Электрический заряд и закон Кулона

Заряд и электризация

Электрические взаимодействия проявляются между частицами и телами, обладающими зарядом. Электрический заряд — скалярная физическая величина, определяющая способность частицы или тела участвовать в электромагнитном взаимодействии. Заряды бывают положительными и отрицательными; одноимённые отталкиваются, разноимённые притягиваются.

Единица заряда — кулон. Заряд любого изолированного тела изменяется порциями элементарного заряда $e\approx 1,60\cdot 10^{-19}\text{Кл}$, поэтому $q=Ne$, где $N$ — целое число с учётом знака. Электризация не создаёт заряд из ничего: электроны переходят между телами или перераспределяются внутри них.

У пары положительных зарядов стрелки направлены друг от друга, у разноимённых зарядов — навстречу.

Сохранение и распределение заряда

В электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов постоянна:

Это ещё один пример закона сохранения, но сохраняется здесь скалярная величина. В проводнике свободные носители способны перемещаться по всему телу, а в диэлектрике заряды связаны около своих положений. В электростатическом равновесии избыточный заряд проводника располагается на поверхности.

Электростатическая индукция позволяет зарядить или притянуть проводник без непосредственного касания: внешнее заряженное тело разделяет свободные заряды проводника. Поляризация диэлектрика слегка смещает связанные положительные и отрицательные заряды, поэтому нейтральный диэлектрик тоже может притягиваться к заряженному телу.

Электроскоп обнаруживает заряд по расхождению лёгких листочков: после переноса заряда они получают одноимённые заряды и отталкиваются. При поднесении заряженного тела без касания листочки тоже могут разойтись из-за перераспределения зарядов, хотя суммарный заряд прибора не изменился. Чтобы сообщить заряд индукцией, нужно дополнительно обменять его с Землёй через заземление и разъединить проводники в подходящей последовательности.

Закон Кулона

Закон Кулона: сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

В вакууме $k=1/(4\pi {\epsilon }_0)\approx 9,0\cdot 10^9\text{Н}\cdot {\text{м}}^2/{\text{Кл}}^2$. Сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряды. В однородной среде она уменьшается в $\epsilon$ раз: $F=k|q_1{q}_2|/(\epsilon r^2)$.

Закон применим к точечным зарядам и сферически симметричным распределениям вне сферы. Для нескольких зарядов силы складывают по правилам векторов; каждую пару рассчитывают независимо, а затем находят равнодействующую.

Пример взаимодействия

Два заряда $2\text{нКл}$ и $-3\text{нКл}$ находятся в вакууме на расстоянии $0,10\text{м}$. Модуль силы равен:

Заряды имеют разные знаки, поэтому силы направлены навстречу друг другу. По третьему закону Ньютона они равны по модулю и приложены к разным телам. Если расстояние увеличить вдвое, сила уменьшится в четыре раза.