8. Электричество. Электростатика

1. Основные понятия

Электростатика − раздел электродинамики, в котором рассматриваются свойства и взаимодействие неподвижных в инерциальной системе отсчета электрически заряженных тел или частиц.

Электрический заряд − физическая величина, характеризующая свойство тел или частиц вступать в электромагнитные взаимодействия и определяющая значения сил и энергий при таких взаимодействиях. Электрические заряды делятся на положительные и отрицательные. Электрический заряд дискретен, т.е. электрический заряд любого заряженного тела равен целому числу элементарных зарядов. Носителем элементарного положительного заряда является протон (e = 1,6⋅10^19 Кл), отрицательного — электрон (e = ‒ 1,6⋅10^19 Кл). Если в системе содержится равное число элементарных зарядов противоположного знака, то такая система является электрически нейтральной (незаряженной). Если электрическая нейтральность тела нарушена, то оно называется наэлектризованным. При всех явлениях, связанных с перераспределением электрических зарядов в изолированной системе взаимодействующих тел, выполняется закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы сохраняется постоянной.

Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми он взаимодействует.

Электромагнитное взаимодействие – взаимодействие между электрически заряженными частицами или макроскопическими заряженными телами.

Электромагнитное поле – форма материи, посредством которой осуществляются электромагнитные взаимодействия заряженных частиц или тел, в общем случае движущихся в данной системе отсчета.

Электрическое поле − одна из частей электромагнитного поля, особенностью которой является то, что это поле создается электрическими зарядами или заряженными телами, а также воздействует на эти объекты независимо от того, движутся они или неподвижны. Если электрически заряженные частицы или тела неподвижны в данной системе отсчета, то их взаимодействие осуществляется посредством электростатического поля. Электростатическое поле является не изменяющимся во времени (стационарным) электрическим полем. В общем случае электрическое и электромагнитное поля могут изменяться с течением времени (переменное, нестационарное электрическое и электромагнитное поля).

2. Закон Кулона

Закон Кулона: неподвижные точечные заряды взаимодействуют друг с другом с силой прямо пропорциональной произведению величин зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

или , (8.2.1)

где F – сила взаимодействия зарядов q₁ и q₂; r – расстояние между зарядами; e – диэлектрическая проницаемость среды; ε₀ = 8,85⋅10^-12 Ф/м – электрическая постоянная.

Закон Кулона справедлив для точечных зарядов и заряженных тел шарообразной формы, если их заряды q₁ и q₂ равномерно распределены по всему объему или по всей поверхности этих тел. Кулоновские силы подчиняются третьему закону Ньютона. Сила, с которой взаимодействуют заряды, направлена вдоль линии, соединяющей эти заряды (рис. 8.2.1).

Закон Кулона в векторном виде

. (8.2.2)

‒ сила, действующая на заряды q₁ со стороны q₂; – радиус-вектор, соединяющий заряды; r = .

Рис. 8.2.1