Физика. Теория. Методика. Задачи - Демков В.П.
Скачать (прямая ссылка):
системах отсчета, одинакова. Это означает, что величина заряда не зависит
от того, движется этот заряд или покоится.
Электрические заряды могут исчезать и появляться 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 ни протекали в системе. Это утверждение
называют законом сохранения заряда.
§12. Электростатика
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.
Закон Кулона
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
значение 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.
Рассмотрим два одноименных точечных заряда qx и q2, положение которых в
пространстве определяется радиус-векторами rj и 7^ (рис. 12.1).
Пусть Fx_2 - сила, с котодой заряд q2 действует на заряд qx, a F2_x -
сила,
351
действующая на заряд q2 со стороны заряда qv 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 вдаль прямой, соединяющей заряды. Этот закон называют законом
Кулона. Математически в системе СИ он может быть записан в виде
pf _ jt f Яг'Ях jt. , Яг'Ях
1-2 - - л rj3 2-1 " . _ "3 K' I 1-21 " I
2-11 " . _ r)2 '
4я Sq л 4tc 6q /v 4я Sq Л
47
An e0 R3 ¦' "J ' 1 '¦" 1 z~'' (12Л)
где я = r2 - - вектор, проведенный от заряда qx к заряду q2\ R - его
модуль, т.е. расстояние между зарядами; е0 = 8,85* 10"12 Кл^Н^ м'2 -
электрическая 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 i=
1,2,3,..., N), положение каждого из которых в пространстве задано радиус-
вектором /¦? (рис. 12.2). Опыт показывает, что сила, с которой заряд qt
действует на некоторый точечный заряд q, не зависит от присутствия других
зарядов: q<q &
z\ Я1
L \ /Fn
\ -> V
Г1 1 Y
4п е0 Я •
(12.2)
где ftt =~r-~rt - вектор, соединяющий заряд q, с зарядом q; /?, - его
модуль.
Очевидно, что результирующая сила F, с которой система зарядов qt
действует на заряд q, равна векторной сумме сил F,, действующих на этот
заряд со стороны каждого из зарядов системы:
Мъ
( = 1
(12.3)
Это утверждение называют принципом суперпозиции сил. Свойство
суперпозиции используется в электростатике при рассмотрении
взаимодействия заряженных тел, которые нельзя считать точечными.
Электрическое поле При исследовании взаимодействия электрических зарядов
закономерно возникают вопросы, почему появляются силы, действующие на
заряды и как они передаются от одного заряда к другому? В процессе
развития физики существовало два подхода к ответу на эти вопросы.
Первоначально предполагалось, что заряженным телам присуще свойство
действовать на другие заряды на расстоянии без участия промежуточных тел
352*
или среды, и при наличии только одного заряда никаких изменений в
окружающем пространстве не происходит (теория дальнодействия). Несколько
позже появилась вторая точка зрения - силовые взаимодействия между
разобщенными телами могут передаваться только при наличии некоторой
среды, окружающей эти тела, последовательно от одной части этой среды к
другой, и с конечной скоростью; наличие даже одного заряда в окружающем
пространстве приводит к определенным его изменениям (теория
блнзкодействия).
В настоящее время физика сохраняет только теорию блнзкодействия. При этом
для понимания происхождения и передачи силового взаимодействия необходимо
