Частина I НАВЧАЛЬНИЙ ДОВІДНИК — З ПРИКЛАДАМИ ТА ЗАВДАННЯМИ

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

1. ОСНОВИ ЕЛЕКТРОСТАТИКИ

1.1. ЕЛЕКТРИЧНИЙ ЗАРЯД. ЗАКОН КУЛОНА

1.1.1. ЕЛЕКТРИЧНИЙ ЗАРЯД. ВЛАСТИВОСТІ ЕЛЕКТРИЧНОГО ЗАРЯДУ

Електричний заряд q — фізична величина, яка характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітну взаємодію.

♦ Одиниця електричного заряду в СІ — кулон (Кл):

[q] = Кл.

1 кулон — це заряд, який проходить через поперечний переріз провідника за 1 с, якщо сила струму в провіднику 1 А:

1 Кл = 1 А ∙ с.

Основні властивості електричного заряду:

1) Існують два роди електричних зарядів — позитивні та негативні. Електричний заряд такого роду, як заряд, отриманий на ебонітовій паличці, потертій об вовну, прийнято за негативний; а такого роду, як заряд, отриманий на скляній паличці, потертій об папір, — за позитивний.

2) Тіла, які мають заряди одного знака, відштовхуються; тіла, які мають заряди протилежних знаків, притягуються.

3) Носієм електричного заряду є частинка — електричного заряду без частинки не існує.

4) Електричний заряд є дискретним, тобто електричний заряд будь-якого зарядженого тіла дорівнює цілому числу найменших (елементарних) зарядів е :

q = Ne.

Носієм елементарного негативного заряду є електрон: q _ел = -е = -1,6 ∙ 10^-19Кл. Носієм елементарного позитивного заряду є протон:

q_пр = e = 1,6 ∙ 10^-19 Кл.

Перше досить точне вимірювання значення елементарного заряду здійснив американський фізик Роберт Міллікен під час дослідів 1906- 1916 рр. Він вивчав рух дрібних крапельок олії в електричному полі.

Прилад для виявлення та якісного оцінювання електричного заряду називають електроскопом (рис. 1.1, а).

♦ Будова та принцип дії електроскопа. Коли до кондуктора 1 торкаються досліджуваним зарядженим тілом, то частина заряду тіла по металевому стрижню 2 переходить на смужки 3. Однойменно заряджені тіла відштовхуються, тому кінці смужок розходяться. Коли електроскоп незаряджений, то смужки розташовані вертикально.

Якщо смужки електроскопа замінити легкою металевою стрілкою, а на корпусі розмістити шкалу, то отримаємо прилад, який називають електрометром (рис. 1.1, б).

Рис. 1.1

Закон збереження заряду: алгебраїчна сума зарядів усіх тіл ізольованої системи залишається незмінною за будь-яких процесів чи явищ усередині системи:

q₁ + q₂ +... + q_n= const

або

q₀₁ + q₀₂ +...+q_0n = q₁ + q₂ + ... + q_n.

1.1.2. ВЗАЄМОДІЯ ЗАРЯДІВ. ЗАКОН КУЛОНА

Електричні заряди називають точковими, якщо розподілені на тілах, лінійні розміри яких значно менші, ніж будь-які інші розміри в даній задачі.

Закон Кулона: модуль сили електростатичної взаємодії між двома точковими зарядами q₁, і q₂, які містяться у вакуумі, прямо пропорційний добутку модулів їхніх зарядів і обернено пропорційний квадрату відстані r між ними (рис. 1.2).

Рис. 1.2

F = k ∙ , = -.

Коефіцієнт пропорційності в законі Кулона (k) — величина, яка чисельно дорівнює силі взаємодії двох точкових зарядів по 1 Кл кожний, що розташовані на відстані 1 м один від одного у вакуумі:

k = 9 ∙ 10⁹

♦ У діелектриках сила взаємодії зменшується в є разів:

F = k ∙ ,

де — діелектрична проникність середовища. У теорії електрики k замінюється на k = , де ₀ = 8,85 ∙ 10^-12 — електрична стала.