділити на три групи: частинки з позитивним електричним зарядом, частинки з негативним електричним зарядом і незаряджені або електронейтральні частинки. До позитивно заряджених елементарних частинок відносяться протони, до негативно заряджених – електрони. Їхні електричні заряди рівні за модулем і протилежні за знаком. Модуль електричного заряду протона чи електрона – це найменший заряд в природі, або елементарний заряд, який рівний . Вперше величину електричного заряду в 1909 р. експериментально визначив американський фізик Р.Мілікен.

Однойменні електричні заряди між собою відштовхуються, різнойменні – притягуються. Розділ фізики, який вивчає взаємодію електричних зарядів, нерухомих в даній системі відліку, називається електростатикою. Численними експериментами було встановлено закон збереження електричного заряду: алгебраїчна сума електричних зарядів в ізольованій системі тіл є величиною постійною.

Точковим електричним зарядом називається заряджене тіло, розмірами якого можна знехтувати в даних умовах. Розглянемо два точкові електричні заряди і , які розміщені на відстані r один ввід одного, як зображено на рис. 3.1.

В 1785 році французький вчений Ш.Кулон експериментально встановив закон взаємодії нерухомих точкових електричних зарядів.

Закон Кулона: сила взаємодії двох точкових нерухомих електричних зарядів прямо пропорційна добуткові цих зарядів, обернено пропорційна квадратові відстані між ними і напрямлена вздовж прямої, яка сполучає ці заряди:

, (3.1)

де – радіус-вектор, проведений від заряду до заряду , – електрична стала, – діелектрична проникність середовища. Для вакууму . В скалярній формі закон Кулона можна представити у вигляді:

. (3.2)

Однією з основних одиниць в системі СІ, яка характеризує електричні явища, є одиниця сили струму 1А. Одиниця вимірювання електричного заряду 1Кл в системі одиниці СІ є похідною одиницею. Одиниця вимірювання електричного заряду 1Кл рівна електричному зарядові, який проходить через поперечний переріз провідника за 1с при силі постійного струму в провіднику 1А.

Електричні заряди взаємодіють між собою через особливу матеріальну субстанцію яка називається електричним полем. Для характеристики фізичних властивостей електричного поля введемо фізичну величину – напруженість електричного поля. Вмістимо в дану точку електричного поля позитивний точковий електричний заряд . З боку електричного поля на нього буде діяти деяка сила . Напруженістю електричного поля називається векторна фізична величина рівна силі з якою електричне поле діє на одиничний позитивний точковий заряд, вміщений в дану точку поля:

. (3.3)

Напруженість електричного поля створеного точковим електричним зарядом рівна:

. (3.4)

Модуль вектора напруженості електричного поля точкового заряду рівний:

. (3.5)

Напруженість електричного поля є силовою характеристикою поля. Одиницею вимірювання напруженості електричного поля в системі одиниць СІ є 1Н/Кл.

Якщо електричне поле створене системою нерухомих електричних зарядів, то напруженість результуючого електричного поля в кожній точці простору можна визначити згідно із принципом суперпозиції електричних полів: напруженість електричного поля створеного системою нерухомих електричних зарядів рівна векторній сумі напруженостей полів, створених кожним із зарядів зокрема:

. (3.6)

Для геометричного зображення електричного поля користуються силовими лініями або лініями напруженості електричного поля. Силовою лінією електричного поляназивається така лінія, в кожній точці якої вектор напруженості є дотичним до самої лінії. На рис.3.2.а і 3.2.б зображено силові лінії точкових зарядів, а на рис.3.2.в і 3.2.г – системи різнойменних і однойменних точкових зарядів:

Густина силових ліній характеризує величину напруженості електричного поля. Величина напруженості поля пропорційна числу силових ліній, які перетинають одиничну площадку, перпендикулярну до ліній напруженості.

Напруженість електричного поля, як це випливає із формул (3.4) і (3.5), залежить від діелектричних властивостей середовища, тобто від діелектричної проникності середовища . Тому введемо нову фізичну величину – індукцію електричного поля, яка не залежить від діелектричних властивостей середовища. Електричною індукцією (електричним зміщенням) називається векторна фізична величина, яка пропорційна до напруженості, не залежить від діелектричних властивостей середовища і визначається рівністю:

. (3.7)

Індукція електричного поля створеного точковим зарядом рівна:

. (3.8)

Модуль вектора індукції електричного поля точкового заряду рівний:

. (3.9)