Электрический заряд и его свойства. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона

Еще в глубокой древности было известно, что янтарь, потертый о шерсть, притягивает легкие предметы. Тела, способные после натирания притягивать легкие предметы, были названы наэлектризованными. Сейчас мы гово­рим, что тела при этом приобретают электрические заряды. Несмотря на огромное разнообразие веществ в природе, существует только два типа электрических зарядов: заряды, подобные возникающим на стекле, потертом о кожу (их назвали положитель­ными), и заряды, подобные возникающим на эбоните, потертом о мех (их назвали отрицательными), одноименные заряды друг от друга отталкиваются, разноимен­ные — притягиваются.

Опытным путем было показано, что электрический заряддискретен, т. е. заряд любого тела составляет целое кратное отэлементарного электрического заряда е (е =1,6×10^–19 Кл). Электрон (m_e =9,11×10^–31 кг) ипротон (т_p= 1,67×10^–27 кг) являются соответственно носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов.

Все тела в природе способны электризоваться, т. е. приобретать электрический заряд. Электризация тел может осуществляться различными способами: соприкоснове­нием (трением), электростатической индукцией и т. д. Всякий процесс заряжения сводится к разделению зарядов, при котором на одном из тел (или части тела) появляется избыток положительного заряда, а на другом (или другой части тела) — избыток отрицательного заряда. Общее количество зарядов обоих знаков, содержащихся в телах, не изменяется: эти заряды только перераспределяются между телами.

Из обобщения опытных данных был установлен фундаментальный закон природы — закон сохранения заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы (системы, не обменивающейся зарядами с внешними тела­ми) остается неизменной, какие бы процессы ни происходили внутри этой системы.

Электрический заряд не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится.

Закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов установлен в 1785 г. Ш. Кулоном с помощью крутильных весов. Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные раз­меры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряжен­ных тел, с которыми он взаимодействует.

Закон Кулона:сила взаимодействия F между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядам Q ₁ и Q ₂ и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними:

,

где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц.

Сила F направлена по прямой, соединяющей взаимодействующие заряды, т. е. является центральной, и соответствует притяжению (F <0) в случае разноименных зарядов и отталкиванию (F >0) в случае одноименных зарядов. Эта сила называется кулоновской силой. В векторной форме закон Кулона имеет вид

,

где F ₁₂ — сила, действующая на заряд Q ₁ со стороны заряда Q ₂, r ₁₂ — радиус-вектор, соединяющий заряд Q ₂ с зарядом Q ₁, r = | r ₁₂| (рисунок.). На заряд Q ₂ со стороны заряда Q ₁ действует сила F ₂₁ = – F ₁₂.

В СИ коэффициент пропорциональности равен

.

Тогда закон Кулона запишется в окончательном виде:

.

Величина e₀ –диаметрическая проницаемость вакуума; она относится к числу фундамен­тальных физических постоянных и равна

=8,85*10^-12 Кл²/(Н*м²), или =8,85*10^-12 Ф/м,

где фарад (Ф) — единица электрической емкости. Тогда м/Ф.

Рисунок