Напряженность электростатического поля
где \(~\vec E\) – напряженность электрического поля в данной точке пространства (Н/Кл или В/м), \(~\vec F\) – сила, с которой электрическое поле действует на заряд q, помещенный в данную точку пространства (Н), q – заряд (Кл).
Если заряд q > 0, то напряженность поля направлена в ту же сторону, что и сила, с которой электрическое поле действует на этот заряд, и наоборот. Если заряд q
где Еx – проекция напряженность электрического поля в данной точке пространства на ось 0Х (Н/Кл или В/м), Fx – проекция силы, с которой электрическое поле действует на заряд q, на ось 0Х (Н), q – заряд (Кл).
Аналогичное уравнение можно записать и в проекциях на ось 0Y.
Силы электростатического взаимодействия направлены вдоль линии, соединяющей взаимодействующие точечные заряды, причем одноименные заряды отталкиваются, а разноименные заряды притягиваются.
Направление вектора напряженности в данной точке пространства совпадает с направлением силы, с которой поле действует на пробный (положительный) заряд, помещенный в эту точку поля (рис. 1 а, б, где Q – заряд, создающий поле, q – пробный (положительный) заряд, помещенный в точку А, ЕA – напряженность поля, созданного зарядом Q, в точке А. Для наглядности, вектора смещены относительно друг друга).
Чем дальше от заряда Q, создающего поля, тем напряженность поля меньше.
Можно определять направление напряженности точечных зарядов в некоторой точке А пространства и без пробных зарядов:
- если поле создано положительным зарядом q, то напряженность в точке С направлена из точки С от заряда q, вдоль линии, соединяющей заряд q и точку С,
- если поле создано отрицательным зарядом q, то напряженность в точке С направлена из точки C к заряду q, вдоль линии, соединяющей заряд q и точку С.
И наоборот:
- если напряженность в точке С направлена из точки С от заряда q, то поле создано положительным зарядом q,
- если напряженность в точке С направлена из точки С к заряду q, то поле создано отрицательным зарядом q.
Значение напряженности электрического поля, созданного точечным зарядом q, в данной точке пространства, находящейся на расстоянии r от заряда (рис. 2), равно
где k = 9·109 Н·м2/Кл2 – коэффициент пропорциональности.
Напряженность электрического поля системы точечных зарядов q1, q2, …, qN в некоторой точке пространства равна геометрической сумме напряженностей полей \(~\vec E_1 , \vec E_2 , \ldots , \vec E_N\) , создаваемых каждым из этих зарядов в отдельности в той же точке:
Значение напряженности электрического поля, созданного сферой радиуса R, имеющей заряд q, в точке C пространства, находящейся на расстоянии l от центра сферы (рис. 3), равно
Е = 0, если l < R ,
где k = 9·109 Н·м2/Кл2 – коэффициент пропорциональности.
Если l ≥ R, то напряженности электрического поля, созданного шаром радиуса R, так же будет равна \(~E = k \cdot \frac{|q|}{l^2}\) .
где σ – поверхностная плотность электрического заряда, распределенного по поверхности тела площади S (Кл/м2), q – заряд тела (Кл), S – площадь (м2).
Значение напряженности электрического поля, созданного заряженной бесконечной пластиной с поверхностной плотностью заряда σ, равно
где ε ≈ 8,85·10-12 Кл2/Н·м2 – электрическая постоянная.
Силовые линии
Силовая линия – это направленная линия в пространстве, касательная к которой в каждой точке совпадает по направлению с вектором напряженности электрического поля в этой точке (рис. 4).
Силовые линии рисуют, учитывая следующие свойства:
- Силовые линии электростатического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.
- Силовые линии перпендикулярны поверхности.
- Силовые линии не пересекаются и не имеют изломов.
- О величине напряженности электрического поля можно судить по густоте силовых линий: там, где силовые линии гуще, напряженность больше, и наоборот.
Однородное поле – это поле, вектор напряженности которого в каждой точке пространства одинаков (по модулю и направлению). Графически однородное поле представляет собой набор параллельных равноотстоящих друг от друга силовых линий.
Закон Кулона
Закон Кулона позволяет количественно описать процесс, при котором взаимодействуют заряженные тела. Это фундаментальный закон – утверждение было доказано экспериментальным путем, а не является следствием природных закономерностей.
