Электрический заряд. Свойства электрического заряда. Закон сохранения электрического заряда

О. Г. Бобрович, В. В. Тульев

ФИЗИКА

В 5-ти частях Часть 2

ЭЛЕКТРОСТАТИКА. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Тексты лекций по дисциплине «Физика»

для студентов специальности 1-48 01 02 «Химическая технология органических веществ, материалов и изделий»

Минск 2011

УДК [537.2+537.3](075.8) ББК 22.33я73

Б72

Рассмотрены и рекомендованы к изданию редакционно-издатель-ским советом университета

Рецензенты:

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой экспериментальной физики БГПУ им. Максима Танка

И. С. Ташлыков;

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической механики БНТУ А. В. Чигарев

Бобрович, О. Г.

Б72 Физика. В 5 ч. Ч. 2. Электростатика. Постоянный электриче-ский ток: тексты лекций по дисциплине «Физика» для студентов специальности 1-48 01 02 «Химическая технология органических веществ, материалов и изделий» / О. Г. Бобрович, В. В. Тульев. −

Минск: БГТУ, 2011. – 93 c.

В пособии кратко изложен материал лекций по разделам «Электроста-тика» и «Постоянный электрический ток» для студентов специальности 1-48 01 02 «Химическая технология органических веществ, материалов и изделий» дневной формы обучения.

Пособие предназначено для организации самостоятельной и аудитор-ной работы на лекционных, практических и лабораторных занятиях по дис-циплине «Физика».

УДК [537.2+537.3](075.8) ББК 22.33я73

Тема 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ

Лекция № 1

1.1.Электрический заряд. Свойства электрического заряда. Закон со-хранения электрического заряда.

1.2. Закон Кулона.

1.3. Электростатическое поле. Напряженность электростатиче-ского поля. Силовые линии. Принцип суперпозиции электростатиче-ских полей.

Электрический заряд. Свойства электрического заряда. Закон сохранения электрического заряда.

Электрический заряд –это физическая величина,являющаяся ко-личественной мерой электромагнитных взаимодействий.

Единица измерения электрического заряда в системе СИ [ q ] =

= 1 Кл (кулон).

Электрические заряды обладают следующими свойствами:

1. Существуют только два вида заряда: отрицательные и поло-

жительные.

Опыты, проведенные еще в самом начале XVIII в., показали, что электризация бывает двух и только двух родов: электризация, совпадающая по качеству с электризацией стекла, потертого о кожу (называется положительной), и электризация, совпадающая по ка-честву с электризацией кожи, потертой стеклом (называется отри-

цательной).

2. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные заряды

притягиваются.

3. Существует элементарный заряд e = 1,6 · 10^–19 Кл. Носителями элементарных зарядов являются электроны (– е) и протоны (+ е). У лю-бого заряженного тела заряд по величине не может быть меньше эле-ментарного.

4. Электрический заряд дискретен, т. е. электрический заряд лю-бого тела состоит из целого числа положительных и отрицательных элементарных зарядов:

q = N ₊ e + N _– e, (1.1.1)

где N ₊ и N _– – целые числа, равные соответственно количеству положи-тельных и отрицательных элементарных зарядов. Это свойство опыт-ным путем доказал американский физик Роберт Милликен.

5. Электрический заряд инвариантен, т. е. значение электрическо-го заряда не зависит от скорости его движения. Так как скорость дви-жения зависит от выбора системы отсчета, то можно сказать: значение электрического заряда не изменяется при переходе от одной инерци-альной системы отсчета к другой.

Из обобщения опытных данных был установлен фундаменталь-ный закон природы – закон сохранения заряда: заряды не создаются и не пропадают, они могут лишь перемещаться внутри тела или от од-ного тела к другому. Другая формулировка закона сохранения заряда: алгебраическая сумма зарядов тел и частиц, образующих электриче-ски изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе:

n

q ₁ q ₂ q ₃... q_nq_i const. (1.1.2)

i 1

Под электрически изолированной системой понимают такую сис-

тему, из которой не забирают и в которую не вносят электрические заряды.

Под точечными зарядами подразумеваются такие заряженные тела, размеры которых малы по сравнению с расстоянием между ними. Если заряженное тело нельзя назвать точечным, то вводят понятие распределенного заряда. Для характеристики распределен-ного заряда используют следующие величины:

– если заряд распределен по объему V тела, то для его характери-стики используют объемную плотность заряда:

dq dq dV qdV. (1.1.3)

dV

V

Единица измерения объемной плотности заряда в системе СИ

[ ] = 1 Кл/м³;

– если заряд распределен по поверхности тела площадью S, то для его характеристики используют поверхностную плотность заряда:

dq dq dS qdS. (1.1.4)

dS

S

Единица измерения поверхностной плотности заряда в системе СИ

[ ] = 1 Кл/м²;

– если заряд распределен по длине l тела, то для его характери-стики используют линейную плотность заряда:

dq dq dl qdl. (1.1.5)

dl

l

Единица измерения линейной плотности заряда в системе СИ

[ ] = 1 Кл/м.

Закон Кулона.

Опыты показали, что взаимодействие заряженных тел зависит от их формы и размеров. Поэтому для установления закона взаимо-действия между заряженными телами сначала рассматривают то-чечные заряды.

Закон взаимодействия двух точечных зарядов был эксперимен-тально установлен французским физиком Шарлем Огюстеном Ку-лоном в 1785 г. на основании измерений, произведенных с помо-щью крутильных весов.

В результате своих опытов Ш. Кулон пришел к выводу, что сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов про-порциональна величине каждого из зарядов и обратно пропорцио-нальна квадрату расстояния между ними. Направление силы сов-падает с прямой, соединяющей взаимодействующие заряды

(рис. 1.2.1).

	^F 21
^F 12
q 1	q 2

Рис. 1.2.1

Закон Кулона определяется формулой

(1.2.1)

4 ₀

_r 2

где ₀ = 8,85 · 10^–12 Ф/ м – электрическая постоянная; | q ₁|, | q ₂| – модули точечных зарядов; r – расстояние между ними.

В векторном виде закон Кулона определяется формулой

q q

1 2

или

1 2

(1.2.2)

4 ₀

r ³

4 ₀

_r 3

– радиусы-векторы, соединяющие заряды 2 и 1 или 1 и 2

где r ₁₂

и r ₂₁

(рис. 1.2.2).

^r 21	F

q 1	q 2
	^r 12
F

q 1	q 2

Рис. 1.2.2

Закон Кулона справедлив также для заряженных тел сферической формы, заряды которых распределены равномерно по объему или по поверхности этих тел.