Электрический заряд. Закон Кулона

Титульный лист

ФИЗИКА: ЭЛЕКТРОСТАТИКА, ПОСТОЯННЫЙ ТОК

Модуль № 3

Конспект лекций

Научный редактор - д-р физ.-мат. наук, проф. Сидоренко Ф.А.

Екатеринбург 2004

Аннотация

УДК 539.1

ББК 22.38

Авторы: М.Г. Валишев, А.А. Повзнер

Рецензенты: проф., д-р физ.-мат. наук И.Г.Коршунов канд. физ.-мат. наук Ю.П. Сухоруков

ФИЗИКА: ЭЛЕКТРОСТАТИКА. ПОСТОЯННЫЙ ТОК. Модуль № 3 Конспект лекций /М.Г. Валишев, А.А. Повзнер. Екатеринбург: ООО "Изд-во УМЦ УПИ", 2004. 52 с.

Работа представляет собой конспект лекций по разделам "Электростатика. Постоянный ток" курса общей физики, читаемого студентам УГТУ-УПИ. В краткой и доступной форме излагается теоретический материал, приводятся основные физические законы и примеры их применения, что позволяет использовать этот конспект лекций для самостоятельной работы студентов по освоению материала. Делается упор на понимание сути физических явлений, их качественному объяснению, строгость изложения материала сочетается с его доступностью.

Конспект лекций составлен в соответствии с программой курса "Общая физика", отвечает всем требованиям, принятым на кафедре физики ГОУ ВПО УГТУ-УПИ.

Подготовлено кафедрой физики ГОУ ВПО УГТУ-УПИ.

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

В этом разделе изучается одна из сторон единого электромагнитного поля - электростатическое поле неподвижных зарядов. В основе такого рассмотрения лежит установленный экспериментально закон Кулона, идея близкодействия и принцип суперпозиции электростатических полей.

Электрический заряд. Закон Кулона.

В отличие от гравитационного, в электромагнитное взаимодействие вступают не все тела и частицы. Тем из них, которые участвуют в таких взаимодействиях, приписывается новое свойство - электрический заряд. Он может быть положительным или отрицательным, отражая тот факт, что электромагнитное взаимодействие может быть в виде взаимного притяжения разноименных зарядов или отталкивания одноименных зарядов. Итак, электрический заряд характеризует способность тел вступать в электромагнитные взаимодействия и его величина определяет интенсивность этих взаимодействий.

В природе в свободном состоянии существуют частицы, имеющие минимальный по модулю заряд, равный Кл. Поэтому заряды всех тел и частиц, вступающих в электромагнитные взаимодействия, состоят из целого числа таких зарядов

(3.1)

где N - целое число. В этом заключается дискретность электрического заряда. Заряд электрона считается отрицательным, что позволяет достаточно просто установить знаки зарядов других частиц.

В замкнутых системах выполняется закон сохранения электрического заряда, который формулируется следующим образом: алгебраическая сумма электрических зарядов частиц замкнутой системы остается постоянной

Замкнутая система:

const. (3.2)

Этот закон является важным, так как позволяет анализировать процессы, происходящие в замкнутых системах при изменении в них числа частиц.

Введение электрического заряда позволило сформулировать закон Кулона: силы, с которыми взаимодействуют два неподвижных точечных заряда в вакууме, прямо пропорциональны произведению их зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними; силы направлены вдоль прямой, соединяющей эти заряды (рис.3.1,а):

(3.3)

Входящая в формулу (3.3) величина Ф/м называется электрической постоянной, она возникает при записи формулы закона в международной системе единиц СИ.

Рис. 3.1

Этот закон был экспериментально установлен в 1785 г. французским ученым Ш. Кулоном с помощью изобретенных им крутильных весов. Ранее в 70-х гг. 18 века этот закон был открыт английским ученым Г. Кавендишем, но его труды были опубликованы лишь в 1879 г.

Известно, что по сравнению с вакуумом взаимодействие между зарядами в среде ослабевает и поэтому в закон Кулона вводят новую характеристику – относительную диэлектрическую проницаемость среды

(3.4)

Параметр описывает ослабление взаимодействия зарядов в среде, он показывает во сколько раз модуль силы взаимодействия зарядов в вакууме больше модуля силы взаимодействия зарядов в среде ( ). Для вакуума =1, для всех сред >1, но с достаточной степенью точности при проведении многих расчетов можно принять для газов равную единице. Эквивалентное определение с учетом введения понятия напряженности электрического поля дается в параграфе 3.1.12.3 (формула (3.53)).