Закон Кулона справедлив в том случае, когда точечные заряды неподвижны и находятся в вакууме. Понятие точечного заряда является условным, так как подобные частицы отсутствуют в действительности. Однако точечными можно считать такие заряды, размеры которых существенно меньше, чем расстояние между ними.
Сила, с которой взаимодействуют заряды в воздухе, практически не отличается от силы их взаимодействия в вакууме. В первом случае сила слабее менее, чем на одну тысячную. Электрический заряд является физической величиной и характеризует способность частиц и тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.
Примечание
Первым закон взаимодействия зарядов, находящихся в состоянии покоя, открыл французский физик Ш. Кулон в 1785 году. Опытным путем ученый измерял взаимодействие между шариками с размерами намного меньше, чем расстояние между ними.
Определение
Закон Кулона: Сила, с которой взаимодействуют два неподвижных точечных электрических заряда в вакууме, прямо пропорциональна произведению их модулей и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, и является силой притяжения, если заряды разноименные, и силой отталкивания, если заряды одноименные.
Модули зарядов обозначают:
\(\left| q_1\right| \left| q_2 \right|\)
Таким образом, запись закона Кулона будет иметь следующий вид:\(F = k \cdot \dfrac{\left|q_1 \right| \cdot \left|q_2 \right|}{r^2} \ \)Коэффициент пропорциональности определяется выбором системы единиц:
\(k=\frac{1}{4\pi \varepsilon _0}\)
Полная формула закона Кулона:
\(F = \dfrac{\left|q_1 \right|\left|q_2 \right|}{4 \pi \varepsilon_0 \varepsilon r^2} \)
где
F — сила Кулона;
\(q_1 q_2\) — определяют электрический заряд тела;
r — расстояние, на которое удалены заряды;
\(\varepsilon_0 = 8,85*10^{-12} \) — электрическая постоянная;
\(\varepsilon\) — диэлектрическая проницаемость среды;
\(k = 9*10^9\) — коэффициент пропорциональности в законе Кулона.
Согласно третьему закона Ньютона:
\(\vec{F}_{12}=\vec{F}_{21}\)
Данные силы взаимодействия представляют собой силы отталкивания в том случае, когда заряды имеют одинаковые знаки, и являются силами притяжения при разных знаках зарядов. Для обозначения электрического заряда, как правило, используют буквы q или Q.
Исходя из совокупности данных, полученных экспериментальным путем, можно сделать следующие выводы:
- Электрические заряды бывают двух типов, которые условно называют отрицательными и положительными.
- Заряды обладают способностью передаваться (к примеру, в процессе непосредственного контакта) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемым параметром данного тела. Одно и то же тело при разных условиях может обладать неодинаковым зарядом.
- Заряды с одинаковым знаком отталкиваются, а с разными – притягиваются. Таким образом проявляется принципиальная разница между электромагнитными и гравитационными силами. Гравитацией всегда является сила притяжения.
Взаимодействие неподвижных электрических зарядов является электростатическим или кулоновским взаимодействием. Электростатика является отдельным разделом электродинамики, задача которого заключается в изучении кулоновского взаимодействия.
Закон Кулона применим в случае точечных заряженных тел. На практике закономерность выполняется в том случае, когда размеры заряженных тел много меньше, чем расстояние между ними. Условия выполнения закона Кулона:
- точечность зарядов;
- неподвижность зарядов;
- взаимодействие зарядов в вакууме.
В международной системе СИ заряд измеряют в Кулонах (Кл).
Определение
Кулон – заряд, который проходит за 1 секунду через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.
Единица силы тока (Ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения.
Закон Амонтона-Кулона
Шарль Кулон известен не только своими открытиями в электростатике. Он также сформулировал закон, описывающий линейную связь между силой трения, и действием (нормальной реакцией), оказываемым на тело со стороны поверхности. Первичную формулировку предложил Гийом Амонтон ещё в 1699 году. Кулон же подтвердил закон и описал его математической формулой F=A+ μN, где А — условный показатель «сцепления» поверхности, по которой и производится скольжение (трение), N — сила нормальной реакции, μ — коэффициент трения поверхностей. А согласно 3 закону Ньютона, сила Амонтона-Кулона — взаимодействующая. То есть она актуальна и в отношении статического, и динамичного тела. И действие оказывается одновременно также на саму поверхность. Данный закон активно используется при производстве смазочных материалов. С его помощью можно также рассчитать условную устойчивость и эксплуатационный ресурс материалов. Кулон, в свою очередь, только сформулировал математическое описание открытия Амонтона, без определения статических индексов. Итого, закон Кулона — это фундаментная сила в электростатике в целом. И на её основе было сделано множество новых открытий, связанных с электромагнитным воздействием. Вся современная электроника, компоненты печатных плат — всё это прямо связано с законом Кулона.
