Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие заряда в электродинамике является первичным, основным понятием.
Электрический заряд - это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.
Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q .
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.
Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда .
В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:
|
q 1 + q 2 + q 3 + ... +q n = const. |
Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.
С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы - нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e .
В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером . Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.
Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела - дискретная величина:
Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, называются квантованными . Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда. Следует отметить, что в современной физике элементарных частиц предполагается существование так называемых кварков - частиц с дробным зарядом и Однако, в свободном состоянии кварки до сих пор наблюдать не удалось.
В обычных лабораторных опытах для обнаружения и измерения электрических зарядов используется электрометр ( или электроскоп) - прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1.1.1). Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.
Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Шарлем Кулоном в 1785 г. В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора - крутильных весов (рис. 1.1.2), отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью. Так, например, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка 10 -9 Н.
Идея измерений основывалась на блестящей догадке Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между ними поровну. Таким образом, был указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами .
Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.
На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:
Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:
Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона:
Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1.3). Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой .
Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.
Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).
Кулон - это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (Ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения .
Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:
Где 
- электрическая постоянная
.
В системе СИ элементарный заряд e равен:
Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции:
Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.
Рис. 1.1.4 поясняет принцип суперпозиции на примере электростатического взаимодействия трех заряженных тел.
Принцип суперпозиции является фундаментальным законом природы. Однако, его применение требует определенной осторожности, в том случае, когда речь идет о взаимодействии заряженных тел конечных размеров (например, двух проводящих заряженных шаров 1 и 2). Если к системе из двух заряженных шаров поднсти третий заряженный шар, то взаимодействие между 1 и 2 изменится из-за перераспределения зарядов .
Принцип суперпозиции утверждает, что при заданном (фиксированном) распределении зарядов на всех телах силы электростатического взаимодействия между любыми двумя телами не зависят от наличия других заряженных тел.
При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда . Этот закон справедлив для замкнутой системы. В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной . Если заряды частиц обозначить через q 1 , q 2 и т.д., то
q 1 + q 2 + q 3 + … + q n = const.
Основной закон электростатики – закон кулона
Если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то ни форма, ни размеры заряженных тел существенно не влияют на взаимодействия между ними. В таком случае эти тела можно рассматривать как точечные.
Сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды между заряженными телами.
Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Эту силу называют кулоновской.
|q 1 | и |q 2 | - модули зарядов тел,
r – расстояние между ними,
k – коэффициент пропорциональности.
F - сила взаимодействия
Силы взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела.
Единица электрического заряда
Единица силы тока – ампер.
Один кулон (1 Кл) – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А
g [Кулон=Кл]
е=1,610 -19
Кл
-электрическая
постоянная
БЛИЗКОДЕЙСТВИЕ И ДЕЙСТВИЕ НА РАССТОЯНИИ
Предположение о том, что взаимодействие между удаленными друг от друга телами всегда осуществляется с помощью промежуточных звеньев (или среды), передающих взаимодействие от точки к точке, составляет сущность теории близкодействия. Распр. с конечной скоростью.
Теория прямого действия на расстоянии непосредственно через пустоту. Согласно этой теории действие передается мгновенно на сколь угодно большие расстояния.
Обе теории являются взаимно противоположными друг другу. Согласно теории действия на расстоянии одно тело действует на другое непосредственно через пустоту и это действие передается мгновенно.
Теория близкодействия утверждает, что любое взаимодействие осуществляется с помощью промежуточных агентов и распространяется с конечной скоростью.
Существования определенного процесса в пространстве между взаимодействующими телами, который длится конечное время, - вот главное, что отличает теорию близкодействия от теории действия на расстоянии.
Согласно идее Фарадея электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот. По мере удаления от заряда поле ослабевает.
Электромагнитные взаимодействия должны распространятся в пространстве с конечной скоростью.
Электрическое поле существует реально, его свойства можно исследовать опытным путем, но мы не можем сказать из чего это поле состоит.
О природе электрического поля можно сказать, что поле материально; оно сущ. независимо от нас, от наших знаний о нем;
Поле обладает определенными свойствами, которые не позволяют спутать его с чем-либо другим в окружающем мире;
Главное свойство электрического поля – действие его на электрические заряды с некоторой силой;
Электрическое поле неподвижных зарядов называют электростатическим . Оно не меняется со временем. Электростатическое поле создается только электрическими зарядами. Оно существует в пространстве, окружающем эти заряды, и неразрывно с ним связано.
