Закон Кулона

Електричний заряд. Закон Кулона

1° Електричний заряд.

Електричний заряд – це фізична величина, яка характеризує властивості частинок або тіл вступати в електромагнітні силові взаємодії.

Фундаментальні властивості зарядів частинок.

1.  В природі існує два види електричних зарядів: додатні (позитивні) та від’ємні (негативні).

2. Заряди можуть передаватись ( наприклад, під час контакту ) від одного тіла до іншого. На відміну від маси електричний заряд не є невід’ємною характеристикою тіла. Одне і те ж тіло в різних умовах може мати різний електричний заряд.

3. Однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні – притягуються. В цьому також проявляється принципова відмінність електромагнітних сил від гравітаційних. Гравітаційні сили завжди є силами притягання.

4. Одним з фундаментальних законів природи є експериментально встановлений закон збереження електричного заряду.

В ізольованій системі алгебраїчна сума зарядів всіх тіл залишається сталою:

   q₁+q₂+q₃+ … = const

Закон збереження електричного заряду стверджує, що в ізольованій (замкненій) системі тіл не можуть спостерігатись явища народження або зникнення зарядів лише одного знаку.

З погляду сучасної науки носіями електричного заряду є елементарні частинки. 

Всі оточуючі нас тіла складаються з атомів, які в свою чергу складаються з позитивно заряджених протонів, негативно заряджених електронів і нейтральних частинок – нейтронів. Протони і нейтрони входять до складу атомних ядер, електрони утворюють електронні оболонки атомів. Електричні заряди протона і електрона по модулю однакові і дорівнюють елементарному заряду е:

е = 1,602177·10^–19 Кл ≈ 1,6·10^–19 Кл.

В нейтральному атомі число протонів в ядрі дорівнює кількості електронів в оболонці. Це число називають атомним номером. Атом такої речовини  може втратити один або декілька електронів чи прийняти лишній електрон. В цих випадках нейтральний атом перетворюється в додатньо або від’ємно заряджений йон.

Заряд може передаватися від одного тіла до іншого лише порціями, які містять ціле число елементарних зарядів. Таким чином, електричний заряд тіла – дискретна величина: 

 q = ±ne (n = 0, 1, 2,…).

Фізичні величини, які можуть приймати лише дискретний ряд значень, називають квантованими. Елементарний заряд e є квантом (найменшою порцією) електричного заряду. Водночас зазначмо, що в сучасній фізиці елементарних частинок передбачено існування так званих кварків -  частинок  з дробовим зарядом ±⅓е і ±⅔е. Однак, в вільному  стані кварки не спостерігаються, вони входять до складу протонів і нейтронів.

Рис 1. Перенесення заряду від зарядженого тіла на електрометр

В звичайних лабораторних дослідах для виявлення і вимірювання електричних зарядів використовують електрометр – прилад, який складається з металевого стрижня і стрілки, яка може обертатися навколо горизонтальної вісі (рис.1). Стрижень зі стрілкою ізольовані від металевого корпуса. Під час дотику зарядженого тіла зі стрижнем електрометра, електричні заряди одного знака розподіляються по стрижню та стрілці. Сили електричної взаємодії (відштовхування) зумовлюють обертання стрілки на деякий кут, за яким можна оцінити заряд, який передали стрижню електрометра. Електрометр є досить недосконалим приладом; він не дає змоги досліджувати сили взаємодії електричних зарядів.

2° Закон Кулона.

Рис 2. Прилад Кулона.

Вперше закон взаємодії нерухомих електричних зарядів встановив англійський фізик Кавендіш, однак свої дослідження він не оприлюднив і вони стали відомі науковій громадськості після публікацій Дж. Максвелла в середині ХІХ сторіччя.  Французький фізик Ш. Кулон (1785 г.) незалежно від Кавендіша встановив закон взаємодії електричних зарядів. В своїх дослідах Кулон вимірював сили притягання і відштовхування заряджених кульок за допомогою сконструйованого ним приладу – крутильних терезів (рис. 2), які мали надзвичайно високу чутливість. Так, наприклад, коромисло терезів поверталось на 1° під дією сили  10^–9 Н.

Ідея вимірювань ґрунтувалась на блискучій здогадці Кулона про те, що якщо заряджену кульку привести в контакт з точно такою, але незарядженою, то заряд першої  розділиться між ними порівну. Так було знайдено спосіб змінювати заряд кульки в два, три і т. д. рази. В своїх дослідах Кулон виміряв взаємодію між кульками, розміри яких набагато менші від віддалі між ними. Такі заряджені тіла  називають точковими зарядами.

Точковим зарядом називають заряджене тіло, розмірами якого в умовах даної задачі можна знехтувати.

На підставі багатьох дослідів Кулон встановив такий закон:

Сили взаємодії двох нерухомих точкових зарядів напрямлена вздовж прямої лінії, що з’єднує заряди,  прямо пропорційні добуткові  обох зарядів і обернено пропорційні квадрату віддалі між ними:

F = kq₁∙q₂/r²

де  к – коефіцієнт пропорційності, який визначається вибором системи одиниць.

Рис. 3. Взаємодія одно- та різнойменних зарядів.

Властивості сил Кулона.

1.Кулонівські сили є центральні – напрямлені вздовж прямої, що з’єднує центри взаємодіючих зарядів.

2. Для однойменних зарядів q₁∙q₂  > 0; F₁₂ >0, і це - сили відштовхування.

3. Для різнойменних зарядів q₁∙q₂ < 0, F₁₂ < 0, і це - сили притягання.

4. Для кулонівських сил виконується третій закон Ньютона

F₁₂ = - F₂₁.

5. Закон Кулона виконується як для дуже великих так і для дуже малих (10^-17м) відстаней.

Взаємодію нерухомих електричних зарядів називають електростатичною або кулонівською взаємодією. Розділ електродинаміки, який вивчає кулонівську взаємодію, називають електростатикою.

Закон Кулона справедливий для точкових зарядів. Коефіцієнт пропорційності k в законі Кулона залежить від вибору системи одиниць. В Міжнародній системі СІ за одиницю заряду прийняли кулон (Кл).

1 Кулон – це заряд, який проходить за 1 с через поперечний переріз провідника при силі струму 1 А. Одиниця сили струму (Ампер) в СІ разом з одиницями довжини, часу, і маси є основною одиницею вимірювання.

Коефіцієнт k в системі СІ зазвичай записують так:    к = 1/4πε₀, 

де ε₀ = 8,85 ∙10^-12 Кл²/Н∙м² – електрична стала.

Експериментально встановлено, що для сил кулонівської взаємодії виконується принцип суперпозиції.

Якщо заряджене тіло водночас взаємодіє з кількома зарядженими тілами, то результуюча сила, яка діє на це тіло, дорівнює векторній сумі сил з боку всіх заряджених тіл.

Принцип суперпозиції електростатичних сил.

Доцільно прочитати:

• 1. Електричний заряд.
• 2. Електричне поле.
• 3. Вимірювання ЕРС джерела.
• 4. ККД електричної схеми.
• 5. Закон Ома для електролітів.
• 6. Закон Ома.