Отримання знань

 Електричний заряд. Закон Кулона

Подібно до поняття гравітаційної маси тіла в механіці Ньютона, поняття заряду в електродинаміці є первинним, основним поняттям.

Електричний заряд – це фізична величина, що характеризує властивість частин тіла або тіл вступати в електромагнітні силові взаємодії.

     Електризація тертям, взаємодія єлектричних зарядів 

Електричний заряд зазвичай позначається буквами q або Q.

Сукупність всіх відомих експериментальних фактів дозволяє зробити наступні виcновки:

• Існує два роди електричних зарядів, умовно названих позитивними і негативними.
• Заряди можуть передаватися (наприклад, при безпосередньому контакті) від одного тіла до іншого. На відміну від маси тіла електричний заряд не є невід'ємною характеристикою даного тіла. Одне і те ж тіло в різних умовах може мати різний заряд.
• Однойменні заряди відштовхуються, різнойменні – притягуються. У цьому також виявляється принципова відмінність електромагнітних сил від гравітаційних. Гравітаційні сили завжди є силами притягання.

Одним з фундаментальних законів природи є експериментально встановлений закон збереження електричного заряду.

У ізольованій системі  алгебраїчна сума  зарядів всіх тіл залишається постійною:
 

Закон збереження електричного заряду стверджує, що в замкнутій системі тіл не можуть спостерігатися процеси народження або зникнення зарядів тільки одного знаку.

З сучасної точки зору, носіями зарядів є елементарні частки. Всі звичайні тіла складаються з атомів, до складу яких входять позитивно заряджені протони, негативно заряджені електрони і нейтральні частки – нейтрони. Протони і нейтрони входять до складу атомних ядер, електрони утворюють електронну оболонку атомів. Електричні заряди протона і електрона по модулю в точності однакові і дорівнюють елементарному заряду e.

У нейтральному атомі число протонів в ядрі дорівнює числу електронів в оболонці. Це число називається атомним номером. Атом даної речовини може втратити один або декілька електронів або придбати зайвий електрон. У цих випадках нейтральний атом перетворюється на позитивно або негативно заряджений іон.

Заряд може передаватися від одного тіла до іншого тільки порціями, що містять ціле число елементарних зарядів. Таким чином, електричний заряд тіла – дискретна величина:

Фізичні величини, які можуть приймати тільки дискретний ряд значень, називаються квантованими. Елементарний заряд e є квантом (найменшою порцією) електричного заряду. Слід зазначити, що в сучасній фізиці елементарних часток передбачається існування так званих кварків – часток з дробовим зарядом і Проте, у вільному стані кварки до цих пір спостерігати не вдалося.

У звичайних лабораторних дослідах для виявлення і виміру електричних зарядів використовується електрометер – прилад, що складається з металевого стрижня і стрілки, яка може обертатися навколо горизонтальної осі.  Стрижень із стрілкою ізольований від металевого корпусу. При зіткненні зарядженого тіла із стрижнем електрометрії, електричні заряди одного знаку розподіляються по стрижню і стрілці. Сили електричного відштовхування викликають поворот стрілки на деякий кут, по якому можна судити про заряд, переданий стрижню електрометрії.

Електрометр є достатньо грубим приладом; він не дозволяє досліджувати сили взаємодії зарядів. Вперше закон взаємодії нерухомих зарядів був встановлений французьким фізиком Ш. Кулоном (1785 р.). У своїх дослідах Кулон вимірював сили притягання і відштовхування заряджених кульок за допомогою сконструйованого ним приладу – крутильних терезів  що відрізнялися надзвирчайно високою чутливістю. Так, наприклад, коромисло терезів поверталося на 1° під дією сили порядку 10^–9 Н.

Ідея вимірів грунтувалася на блискучій здогадці Кулона про те, що якщо заряджену кульку привести в контакт з точно такою ж же незарядженою, то заряд першої розділиться між ними порівну. Таким чином, був вказаний спосіб змінювати заряд кульки  в два, три і т. д. раз. У дослідах Кулона вимірювалася взаємодія між кульками, розміри яких багато менше відстані між ними. Такі заряджені тіла прийнято називати точковими зарядами.

Точковим зарядом називають заряджене тіло, розмірами якого в умовах даного завдання можна нехтувати.

На підставі численних дослідів Кулон встановив такий закон:

Сили взаємодії нерухомих зарядів прямо пропорційні добутку модулів зарядів і обернено пропорційні квадрату відстані між ними:
 

Сили взаємодії підкоряються третьому закону Ньютона: Вони є силами відштовхування при однакових знаках зарядів і силами тяжіння при різних знаках (мал. 4.1.3). Взаємодію нерухомих електричних зарядів називають електростатичним або кулонівським взаємодією. Розділ електродинаміки, що вивчає кулонівську взаємодію, називають електростатикою.

Закон Кулона справедливий для точкових заряджених тіл. Практично закон Кулона добре виконується, якщо розміри заряджених тіл багато менше відстані між ними.

Коефіцієнт пропорційності до у законі Кулона залежить від вибору системи одиниць. У Міжнародній системі СІ за одиницю заряду прийнятий кулон (Кл).

Кулон – це заряд, що проходить за 1 з через поперечний переріз провідника при силі струму 1 А. Одиниця сили струму (ампер) у СІ є разом з одиницями довжини, часу і маси основною одиницею виміру.

Коефіцієнт до у системі СІ зазвичай записують у вигляді:
 

де – електрична стала. 

Досвід показує, що сили кулонівської взаємодії підкоряються принципу суперпозиції.

Якщо заряджене тіло взаємодіє одночасно з декількома зарядженими тілами, то результуюча сила, що діє на дане тіло, дорівнює векторній сумі сил, що діють на це тіло з боку всіх інших заряджених тіл.

Малюнок  пояснює принцип суперпозиції на прикладі електростатичної взаємодії трьох заряджених тіл.

Принцип суперпозиції електростатичних сил