Электростатика представляет раздел электричества в физике, изучающий взаимодействие электрических неподвижных зарядов. Такое название было получено от слова «янтарь» в переводе с греческого, поскольку при трении янтарь начинает электризоваться и притягивать к себе мелкие предметы.
Электростатические явления возникают как результат взаимодействия электрических зарядов между собой. Силу такого взаимодействия описывает закон Кулона. Несмотря на то, что электростатические силы могут казаться достаточно слабыми, некоторые из них оказываются намного порядков больше, чем гравитационная сила, действующая между ними (как например, сила взаимодействия электрона и протона).
Существует большое число примеров электростатических явлений, как например, - простое притяжение к шерстяному свитеру воздушного шара или притяжение бумаги в лазерных принтерах, спонтанное возгорание зернохранилища, спровоцированное электризацией зерна.
Взаимодействие зарядов
В конце 16 в. английский врач Уильям Гильберт дал название телам, способным после натирания притягивать к себе легкие предметы. Они стали называться наэлектризованными.
В 1729 г., согласно экспериментальным выводам Шарля Дюфе, существует два рода зарядов. Один из таких зарядов формируется в момент трения стекла о шелк, а другой – при трении смолы о шерсть. Поэтому Дюфе дал названия – «стеклянные» и «шерстяные» соответственно. Понятие об отрицательном и положительном заряде введено Бенджамином Франклином.
В начале 20 в., благодаря американскому физику Р. Милликену, опытным путем была продемонстрирована дискретность электрического заряда. Таким образом, заряд любого тела в действительности составляет целое кратное от элементарного электрозаряда.
Электрический заряд характеризуется количеством электричества, представляя собой физическую скалярную величину, определяющую способность тел являться источником электромагнитных полей и участвовать в электромагнитном взаимодействии. Впервые понятие «электрический заряд» ввел физик Ш. Кулон в результате серии опытов в 1785 г.
Наиболее простым и повседневным явлением, в котором обнаруживается сам факт существования электрических зарядов в природе, считается электризация тел в момент соприкосновения.
Способность электрических зарядов не только к взаимному притяжению, но и к взаимному отталкиванию, можно объяснить существованием двух разных видов зарядов. Один вид электрического заряда считается при этом положительным, а второй будет отрицательным.
Разноименно заряженные тела способны притягиваться, а одноименно заряженные – отталкиваться друг от друга.
В момент соприкосновения двух электрически нейтральных тел вследствие трения, заряды переходят от одного тела к другому. В каждом из них при этом нарушается равенство суммы отрицательных и положительных зарядов, а тела заряжаются разноименно.
В процессе электризации тела через воздействие в нем нарушается равномерное распределение зарядов. Они перераспределяются таким образом, что в одной части тела возникает избыток отрицательных зарядов, а в другой – положительных. При разъединении двух этих частей они будут заряжаться разноименно.
Закон Кулона
Силу взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов выражает закон Ш. Кулона. Он открыт в 1785 г. Проведение большого количества опытов с металлическими шариками позволило Кулону сформулировать закон: модуль силы взаимодействия в вакууме двух точечных зарядов оказывается прямо пропорциональным произведению модулей таких зарядов и обратно пропорциональным квадрату расстояния между ними.
В современной формулировке этот закон описан так: сила взаимодействия в вакууме двух точечных зарядов направлена вдоль прямой, их соединяющей, она также пропорциональна величинам зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Эта сила называется силой притяжения (когда знаки зарядов разные) и силой отталкивания (когда эти знаки одинаковые). Для эффективности закона, требуются следующие условия:
- Расстояние между заряженными телами (точечность зарядов) должна значительно превышать их размеры.
- Заряды должны быть неподвижными (иначе в силу вступают дополнительные эффекты, такие как: магнитное поле движущихся зарядов и дополнительная сила Лоренца, которая соответствует данному полю и воздействует на другой движущийся заряд.
- Расположение зарядов в вакуумном пространстве. При некоторых корректировках закон справедлив и для взаимодействий зарядов в среде, а также в отношении движущихся зарядов. В векторном виде закон в формулировке Кулона записывается такой формулой:
Рисунок 1. Закон Кулона. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Закон Кулона в квантовой механике, в отличие от классической, формулируется не за счет понятия силы, а с помощью такого понятия, как потенциальная энергия кулоновского взаимодействия.
В случае, если система, рассматриваемая в квантовой механике, содержит электрически заряженные частицы, к оператору Гамильтона системы добавляются те слагаемые, которые характеризуют потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Данное утверждение не следует из остальных аксиом в квантовой механике. Оно получено посредством обобщения опытных данных. Оператор Гамильтона атома с зарядом ядра характеризуется формулой:
Рисунок 2. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Принцип суперпозиции полей
Визуализация электрического поля упрощается за счет полевых (силовых) линий. Начинаются силовые линии на положительном заряде, а на отрицательном заканчиваются.
Векторы напряженности поля являются касательными к линиям напряженности, при этом плотность линий представляет меру величины поля. Таким образом, чем плотнее силовые линии, тем сильнее будет поле в исследуемой области пространства.
В случае, если несколько точечных зарядов создают поле, то на пробный заряд воздействует со стороны заряда определенная сила (такая, как если бы отсутствовали другие заряды). Результирующая сила определяется таким такой формулой:
Рисунок 3. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
