Электродинамика - это раздел физики, изучающий взаимодействие электрических зарядов. В качестве частного случая он включает в себя электростатику- раздел, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов. Изучение электрических явлений началось в первой половине 18 века, и к концу этого столетия об электричестве было известно уже достаточно много. Однако научное исследование электричества физически берет начало с опытов, выполненных Шарлем Кулоном (1736-1806), заложившим основы электростатики. Сегодня электростатика- это классическая область физики с хорошо разработанным математическим аппаратом, идеи которой оказали большое влияние практически на все разделы физики. Из курса физики восьмого класса известно, что все тела состоят из молекул, молекулы — из атомов, атомы — из ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома и электронов, вращающихся вокруг него. Исследования физиков- ядерщиков показали, что ядро состоит из более мелких частиц протонов и нейтронов. Протоны, нейтроны и электроны называются субатомными частицами. Эти частицы обладают индивидуальными свойствами, они не похожи друг на друга. Для характеристики этих свойств было введено много физических величин, основными из которых являются масса и электрический заряд. Элементарные частицы при рождении наделяются строго индивидуальной массой и электрическим зарядом. Так, заряд, аналогичный заряду электрона, стал называться отрицательным, а заряд, аналогичный заряду протона- положительным. Нейтрон не имеет электрического заряда. Наличие у частиц электрического заряда позволяет им взаимодействовать друг с другом. Причем, как показывает опыт, одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга, а разноименно заряженные - наоборот, притягиваются. Поэтому электрический заряд характеризует интенсивность электромагнитных взаимодействий . Электрический заряд не существует отдельно от частицы, это ее неотъемлемое свойство так же, как и масса частицы. Электрическому заряду присуще свойство дискретности , т.е. он способен дробиться, но только до определенного минимального значения, которое называется элементарный заряд . Принято обозначать элементарный заряд символом е. Величина элементарного заряда была определена экспериментально Милликеном и И о ф ф е. Его численное значение равно: е=1,6 • 10-19 Кл. Видно, что это очень малая величина. Заряд макроскопических тел определяется суммарным зарядом частиц, из которых оно состоит. Атом любого вещества нейтрален, так как число электронов в нем равно числу протонов в его ядре. Поэтому макроскопические тела, как правило, электрически нейтральны. Для того чтобы макроскопическое тело стало обладать электрическим зарядом, необходимо отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним . Этот процесс называют электризаций. Наэлектризовать тело можно: - трением. При этом небольшая часть наиболее подвижных заряженных частиц в теле — электронов — перейдет от одного тела к другому, атомы которого притягивают их сильнее. При этом первое тело зарядится положительно, а второе — отрицательно; - соприкосновением незаряженного тела с заряженным. При этом часть электронов будет перебегать от тела, у которого число электронов больше, к телу с меньшим числом электронов. Совершенно ясно, что электрический заряд при электризации ниоткуда не берется и никуда не исчезает бесследно. Он только переходит от одного тела к другому, а общий заряд в замкнуто системе тел остается величиной неизменной. В этом состоит суть закона сохранения электрического заряда. Математически его можно записать так: q1 + q2 + q3 + … + qn =const Замкнутой или изолированной, называют такую систему, через границы которой не может проникнуть вещество. Обнаружить заряжено тело или нет можно с помощью электроскопа, устройство и принцип действия которого знакомо вам еще с восьмого класса. Закон Кулона Известно, что электрически заряженные тела взаимодействуют друг с другом, причем одноименно заряженные из них отталкиваются, а разноименно заряженные притягиваются. Определить силу взаимодействия неподвижных заряженных тел экспериментально сумел французский физик III. О. Кулон, который с помощью крутильных весов сумел установить, как взаимодействуют друг с другом маленькие заряженные шарики. В 1785 г. Ш. О. К у л о н установил, что два точечных неподвижных заряженных тела в вакууме взаимодействуют друг с другом с силой прямо пропорциональной произведению модулей зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, и направленной по прямой , соединяющей эти заряды. Эту силу называют кулоновской. Закон Кулона называют основным законом электростатики. Математически закон Кулона записывается так: F=k·(q1·q2)/r2. Коэффициент к в формуле (8.2) определяется выбором системы единиц. Он показывает, с какой силой взаимодействуют друг с другом единичные заряды, находящиеся на единичном расстоянии друг от друга. В системе СИ значение коэффициента к равно к = 9 • 109 Н*м2/Кл2. Обычно в системе СИ используется рационализированная запись законов электромагнитных явлений, в которой к = 1 /4πɛ0 Постоянная ɛ0 называется электрической постоянной. ɛ0 = 8,85 • 10-12 Кл 2/Н*м2. Введение множителя 4π упрощает запись основных уравнений электродинамики, установленных Максвеллом. Необходимо помнить, что закон Кулона справедлив только для точечных зарядов. На самом деле точечных зарядов в природе не существует, но если расстояние между заряженными телами во много раз больше их размеров, то эти тела можно считать точечными. Закон Кулона описывает и взаимодействие зарядов, движущихся со скоростями, значительно меньшими, чем скорость света, например, к системе «электрон — протон» в атоме водорода. Согласно третьему закону Ньютона, сила F12, действующая на заряд q2 , со стороны заряда q1 , равна силе F21, действующей со стороны заряда q2 на заряд q1, т.е. F21 = -F12 • Если знаки зарядов одинаковы, то произведение q1 • q1 > 0 — это означает, что заряды отталкиваются. Если знаки зарядов противоположны, то произведение q1 • q1 < 0, и это означает, что заряды притягиваются. В системе СИ единица заряда производная. Ее устанавливают, используя основную единицу силы тока 1 А (ампер), эталон которой устанавливают на основе взаимодействия токов. Кулон (Кл)- это заряд, проходящий за 1с через поперечное сечение проводника при силе тока в 1А. 1 Кл = 1 А* 1 с. Помещая точечные заряды в различные диэлектрики, установили, что сила взаимодействия между ними уменьшается, причем отношение силы взаимодействия F0 зарядов в вакууме к силе взаимодействия этих же зарядов на том же расстоянии в среде не зависит ни от самих зарядов, ни от расстояния между ними. Оно определяется только свойствами самой среды. Тогда F0/ F = ɛ= const. Величину ɛ называют относительной диэлектрической проницаемостью среды. Диэлектрическая проницаемость среды- это физическая величина, характеризующая электрические свойства вещества и показывающая, во сколько раз сила взаимодействия зарядов в данной среде меньше их взаимодействия в вакууме .Она является безразмерной величиной. Свойство суперпозиции Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции. Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел. Рис. 1.1.4 поясняет принцип суперпозиции на примере электростатического взаимодействия трех заряженных тел. Рисунок 1.1.4. Принцип суперпозиции электростатических сил Модель. Взаимодействие точечных зарядов Принцип суперпозиции является фундаментальным законом природы. Однако, его применение требует определенной осторожности, в том случае, когда речь идет о взаимодействии заряженных тел конечных размеров (например, двух проводящих заряженных шаров 1 и 2). Если к системе из двух заряженных шаров поднести третий заряженный шар, то взаимодействие между 1 и 2 изменится из-за перераспределения зарядов. Принцип суперпозиции утверждает, что при заданном (фиксированном) распределении зарядов на всех телах силы электростатического взаимодействия между любыми двумя телами не зависят от наличия других заряженных тел.
