Электрический заряд, его свойства. Законы сохранения и квантования заряда. Взаимодействие зарядов. Закон Кулона. Характеристики неточечных зарядов.

Электростатика – это раздел физики, в котором изучается взаимодействие и свойства систем электрических зарядов, неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отсчета.

В основе всего разнообразия явлений природы лежат четыре фундаментальных взаимодействия между элементарными частицами

• гравитационное,
• электромагнитное,
• слабое,
• сильное.

Электрический заряд – носитель электромагнитного взаимодействия.

Фундаментальные свойства зарядов

1. Электрический заряд может быть двух типов: положительный (при трении кожи о стекло) и отрицательный (при трении меха с эбонитом). Тела, имеющие электрические заряды одного знака, отталкиваются друг от друга, тела с зарядами противоположных знаков – притягиваются.

2. Носителями электрического заряда являются заряженные элементарные частицы с элементарным зарядом (Кулон – единица электрического заряда в СИ)

протон – носитель положительного заряда (+e), (m_p=1,67×10^-27 кг );

электрон – носитель отрицательного заряда (–e), (m_e=9,11×10^-31 кг ).

Заряд любого другого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда.

3. Фундаментальный закон сохранения электрического заряда (выполняется в любых процессах рождения и уничтожения элементарных частиц): в любой электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов не изменяется.

4. Электрический заряд является релятивистcки инвариантным: его величина не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется он или покоится.

Итак, зарядить тело положительно – значить отнять у него определенное число электронов, а зарядить отрицательно – сообщить телу определенное число лишних электронов. Отметим, что заряды тел порядка 1 нКл = 10^-9 Кл можно считать уже весьма значительными. Для того чтобы тело имело такой заряд, число электронов в нем должно отличаться от числа протонов на ! штук.

Классификация тел в зависимости от концентрации свободных зарядов

1. Проводники (тела со свободным перемещением зарядов по всему объему);
1. Проводники I рода – металлы (заряды перемещаются без химических превращений);
2. Проводники II рода – электролиты (перемещение зарядов сопровож­дает­ся химическими превращениями);
2. Полупроводники (тела с ограниченным перемещением зарядов);
3. Диэлектрики (тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды);

Единица электрического заряда Кулон – производная от единицы силы тока, это электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с (1Кл=1А×1с).

Закон Кулона. Диэлектрическая проницаемость и ее физический смысл

Рис. 1. Схема взаимо­дей­ствия точечных зарядов

Закон Кулона – закон о взаимодействии точечных зарядов: сила взаимодействия F двух неподвижных точечных зарядов q₁ и q₂ в вакууме направлена вдоль линии, соединяющей оба заряда, прямо пропорциональна величинам этих зарядов и обратно пропор­ци­ональна квадрату расстояния между ними:

, (1)

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения. В системе СИ

,

- электрическая постоянная.

Сила F называется кулоновской силой, она является силой притяжения, если заряды имеют разные знаки (рис.1), и силой отталкивания, если заряды одного знака.

Если электрические заряды поместить внутрь диэлектрика, то сила электрического взаимодействия уменьшается в соответствии с выражением:

, (2)

где - диэлектрическая проницаемость среды, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия точечных зарядов в диэлектрике меньше силы их взаимодействия в вакууме.