Закон сохранения электрического заряда

Электрическое поле

Давно известны экспериментальные факты, указывающие на особый вид взаимодействия между телами, обладающими особыми свойствами. Во-первых, такие тела взаимодействуют как с силами притяжения, так и с силами отталкивания, во-вторых, величина силы взаимодействия убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между центрами взаимодействующих тел. Особое свойство, определяющее такой характер взаимодействия было названо электрическим зарядом (обозначается буквой q)— это свойство тел (количественно характеризуемое физической величиной того же названия), проявляющееся прежде всего в способности создавать вокруг себя электрическое поле и посредством него оказывать воздействие на другие заряженные (то есть обладающие электрическим зарядом) тела. Электрические заряды разделяют на положительные и отрицательные (выбор, какой именно заряд назвать положительным, а какой отрицательным, считается в науке чисто условным, однако этот выбор уже исторически сделан и теперь — хоть и условно — за каждым из зарядов закреплен вполне определенный знак). Тела, заряженные зарядом одного знака, отталкиваются, а противоположно заряженные — притягиваются. При движении заряженных тел (как макроскопических тел, так и микроскопических заряженных частиц, переносящих электрический ток в проводниках) возникает магнитное поле и имеют, таким образом, место явления, позволяющие установить родство электричества и магнетизма (электромагнетизм) (Эрстед, Фарадей, Максвелл). В структуре материи электрический заряд как свойство тел восходит к заряженным элементарным частицам, например, электрон имеет отрицательный заряд, а протон и позитрон — положительный.

Наиболее общая фундаментальная наука, имеющая предметом электрические заряды, их взаимодействие и поля, ими порождаемые и действующие на них — это электродинамика.

Закон сохранения электрического заряда

В замкнутой системе при любых взаимодействиях тел алгебраическая сумма электрических зарядов всех тел остается постоянной:

q₁ + q₂ + … + q_n = const.

Для удобства описания взаимодействия было введено понятие электрического поля – особого вида материи, по средствам которого взаимодействуют заряды. Сила взаимодействия зарядов определяется экспериментальным законом Кулона.

Закон Кулона, 1785г. (Шарль Кулон (1736-1806))

Сила взаимодействия точечных зарядов прямо пропорциональна произведению их модулей, обратно пропорциональна расстоянию между ними и направлена вдоль линии, соединяющей центры зарядов: , где k = 9∙10⁹ м/Ф; ε₀ = 8,85∙10^-12 Ф/м – электрическая постоянная, q₁ и q₂ – величины взаимодействующих зарядов, r – расстояние между зарядами.

Единица электрического заряда 1 Кл (Кулон) – заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.

Теория близкодействия, созданная на основе работ Майкла Фарадея (1791 - 1867), объясняет взаимодействие электрических зарядов тем, что вокруг каждого заряда существует электрическое поле – это особый вид материи посредствам которого взаимодействуют заряды.

Напряженность электрического поля ( векторная величина) – это величина, численно равная силе, действующей со стороны поля на единичный пробный точечный заряд. , для точечного заряда .

Принцип суперпозиции: если в данной точке пространства

различные заряженные частицы создают электрические поля с

напряженностями Е₁, Е₂ и т.д., то вектор напряженности

электрического поля равен сумме векторов напряженностей

всех электрических полей (правила сложения векторов).

 

Графически электрическое поле можно показать с помощью силовой линии – линии, касательной к которой в каждой точке является вектор E. Линии напряженности эл. Поля начинаюся на положительных зарядах и кончаются на отрицательных или уходят в бесконечность.

Напряженность поля в каждой точке пропорциональна величине заряда, создающего поле, поэтому, чем больше заряд, тем гуще силовые линии.

При равномерном распределении эл. заряда по поверхности площади поверхностная плотность заряда равна .

Работа при перемещении эл. заряда в эл. поле.

Если перемещение заряда просходило по линии напряженности поля на

расстояние ∆d = d₁ – d₂, то работа равна:

Как и в механике, при перемещении заряда в эл. поле из одной точки в другую

работа сил эл поля не зависит от формы траектории. Работа сил эл. поля при

движении эл заряда по любой замкнутой траектории равна нулю.

Потенциал – это физ. величина, численно равная потенциальной энергии пробного единичного положительного точечного заряда в электрическом поле , для точечного заряда .

Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле равна .

 

Разность потенциалов (или иначе напряжение) - это разность потенциалов в начальной и конечной точках траектории заряда.

Напряжение между двумя точками (U) равно разности потенциалов этих точек и равно работе поля по перемещению единичного заряда.