Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона.

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

ВВЕДЕНИЕ

Предмет классической электродинамики

Раздел физики, в котором исследуются свойства электромагнитного поля и взаимодействующих с ним других видов материи, называют классической электродинамикой.

Электромагнитное поле представляет собой самостоятельный вид материи. По историческим причинам термин «поле» в физике имеет два разных смысла. Во-первых, полем называют особый вид материи. Во-вторых, среди физических величин функциями координат считаются такие, которые называют полями, например, поле скоростей. Словосочетание «электромагнитное поле» характеризует его особый вид материи. Электрическое поле, как и всякий физический объект, характеризуется состоянием и уравнениями движения. В каждый момент времени состояние электромагнитного поля описывается двумя полями: электрическим и магнитным. Уравнения движения для электромагнитного поля содержатся в микроскопических уравнениях Максвелла. Микроскопические уравнения Максвелла совместно с уравнениями Лоренца для заряженных частиц образуют фундаментальную систему уравнений классической электродинамики. Наряду с микроскопическими уравнениями, используются макроскопические уравнения Максвелла, макроскопические уравнения Лоренца и материальные уравнения (например, закон Ома), которые образуют макроскопическую систему уравнений.

Понятие близкодействия

Для описания взаимодействия тел используется понятие силового поля. Взаимодействие заряженных частиц передается с конечной скоростью посредством близкодействия, а посредником является электромагнитное поле. Гипотезу о близкодействующем характере электромагнитных взаимодействий предложил Фарадей в середине 19 столетия.

Позднее Максвелл написал свои знаменитые уравнения электродинамики, содержащие математическую трактовку идеи близкодействия и позволившие сделать предсказание об электромагнитной природе света. Герц экспериментально установил генерацию и распространение электромагнитных волн в соответствии с уравнениями Максвелла, что окончательно подтвердило идею близкодействия.

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

Квантование заряда.

Электрические силы относятся к одному из фундаментальных взаимодействий - электромагнитному взаимодействию, которое зависит от величины электрических зарядов. Существование электромагнитных сил обнаружено давно. Их действие было известно древним грекам.

Электрический заряд имеют многие элементарные частицы, например, электрон, протон, ионы или заряженные макротела и т. д.

Электрический заряд частицы является одной из ее характеристик.

Элементарная частица может существовать без заряда, например, нейтрон, фотон и др., но не существует заряда без частицы.

Например, заряд электрона и протона равен по абсолютной величине элементарному заряду:

½е½=1,6 ×10^-¹⁹ Кл.

1. Электрический заряд квантуется, т.е. может принимать величину заряда, кратную элементарному заряду. Любой макроскопический заряд можно представить в виде выражения:

или Q = n½е½,

где n - число заряженных частиц.

2. Существуют положительный и отрицательный электрические заряды. Например, электрон - отрицательно заряженная частица, протон - положительно заряженная частица.

3. Электрический заряд - инвариантен, т. е. его величина не зависит от системы отсчета, т. е. не зависит от того, движется он или покоится.

4. Закон сохранения заряда открыт Фарадеем

В любой электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов есть величина постоянная, т. е.

. (1)

Фундаментальные свойства заряда имеют важнейшее значение в современной физике и в естествознании вообще.

Замечание:

Открыты элементарные частицы - кварки, которые имеют дробный заряд, кратный , . В свободном состоянии кварки не существуют.

Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона.

В 1785 г. Кулон экспериментально установил зависимость силы взаимодействия зарядов от их величины, знака и расстояния между ними.

Сила взаимодействия двух точечных зарядов, находящихся в вакууме, прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, направлена вдоль прямой линии, соединяющей эти заряды (рис. 1.1).

В СИ закон Кулона запишем в виде

Рис. 1.1

, (2)

где e_о = 8,85×10^-¹² - электрическая постоянная; - единичный вектор.

При решении задач удобно использовать величину

= 9×10⁹ .

Согласно третьего закона Ньютона

½F₁₂ ½=½F₂₁½= F.

Знак силы взаимодействия зарядов зависит от знака этих зарядов. Притяжению соответствует знак « - », разноименные заряды притягиваются, отталкиванию - « + », одноименные заряды отталкиваются (рис. 1. 2, а, б).

По абсолютной величине закон Кулона

а б Рис. 1.2

. (3)

Если заряды находятся в диэлектрической среде, то

, (4)

где e - диэлектрическая проницаемость среды,

. (5)

В СИ заряд измеряют в кулонах (Кл).

На основании экспериментальных данных установлено, что закон Кулона справедлив для расстояний от 10^-¹⁵ м до нескольких километров, а возможно и до бесконечности.

Электрическое поле.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: