Действие электрического поля на электрические заряды

Электризация тел

Электризация – явление накопления телом электрического заряда. В электризации всегда участвуют не менее двух тел. Для протекания явления между телами необходим тесный контакт. Иногда такой контакт достигается за счёт трения между телами, что приводит к ошибочному мнению о необходимости трения или совершения работы по электризации тел. Явление электризации объясняется через движение свободных зарядов (электронов).

Существует несколько способов электризации.

1. Электризация трением. При этом используются два ранее незаряженные тела, изготовленные из разных веществ. В процессе электризации заряд накапливают оба тела, одно – положительный, другое – отрицательный и равный по модулю заряду первого тела (закон сохранения заряда). С точки зрения молекулярно-кинетической теории, при электризации трением вещество с более сильным взаимодействием захватывает электроны у второго вещества и накапливает отрицательный заряд.

2. Электризация соприкосновением. При этом могут участвовать несколько тел, вещества которых способны проводить электрические заряды. До соприкосновения одно или несколько тел обладали электрическими зарядами. После соприкосновения заряды перераспределяются пропорционально электроёмкости тел.

3. Электризация электростатической индукцией (смотрите раздел «Проводники в электрическом поле»).

Взаимодействие зарядов. Два вида заряда

Электрический заряд – основная скалярная физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитных взаимодействий. Говорят, что тело обладает электрическим зарядом, если при его взаимодействии с другими телами обнаруживаются силы электрической или магнитной природы. Единица электрического заряда вводится через единицу силы тока.

[q] = Кл = А∙с.

1 Кл – это заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за 1 с.

Рассмотрим свойства электрического заряда, полученные экспериментально.

1. Существуют два вида электрических зарядов. Положительным называют заряд стеклянной палочки, полученный ею при электризации трением о шёлк. Положительный заряд – это недостаток у тела электронов. Отрицательным называют заряд эбонитовой палочки, полученный ею при электризации трением о шерсть (мех). Отрицательный заряд – это избыток у тела электронов.

2. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются. Силы взаимодействия точечных зарядов направлены вдоль прямой, их соединяющей. Величина взаимодействия описана в законе Кулона.

3. Существует предел делимости электрического заряда. Элементарным называют минимальный (неделимый) электрический заряд тела. Элементарная частица, обладающая положительным элементарным зарядом, – протон, отрицательным – электрон. Значение элементарного заряда является фундаментальной физической постоянной: e = 1,6∙10^–19 Кл.

Электрический заряд дискретен: |q| = Ne.

Электрический заряд обладает свойством сохранения.

Для обнаружения зарядов используется электроскоп.

Закон сохранения электрического заряда

Одним из основных свойств электрического заряда является его способность к сохранению. Закон сохранения электрического заряда: в электрически изолированной системе алгебраическая сумма электрических зарядов всех тел, входящих в эту систему, остается постоянной.

Электрически изолированная система – система, через границу которой нет переноса заряда ни в одном направлении.

Закон Кулона

Закон взаимодействия электрических зарядов был установлен экспериментально французским физиком Ш. Кулоном во второй половине XVIII века. Закон формулируется следующим образом: модуль силы взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

Для вакуума и воздуха закон Кулона записывают так:

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

где – электрическая постоянная.

Для бесконечной однородной и изотропной диэлектрической среды закон Кулона имеет вид:

где ε – диэлектрическая проницаемость среды, в которой находятся заряды.

Закон Кулона справедлив для точечных зарядов – заряженных тел, размеры которых много меньше других размеров рассматриваемой системы. Если заряженное тело в условиях данной задачи нельзя считать точечным зарядом, то его рассматривают как совокупность точечных зарядов. Сила, с которой такое тело будет действовать на другое тело, определяется согласно принципу суперпозиции сил.

Действие электрического поля на электрические заряды

Для описания взаимодействия электрических зарядов в начале XIX века английский физик М. Фарадей предложил использовать понятие электрического поля.

Электрическое поле – материальная среда, являющаяся посредником действия одного заряда на другой и передающая это действие с конечной скоростью.

Идея Фарадея: любой электрический заряд создаёт во всём окружающем его пространстве материальный объект – электрическое поле, которое действует на другие электрические заряды с некоторой силой, называемой электрической силой, и убывает по мере удаления от заряда, его создающего.

Заряд наделяет окружающее пространство особыми физическими свойствами, главное из которых – действие с электрической силой на любой заряд, помещённый в это пространство.

Поле, создаваемое неподвижными электрическими зарядами, не изменяется со временем и называется электростатическим.

Электрические поля принято представлять графически с помощью силовых линий – линий, касательные к которым в любой точке совпадают с направлением вектора напряжённости в этой точке. Графическое преставление электрических полей даётся с соблюдением следующих правил:

1) силовые линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных;

2) силовые линии не пересекаются;

3) плотность линий пропорциональна модулю вектора напряжённости в данном месте поля.

На рисунках приведено несколько примеров графического изображения полей.