Электростатика — раздел учения об электричестве, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов.
История
Существование электростатических взаимодействий уже было известно в глубокой древности. Двадцать шесть веков назад, греческий философ и математик Фалес из Милета ($620$-$540$ г. до н.э.) заметил, что на ткань, которой протирают янтарь, притягивается древесная щепка. Название электричества происходит от греческого слова ήλεκτρον, что означает янтарь.
Электростатические явления возникают из-за сил, которые электрические заряды оказывают друг на друга. Такие силы описываются законом Кулона. Электростатика предполагает накопление заряда на поверхности объектов из-за контакта с другими поверхностями.
Статическое электричество
Все тела состоят из большого количества строительных блоков - атомов и молекул. Молекулы в свою очередь, состоят из двух или более атомов. Каждый атом имеет положительно заряженное ядро, вокруг которого перемещаются отрицательно заряженные электроны.
Атомы можно рассматривать в качестве носителей электрических зарядов. Атомы, как правило, электрически нейтральны.
Статическое электричество представляет собой совокупность явлений, связанных с появлением несбалансированного электрического заряда на материалах с низкой электропроводностью (диэлектрики, изоляционные материалы) или на проводящих объектах (например, человеческое тело).
Когда различные материалы собраны вместе и затем разделены, происходит накопление электрического заряда, поэтому один материал становится положительно заряженным, а другой становится отрицательно заряженным. Небольшой «удар», который можно получить при прикосновении к заземленному объекту после хождения по ковру является примером избыточного электрического заряда, который накопился в теле от фрикционного заряда между обувью и ковром. Полученный заряд на теле может генерировать сильный электрический разряд. Несмотря на это, эксперименты со статическим электричеством могут быть интересны, подобные искры создают серьезные опасности в тех отраслях, которые связанны с горючими веществами, где небольшая электрическая искра может воспламенить взрывоопасную смесь и в дальнейшем будут катастрофические последствия.
Закон Кулона
Самым важным законом электростатики является закон Кулона, описывающий взаимодействие двух электрических зарядов $Q_1$и $Q_2$:
$F=k_e qQ/r^2$
Это говорит о том, что сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между их центрами. Этот закон был опубликован в $1785$ году, Чарльзом Кулоном.
Электрическое поле
Электрические силовые линии полезны для визуализации электрического поля. Линии поля начинаются c положительного заряда и заканчиваются на отрицательном заряде. Электрические силовые линии параллельны направлению электрического поля, а плотность этих силовых линий является мерой величины электрического поля в любой заданной точке. Электрическое поле $\vec{E}$ является векторным полем, которое может быть определено всюду, за исключением того места, где находятся точечные заряды (где оно расходится до бесконечности).
Согласно закону Кулона, этот пробный заряд будет испытывать силу, которая может быть использована для определения электрического поля: $\vec{F} = q\cdot \vec{E} ⃗$
Закон Гаусса
Закон Гаусса утверждает, что
«полный электрический поток через любую замкнутую поверхность в свободном пространстве любой формы, проведенный в электрическом поле пропорционален общему электрическому заряду, который находится в данной области».
Математически, закон Гаусса принимает вид интегрального уравнения: $∮\vec{E} \cdot d\vec{A} = ∫_Vρ/ε_0 \cdot d^3 r$
