В помощь поступающим в вузы. Физика. Молекулярная физика. Тепловые явления. Электричество и магнетизм - Демков В.П.
Скачать (прямая ссылка):
10 м -г 10"12 м). Электромагнитные взаимодействия проявляются в тех
пространственных масштабах, в которых протекает наша повседневная жизнь.
Например, благодаря им мы видим книгу, которую сейчас читаем.
Каждый вид взаимодействия связан с определенной характеристикой частиц.
Например, гравитационное взаимодействие зависит от масс частиц (см. книгу
"Механика" §5), электромагнитное - от электрических зарядов.
Электрический заряд - это скалярная физическая величина, которая является
одной из основных характеристик частиц. Единицей измерения величины
заряда в системе СИ служит купон [Кл].
Существует два вида электрических зарядов. Принято одни заряды называть
положительными, другие - отрицательными. Заряд всех элементарных частиц
(если он не равен нулю) одинаков по абсолютной величине и равен 1,6-10"19
Кл. Его называют элементарным зарядом и обозначают буквой е. К числу
элементарных частиц принадлежат, в частности, электрон (отрицательный
элементарный заряд -е), протон (положительный элементарный заряд +е),
нейтрон (заряд равен нулю). Из этих частиц состоят атомы и молекулы
любого вещества, поэтому элементарные заряды входят в состав всех тел.
Обычно частицы, несущие заряды разных знаков, присутствуют в теле в
равных количествах и распределены с одинаковой плотностью. При этом
алгебраическая сумма зарядов в любом элементарном объеме тела равна нулю,
и каждый такой объем (и тело в целом) будет нейтральным. Если каким-либо
образом создать в теле избыток зарядов одного знака, тело окажется
заряженным. Поскольку заряд q тела образуется совокупностью элементарных
зарядов, то он всегда будет кратным е:
q = ±N е.
137
Экспериментально установлено, что величина заряда, измеренная в различных
системах отсчета, одинакова. Это означает, что величина заряда не зависит
от того, движется этот заряд или покоится.
Электрические заряды могут исчезать и появлятся вновь. Однако всегда
исчезают или появляются два элементарных заряда противоположных знаков.
Например, электрон и позитрон (частица массой, равной массе электрона и
зарядом +е) при взаимодействии исчезают (говорят, аннигилируют),
превращаясь в два нейтральных так называемых у-кванта. В ходе процесса,
называемого рождением пары, у-квант вблизи атомного ядра превращается в
пару частиц - электрон и позитрон. При этом возникают заряды -е и +е.
Таким образом суммарный электрический заряд не изменяется. Опыт
показывает, что это справедливо для любых процессов взаимодействия
частиц, в которых изменяется их состав: суммарный заряд электрически
изолированной системы (т.е. такой системы, в которой через поверхность ее
ограничивающую не переносятся электрические заряды) со временем не
изменяется, какие бы процессы не протекали в системе. Это утверждение
называют законом сохранения заряда.
Электрические заряды наделяют окружающее их пространство особыми
физическими свойствами - создают электрическое поле. Основным его
свойством является то, что на находящуюся в нем заряженную частицу
действует некоторая сила. Раздел физики - электростатика - изучает
постоянное во времени электрическое поле, создаваемое неподвижными
зарядами.
Тот факт, что тело имеет электрический заряд, может быть обнаружен, если
к этому телу поднести другое заряженное тело. Опыт показывает, что тела,
обладающие зарядами одного знака (одноименно заряженные), отталкиваются
друг от другу, а тела, обладающие зарядами разных знаков (разноименно
заряженные) - притягиваются друг к другу. Впервые количественное значе-
§12. Электростатика
Закон Кулона
Z
ние силы взаимодействия заряженных тел было получено Кулоном для точечных
зарядов. При этом под точечным зарядом понимают заряженное тело, размеры
которого малы по сравнению с расстояниями до других заряженных тел.
Рис. 12.1
Рассмотрим два одноименных точечных заряда qx и q2, положение которых в
пространстве о тся ра-
диус-векторами rf и г2 1рис. 12.1).
138
Пусть /^_2- сила, с которой заряд q2 действует на заряд qx, a i?2-\ ~
сила, действующая на заряд q2 со стороны заряда qx. Тщательные измерения,
проведенные Кулоном, Ампером и другими исследователями, показали, что
сила взаимодействия точечных зарядов пропорциональна величине этих
зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и
направлена вдоль прямой, соединяющей заряды. Этот закон называют законом
Кулона. Математически в системе СИ он может быть записан в виде:
Ч\'Я2
дТ ?г\= Ч2Ч]~ч? 2| = \f2 х\ = Ч2'Ч-~.
24 4я ЕоД3 1 1-21 1 2-11 471 ЕоД2
(12.1)
электрическая
47iEqR3
где R = r2-r\ - вектор, проведенный от заряда qx к заряду q2, R - его
модуль,
т.е. расстояние между зарядами; е0 = 8,85-Ю"12 Кл2-Н"' --------------
постоянная.
Легко заметить, что соотношения (12.1) справедливы для любых знаков
зарядов qx и q2.
Рассмотрим теперь систему, состоящую из N точечных зарядов qt (где /= 1,
2, 3, . . . , N), положение каждого из которых в пространстве задано
радиус-вектором г- (рис.
