Электростатика является разделом физики, направленным непосредственно на изучение свойств и взаимодействий неподвижных (относительно инерциальной системы отсчета) электрически заряженных тел (частиц), обладающих электрическим зарядом.
Электрический заряд представляет собой физическую величину, характеризующую свойство тел (частиц) к вхождению в электромагнитные взаимодействия, и определяющую значения сил и энергий при подобных взаимодействиях. В Международной СЕ в качестве единицы измерения электрического заряда выступает кулон (Кл).
Различают несколько видов электрических зарядов:
- положительные;
- отрицательные.
Тело представляет собой электрически нейтральное в случае равенства суммарного заряда отрицательно заряженных частиц в составе тела и суммарного заряда положительно заряженных частиц. В качестве стабильных носителей электрических зарядов выступают элементарные частицы и также античастицы, а носителями положительного заряда выступают позитрон и протон (отрицательного – антипротон и электрон).
Закон Кулона
Закон Кулона считается в физике основным законом электростатики, определяющим величину и направление силы взаимодействия между двумя точечными неподвижными зарядами.
Под точечным зарядом понимается заряженное тело, чей размер многократно меньше расстояния его возможного влияния на остальные тела. В таких условиях ни размеры, ни форма заряженных тел оказываются практически неспособными повлиять на взаимодействия между ними.
Рисунок 1. Закон Кулон. аАвтор24 — интернет-биржа студенческих работ
Впервые закон Кулона экспериментально был доказан в 1773 г. Кавендишем, использовавшим с этой целью сферический конденсатор. Ученому удалось показать факт отсутствия внутри заряженной сферы электрического поля. Это, в свою очередь, означало изменение силы электростатического взаимодействия в обратной пропорциональности квадрату расстояния, при этом результаты исследований Кавендиша так и не были опубликованы.
В 1785 г. Ш. Кулоном был установлен закон (благодаря специальным весам). Опыты этого ученого способствовали установлению закона, поразительно напоминающего закон всемирного тяготения. Сила взаимодействия в вакууме двух точечных неподвижных заряженных тел оказывается прямо пропорциональной произведению модулей заряда и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Закон сохранения электрического заряда
Согласно принципам закона сохранения электрического заряда, алгебраическая сумма электрических зарядов каждой частицы из изолированной системы останется неизменной, несмотря на происходящие в ней процессы.
Электрический заряд абсолютно любой частицы (системы частиц) считается целым кратным элементарному электрическому заряду (по величине равному заряду электрона) или приобретает нулевое значение.
Рисунок 2. Закон сохранения электрического заряда. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В качестве одного из подтверждений закона по сохранению электрического заряда выступает строгое равенство электрических зарядов (по абсолютной величине) электрона и протона. Исследование движения атомов (молекул), а также микроскопических тел в электрических полях только подтверждает электрическую нейтральность вещества и непосредственно равенство зарядов протона и электрона.
Закон сохранения заряда также подтверждают и простые опыты с электризацией тел. Так, если закрепить на стержне электрометра металлический диск, положить на него прослойку из сукна и поставить сверху такой же диск, с ручкой из диэлектрика, можно наблюдать следующий результат. При совершении нескольких движений верхним диском по изоляционной прослойке можно заметить, что стрелка электрометра отклоняется, свидетельствуя таким образом о появлении на сукне и диске, соприкасающимся с ним, электрического заряда.
Если прикоснуться потом вторым диском (потертым о сукно) к стержню второго электрометра, можно наблюдать отклонение стрелки электрометра приблизительно на такой же угол, что и стрелка первого электрометра. Это будет означать, что при электризации каждый диск получил равный по модулю заряд. Если далее соединить электрометры металлическим стержнем, то можно увидеть, как стрелки приборов каются вниз. Нейтрализация зарядов стала свидетельством того, что они были равными по модулю, но противоположными по знаку (и поэтому в сумме давали нулевое значение).
Закон сохранения заряда в 1750 г. установил Б. Франклин. Им же было введено понятие об отрицательных и положительных зарядах.
Элементарные частицы могут рождаться и исчезать, претерпевая различные превращения. При этом возникновение и исчезновение элементарных частиц происходит всегда парным образом (парами с противоположными зарядами). Согласно многочисленным наблюдениям превращений элементарных частиц, закон сохранения заряда постоянно находит свое подтверждение. Таким образом, он служит выражением одного из фундаментальных свойств электрического заряда.
Существование двух родов электрических зарядов
В 1733 г. ученый из Франции Ш. Дюфе установил факт существования электрических зарядов в двух родах: стеклянном и смоляном. Разноименные заряды склонны к притяжению, а одноименные – к отталкиванию.
Так, согласно опытам, смоляное электричество возникало на янтаре, а стеклянное – на поверхности стекла, драгоценных камней, шерсти животных. В 1747 г. ученый Б. Франклин предложил называть «положительным» стеклянное электричество, обозначая его знаком «+» (плюс), а смоляное – отрицательным (знак «минус»).
В момент соприкосновения электризоваться всегда будут оба тела. Это можно проследить на некоторых примерах:
- в паре эбонит + мех электризация эбонита будет отрицательной, а меха – положительной;
- если взять пару металл + шерсть, то отрицательно заряженным окажется металл, а мех- положительно заряженным;
- в паре металл + каучук наблюдается положительная электризация металла, а каучук – отрицательно электризуется. Главными носителями положительных зарядов оказываются протоны, а отрицательных – электроны.