Напряженность электрического поля.
Отношение силы, действующей на помещенный в данную точку поля заряд, к этому заряду для каждой точки поля не зависит от заряда и может рассматриваться как характеристика поля.
Напряженность
поля равна отношению силы, с которой
поле действует на точечный заряд, к
этому заряду.
Напряженность поля точечного заряда.
.
Модуль напряженности поля точечного заряда q o на расстоянии r от него равен:
.
Если
в данной точке пространства различные
заряженные частицы создают электрические
поля, напряженности которых
и
т. д., то результирующая напряженность
поля в этой точке равна:
СИЛОВЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛ.
НАПРЯЖЕННОСТЬ ПОЛЯ ЗАРЯЖЕННОГО ШАРА
Электрическое поле, напряженность которого одинакова во всех точках пространства, называется однородным.
Густота силовых линий больше вблизи заряженных тел, где напряженность поля также больше.
-напряженность
поля точечного заряда.
Внутри проводящего шара (r > R) напряженность поля равна нулю.
ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ.
В проводниках имеются заряженные частицы, способные перемещаться внутри проводника под влиянием электрического поля. Заряды этих частиц называют свободными зарядами.
Электростатического поля внутри проводника нет. Весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности. Заряды в проводнике могут располагаться только на его поверхности.
Гласит, что алгебраическая сумма электрических зарядов всех частиц изолированной системы не меняется при происходящих в ней процессах.
Электрический заряд любой частицы или системы частиц является целым кратным элементарному электрическому заряду (равному по величине заряду электрона) или нулевым.
Одним из подтверждений закона сохранения электрического заряда служит строгое равенство (по абсолютной величине) электрических зарядов электрона и протона. Изучение движения атомов (молекул) и микроскопических тел в электрических полях подтверждает электронейтральность вещества и, соответственно, равенство зарядов электрона и протона (и электронейтральность ней-трона) с точностью до 10 -21 .
Закон сохранения заряда подтверждается и простыми опытами по электризации тел. Укрепим на стержне электромера металлический диск и, положив на него прослойку из сукна, поставим сверху еще один такой же диск, но с ручкой из диэлектрика. Совершив несколько движений верхним диском по изоляционной прослойке, уберем его в сторону. Мы увидим, что стрелка электромера отклонится, свидетельствуя о появлении на сукне и соприкасающемся с ним диске электрического заряда. Далее прикоснемся вторым диском (которым мы терли о сукно) к стерж-ню второго электромера. Стрелка этого электромера отклонится примерно на такой же угол, что и стрелка первого электромера. Это означает, что при электризации оба диска получили одинако-вый по модулю заряд. Что можно сказать о знаках этих зарядов? Для ответа на этот вопрос завер-шим опыт, соединив электромеры металлическим стержнем. Мы увидим, как стрелки приборов опустятся вниз. Нейтрализация зарядов свидетельствует о том, что они были равны по модулю, но противоположны по знаку (и, следовательно, в сумме давали нуль).
Этот и другие опыты показывают, что в процессе электризации общий (суммарный) заряд тел сохраняется: если он был равен нулю до электризации, то таким он останется и после нее.
Полный электрический заряд сохраняется и в том случае, если первоначальные заряды тел были отличны от нуля. Если обозначить первоначальные заряды тел как q 1 и q 2 , а заряд тех же тел после их взаимодействия как q’ 1 и q’ 2 то можно записать:
q’ 1 + q’ 2 = q 1 + q 2 .
При любых взаимодействиях тел их полный электрический заряд остается неизменным.
В этом заключается фундаментальный закон природы — закон сохранения электрического заряда.
Закон сохранения заряда был установлен в 1750 г. американским ученым и видным политическим деятелем Бенджамином Франклином. Он же ввел понятие о положительных и отрицатель-ных зарядах, обозначив их знаками «+» и «-».
Закон сохранения заряда имеет глубокий смысл. Он очевиден, когда число элементарных частиц не меняется. Однако элементарные частицы могут возникать (рождаться) и исчезать, т. е. пре-терпевать различные превращения. Возникают и исчезают элементарные частицы всегда пара-ми (с противоположными зарядами). Многочисленные наблюдения превращений элементарных частиц подтверждают закон сохранения заряда. Этот закон выражает одно из фундаментальных свойств электрического заряда.
Таким образом, электрический заряд во Вселенной сохраняется, а полный электрический за-ряд Вселенной, скорее всего, равен нулю.
