Взаимодействие зарядов. Закон Кулона

• Взаимодействие зарядов - основа всей электродинамики, а именно электростатики. Знание этих законов необходимо не только для решения простых заданий первой части, но и для дальнейшего понимания других тем электричества и магнетизма. 

Прежде давай разберемся с тем, что такое заряд и какими свойствами он обладает.

Электрический заряд q – скалярная характеристика тела, которая обладает следующими свойствами:

• Заряд бывает положительным и отрицательным;

• В природе количество положительных и отрицательных зарядов одинаково;

• Единицей измерений заряда в СИ является Кулон [Кл];

• Минимальный модуль заряда: элементарный заряд e=1,610-19 Кл. Заряд протона положительный и равен элементарному заряду, заряд электрона отрицательный и по модулю равен элементарному заряду. Элементарный заряд - это минимально возможный заряд, все заряды как из кирпичиков строятся из таких зарядов.

После обнаружения электрического взаимодействия зарядов, физики заметили, что помимо притяжения зарядов, существует отталкивание. Два вида взаимодействия удобно описывать, вводя положительные и отрицательные заряды.

Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, а одного знака –  отталкиваются. Взгляните на рисунок, чтобы убедиться в этом. 

Взаимодействие неподвижных зарядов называется электростатическим. Оно наиболее просто для изучения, поэтому разбирать раздел электродинамики обычно начинают  как раз с электростатики. Основной закон электростатики – закон Кулона.

По внешнему виду он очень похож на Закон всемирного тяготения, который устанавливает характер гравитационного взаимодействия тел. Однако Закон Кулона является законом электростатического взаимодействия точечных зарядов.

• Точечный заряд – это заряженное тело, размеры которого много меньше других, характерных для этой задачи (размерами тела можно пренебречь). В частности размеры зарядов много меньше расстояний между ними.

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

Сила такого взаимодействия также называется кулоновской. Ее вектор всегда лежит на прямой, соединяющей заряды. Для силы Кулона справедлив третий закон Ньютона: сила действия равна силе противодействия; заряды действуют друг на друга с одинаковыми по модулю силами, но противоположными по направлению. 

Для двух зарядов q1 и q2, находящихся на расстоянии r друг от друга, сила взаимодействия будет находиться по формуле:

Коэффициент пропорциональности k в СИ равен:

Если сравнивать с законом всемирного тяготения, то роль массы здесь играют модули зарядов, а вместо гравитационной постоянной G используется коэффициент пропорциональности k. Математически устройство этих формул одинаково. Физическое же отличие в гравитационном взаимодействии –  это всегда притяжение. А кулоновское взаимодействие может быть как притяжением, так и отталкиванием.

Наряду с константой k есть еще одна фундаментальная константа – , связанная с k соотношением:

Константа называется электрической постоянной. Она равна:

Опыт показывает, что для кулоновской силы выполняется так называемый принцип суперпозиции:

1. Кулоновская сила взаимодействия двух зарядов не зависит от присутствия других заряженных тел;

2. Если заряд q взаимодействует с системой зарядов , то каждый из них действует на первоначальный заряд q с силой  соответственно. Тогда результирующая сила будет равна векторной сумме отдельных сил:

Рассмотрим частный случай действия двух зарядов на заряд q (см. рис.). В такой случае результирующая сила будет равна векторной сумме двух сил.

В этой статье мы выяснили свойства электрического заряда: положительные и отрицательные. Причем одноименные заряды будут отталкиваться, а разноименные – притягиваться. Нужно всегда помнить основной закон электростатики – закон Кулона, с помощью которого можно рассчитать силу взаимодействия двух точечных зарядов.