Электрический заряд. Закон Кулона

Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие заряда в электродинамике является первичным, главным понятием. Электронный зарядэто физическая величина, характеризующая свойство частиц либо тел вступать в электрические силовые взаимодействия. Электронный заряд обычно обозначается знаками q либо Q. Совокупа всех узнаваемых экспериментальных фактов позволяет сделать последующие выводы:

  • Существует два рода электронных зарядов, условно нареченных положительными и отрицательными.
  • Заряды могут передаваться (к примеру, при конкретном контакте) от 1-го тела к другому. В отличие от массы тела электронный заряд не является неотъемлемой чертой данного тела. Одно и то же тело в различных критериях может иметь различный заряд.
  • Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципное отличие электрических сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

Одним из базовых законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электронного заряда. В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается неизменной:

q1 + q2 + q3 + … +qn = const.

  Закон сохранения электронного заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения либо исчезновения зарядов только 1-го знака. С современной точки зрения, носителями зарядов являются простые частички. Все обыденные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, негативно заряженные электроны и нейтральные частички – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электрическую оболочку атомов. Электронные заряды протона и электрона по модулю в точности схожи и равны простому заряду e.

e = 1,602177·10–19 Кл ≈ 1,6·10–19 Кл.

  В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число именуется атомным номером. Атом данного вещества может утратить один либо несколько электронов либо приобрести излишний электрон. В этих случаях нейтральный атом преобразуется в положительно либо негативно заряженный ион. Заряд может передаваться от 1-го тела к другому только порциями, содержащими целое число простых зарядов. Таким макаром, электронный заряд тела – дискретная величина:

 Электронный заряд. Закон Кулона

  Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, именуются квантованными. Простый заряд e является квантом (меньшей порцией) электронного заряда. Необходимо подчеркнуть, что в современной физике простых частиц подразумевается существование так именуемых кварков – частиц с дробным зарядом  Электронный заряд. Закон Кулона
и  Электронный заряд. Закон Кулона
Но, в свободном состоянии кварки до сего времени следить не удалось. В обыденных лабораторных опытах для обнаружения и измерения электронных зарядов употребляется электрометр – прибор, состоящий из железного стержня и стрелки, которая может крутиться вокруг горизонтальной оси (рис. 4.1.1). Стержень со стрелкой изолирован от железного корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электронные заряды 1-го знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электронного отталкивания вызывают поворот стрелки на некий угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.

Перенос заряда с заряженного тела 1
Набросок 4.1.1. Перенос заряда с заряженного тела на электрометр.

Электрометр является довольно грубым прибором; он не позволяет изучить силы взаимодействия зарядов. В первый раз закон взаимодействия недвижных зарядов был установлен французским физиком Ш. Кулоном (1785 г.). В собственных опытах Кулон определял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков при помощи сконструированного им прибора – крутильных весов (рис. 4.1.2), отличавшихся очень высочайшей чувствительностью. Так, к примеру, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка 10–9 Н. Мысль измерений основывалась на блестящей гипотезе Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится меж ними поровну. Таким макаром, был указан метод изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие меж шариками, размеры которых много меньше расстояния меж ними. Такие заряженные тела принято именовать точечными зарядами. Точечным зарядом именуют заряженное тело, размерами которого в критериях данной задачки можно пренебречь.

Прибор Кулона. 2
Набросок 4.1.2. Прибор Кулона.
Силы взаимодействия 3
Набросок 4.1.3. Силы взаимодействия одноименных и разноименных зарядов.

На основании бессчетных опытов Кулон установил последующий закон: Силы взаимодействия недвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и назад пропорциональны квадрату расстояния меж ними:

 Электронный заряд. Закон Кулона

  Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: Электронный заряд. Закон Кулона
Они являются силами отталкивания при схожих знаках зарядов и силами притяжения при различных знаках (рис. 4.1.3). Взаимодействие недвижных электронных зарядов именуют электростатическим либо кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, именуют электростатикой. Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Фактически закон Кулона отлично производится, если размеры заряженных тел много меньше расстояния меж ними. Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Интернациональной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл). Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (ампер) в СИ является вместе с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения. Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:

 Электронный заряд. Закон Кулона

где  Электронный заряд. Закон Кулона
электронная неизменная.  Опыт указывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции. Если заряженное тело ведет взаимодействие сразу 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. 4.1.4 объясняет принцип суперпозиции на примере электростатического взаимодействия 3-х заряженных тел.

Принцип суперпозиции электростатических сил 4
Набросок 4.1.4. Принцип суперпозиции электростатических сил  Электронный заряд. Закон Кулона
 Электронный заряд. Закон Кулона
 Электронный заряд. Закон Кулона