3.1. Электрический заряд

Электрические заряды бывают двух типов; один из них условно назван положительным, а второй – отрицательным. Опыт показывает, что тела, имеющие электрические заряды одного знака, отталкиваются, а разноименно заряженные тела – притягиваются. Сила взаимодействия между точечными, а также сферически симметричными заряженными телами определяется законом Кулона:
  
Здесь ε0 – электрическая постоянная, равная ε0 = 8,854·10–12 Кл2/(Н·м2).

Одним из фундаментальных законов природы является закон сохранения электрического заряда. В изолированной системе сумма всех зарядов – постоянная величина:
 q1 + q2 + q3 + … + qn = const. 

 

Каждое заряженное тело создает вокруг себя в окружающем пространстве электрическое поле. Электрическое поле оказывает силовое действие на другие заряженные тела. Основной характеристикой электрического поля является напряженность, равная электрической силе, действующей на единичный положительный заряд:
  
Для напряженностей полей от нескольких зарядов справедлив принцип суперпозиции:
  

Напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом q, равна Напряженность поля заряженной бесконечной плоскости с поверхностной плотностью заряда σ:

 

Важной характеристикой электрического поля является потенциал. Потенциал поля в данной точке определяется как работа, которую совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда из этой точки в некоторую фиксированную (опорную) точку. Обычно потенциал определяют относительно бесконечно удаленной точки. В электротехнике часто бывает удобнее определять потенциал относительно Земли. Потенциал – скалярная величина. Возможность введения понятия потенциала обусловлена тем, что работа электрического поля не зависит от траектории перемещения заряда, а зависит только от положения начальной и конечной точек. Таким же свойством обладает гравитационное поле. Силовые поля, обладающие этим свойством, называются консервативными.

Потенциал поля, создаваемого точечным зарядом q, на расстоянии r от заряда равен При r → ∞ φ → 0.

Потенциал определен с точностью до постоянной. Физическое значение имеет разность потенциалов, называемая напряжением U. Напряжение электрического поля измеряется в вольтах (В).

Для наглядного представления электрического поля используют силовые линии. Направление касательной к силовой линии в каждой точке пространства совпадает с направлением напряженности электрического поля в этой точке.

Рисунок 3.1.2.
Силовые линии электрических полей, созданных положительными и отрицательными зарядами. Синими линиями изображены эквипотенциальные поверхности электрического поля.

В проводнике, помещенном в электрическое поле, происходит разделение положительных и отрицательных зарядов. Свободные заряды перераспределяются внутри проводника таким образом, что суммарное электрическое поле внутри него становится равным нулю (это явление называется электростатической индукцией). В диэлектриках нет свободных зарядов, способных перемещаться по всему объему тела. При внесении диэлектрика в электрическое поле в нем могут происходить поляризационные процессы двух типов:

В обоих случаях на поверхности диэлектрических образцов появляются избыточные положительные и отрицательные заряды, электрическое поле которых частично компенсирует внешнее поле. Рис 3.1.4 иллюстрирует процесс поляризации диэлектрика, в молекулах которого положительные и отрицательные заряды расположены несимметрично (например, молекула H+Cl). Такие молекулы являются электрическими диполями. Диэлектрическая проницаемость вещества ε показывает, во сколько раз уменьшается в нем внешнее электрическое поле E0:
  

Рисунок 3.1.3.
Электростатическая индукция в проводнике.
Рисунок 3.1.4.
Поляризация диэлектрика с дипольными молекулами.
Вперед


© Интерактивная физика.




Использованы материалы сайта www.physics.ru