Таблица перевода единицы измерения Кулон, калькулятор онлайн, конвертер
Все Все Абсолютная электромагнитная система СГСМ Абсолютная электромагнитная система СГСМ Внесистемные единицы Внесистемные единицы Международная система (СИ) Международная система (СИ) Единицы электрического заряда в системе СГСЭ Единицы электрического заряда в системе СГСЭ
| Кулон в Абкулон | 0.1 |
| Кулон в Ампер/мин | 0.016667 |
| Кулон в Ампер/сек | 1 |
| Кулон в Ампер/час | 0.000278 |
| Кулон в Единица заряда СГСМ | 0.1 |
| Кулон в Килокулон | 0.001 |
| Кулон в Мегакулон | 1 * 10-6 |
| Кулон в Микрокулон | 1 000 000 |
| Кулон в Милликулон | 1 000 |
| Кулон в Нанокулон | 10 * 108 |
| Кулон в Пикокулон | 10 * 1011 |
| Кулон в Статкулон | 3 * 109 |
| Кулон в Фарадей | 1.04 * 10-5 |
| Кулон в Франклин | 3 * 109 |
| Кулон в Элементарный электрический заряд | 6.24 * 1018 |
Кратные и дольные единицы кулона:
Кратные и дольные единицы образуются с помощью стандартных приставок СИ.
| Кратные | Дольные | ||||||
| величина | название | обозначение | величина | название | обозначение | ||
| 101 Кл | декакулон | даКл | daC | 10−1 Кл | децикулон | дКл | dC |
| 102 Кл | гектокулон | гКл | hC | 10−2 Кл | сантикулон | сКл | cC |
| 103 Кл | килокулон | кКл | kC | 10−3 Кл | милликулон | мКл | mC |
| 106 Кл | мегакулон | МКл | MC | 10−6 Кл | микрокулон | мкКл | µC |
| 109 Кл | гигакулон | ГКл | GC | 10−9 Кл | нанокулон | нКл | nC |
| 1012 Кл | теракулон | ТКл | TC | 10−12 Кл | пикокулон | пКл | pC |
| 1015 Кл | петакулон | ПКл | PC | 10−15 Кл | фемтокулон | фКл | fC |
| 1018 Кл | эксакулон | ЭКл | EC | 10−18 Кл | аттокулон | аКл | aC |
| 1021 Кл | зеттакулон | ЗКл | ZC | 10−21 Кл | зептокулон | зКл | zC |
| 1024 Кл | иоттакулон | ИКл | YC | 10−24 Кл | иоктокулон | иКл | yC |
Электрический заряд и его свойства
Электрическим зарядом называют физическую величину, которая характеризует свойство частиц или тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Заряд обозначают, как q или Q, и измеряют в Кл. Свободный заряд в 1 Кл представляет собой гигантскую величину заряда, которую практически невозможно встретить в природе. Обычно, в процессе изучения, можно встретить заряды, исчисляемые в микрокулонах, нанокулонах, пикокулонах. Свойства электрического заряда:
- электрический заряд является видом материи;
- на электрический заряд не влияет движение частицы и ее скорость;
- заряды обладают способностью перемещаться (например, в процессе непосредственного контакта) от одного тела к другому, не являются неотъемлемой характеристикой тела;
- электрические заряды бывают отрицательными и положительными, что соответствует их условным типам;
- заряды взаимодействуют друг с другом, при этом одноименные заряды притягиваются, а разноименные – отталкиваются;
- силы взаимодействия зарядов представляют собой центральные силы, то есть лежат на одной прямой, которая соединяет центры этих зарядов;
- минимально возможный по модулю заряд называют элементарным, \(e= 1,6*10^{-19}.\)
Электрический заряд для любого тела является кратной элементарному заряду величиной:
q=Ne
где N – является целым числом.
