Общие положения электростатики. Закон Кулона

Электростатика изучает свойства и взаимодействие неподвижных зарядов. Фундаментальным свойством электрических зарядов является существование их в двух видах. Одни условно считаются положительными, другие – отрицательными.

Электричество имеет атомную (дискретную) структуру, то есть заряд любого тела , где N = 1, 2, 3,…- целое число, |е| =1,6.10^-19 Кл – элементарный заряд.

Носителем элементарного отрицательного заряда является электрон. Любое тело содержит огромное количество элементарных заряженных частиц (отрицательных – электронов, положительных – протонов). Все тела электрически нейтральны. Электризация основана на перераспределении зарядов. Заряды не исчезают и не появляются вновь. В этом состоит суть фундаментального закона природы – закона сохранения заряда.

Заряженные тела, размеры которых много меньше, чем расстояния до них, называются точечными зарядами. Заряженные тела взаимодействуют. Мера этого взаимодействия – сила – определяется экспериментально установленным законом Кулона: сила электрического взаимодействия между двумя точечными зарядами в вакууме прямо пропорциональна произведению величин зарядов Q₁ и Q₂ и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними

. (1)

Сила направлена по линии, соединяющей заряды (рисунок 1), поэтому в векторной форме закон Кулона запишется так

. (2)

 

Коэффициент k зависит от выбора системы единиц измерения величин, входящих в формулу (1).

В СИ , где e₀ = 8,85.10^-12 Ф/м – электрическая постоянная.

При или векторы и параллельны, что соответствует взаимному отталкиванию; при или векторы и антипараллельны, что соответствует взаимному притяжению. Если тела нельзя считать точечными, то для расчета силы взаимодействия их разбивают на элементы (записывают закон Кулона для каждой пары элементов) и векторно суммируют силы для каждой пары элементов.

 

.

В частности, для тел сферической формы с равномерно распределенными зарядами в результате такого суммирования получается формула (2).

Сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды, в которой находятся тела. Величина e, характеризующая электрические свойства среды, называется диэлектрической проницаемостью среды. С учетом свойств среды закон Кулона записывается в виде

. (3)