Можно отметить, что не существует заряда, который бы составлял, к примеру, 0,5е; 1,7е; 22,7е и так далее. Физические величины, принимающие лишь дискретный ряд значений, называются квантованными. Элементарный заряд e является квантом, то есть минимальной порцией электрического заряда.
Согласно закону сохранения электрического заряда, в замкнутой системе тел не могут появляться, либо исчезать заряды только с одним знаком. Формула закона сохранения электрического заряда:
\(q_{1}+q_{2}+…+q_{n}=q_{1}^{,}+q_{2}^{,}+…+q_{n}^{,}=const\)
Таким образом, когда тела обладают одинаковыми размерами и формами, содержат в себе заряды \(q_1\) и \(q_2\), независимо от знака этих зарядов, при соприкосновении и обратном разведении каждое тело в итоге будет обладать следующим зарядом:
\(q^{,}=\frac{q_{1}+q_{2}}{2}\)
Современная наука полагает, что носителями зарядов являются элементарные частицы. Известно, что все тела состоят из атомов, которые включают в себя протоны с положительным зарядом, электроны с отрицательным зарядом и нейтральный частицы, называемые нейтронами. Из протонов и нейтронов состоят атомные ядра. Электронная оболочка атомов образована электронами.
Протон и электрон обладают одинаковыми по модулю электрическими зарядами, которые равны элементарному заряду е. Если атом нейтральный, то количество протонов в ядре соответствует числу электронов в оболочке. Данное число называют атомным номером.
Атом рассматриваемого вещества может лишиться одного или нескольких электронов либо приобрести лишний электрон. В этом случае нейтральный атом трансформируется в положительно или отрицательно заряженный ион.
Следует отметить, что ядро атома состоит из положительных протонов, в связи с этим их количество может увеличиться или уменьшиться только в процессе ядерной реакции. Известно, что электризация тел не сопровождается ядерными реакциями. Таким образом, при любых электрических явлениях количество протонов остается стабильным, может измениться лишь число электронов.
Можно сообщить телу отрицательный заряд, то есть передать ему лишние электроны. Сообщение телу положительного заряда подразумевает отнимание электронов, а не добавление протонов. Передача заряда от одного тела к другому осуществляется порциями, которые включают в себя целое число электронов.
В определенных случаях при решении задач можно встретить примеры распределения электрического заряда по какому-либо телу. Описать такое распределение можно с помощью специальных величин.
Линейная плотность заряда необходима, чтобы описать, каким образом заряд распределен по нити. Величина измеряется в Кл/м. Формула линейной плотности заряда:
\(\lambda =\frac{q}{L}\)
где L – является длиной нити.
Поверхностная плотность заряда позволяет определить, как заряд распределен по поверхности тела. Величина измеряется в кулонах на квадратный метр. Формула поверхностной плотности заряда:
\(\sigma =\frac{q}{S}\)
где S – площадь поверхности тела.
Объемную плотность заряда целесообразно применять для описания распределения заряда по объему тела. Величина измеряется в кулонах на м³. Формула объемной плотности заряда:
\(\rho =\frac{q}{V}\)
где V – это объем тела.
§ 17. Взаимодействие точечных зарядов. Закон Кулона
Рис. 98
Закон Кулона. Кулон детально исследовал взаимодействие неподвижных точечных зарядов. Он на опыте изучил зависимость сил электрического взаимодействия тел от модулей зарядов этих тел и расстояния между ними.
В своих опытах Кулон использовал специальный прибор — крутильные весы (рис. 98). Крутильные весы представляют собой два стеклянных цилиндра, внутри которых на тонкой серебряной нити подвешено лёгкое непроводящее коромысло. На одном конце коромысла закреплён проводящий шар 1, а на другом — бумажный противовес 3. Шар 1 можно заряжать с помощью такого же проводящего шара 2. Он находится на изолирующем стержне, закреплённом на крышке нижнего цилиндра. При соприкосновении шара 1 с заряженным шаром 2 заряд распределяется между ними поровну, и шары отталкиваются.
Используя крутильные весы, Кулон получил зависимость модуля сил взаимодействия двух заряженных шаров от величин зарядов и от расстояния между ними. По углу закручивания нити, отсчитываемому по шкале прибора, можно определить силу взаимодействия заряженных шаров. Кулон установил, что модуль сил взаимодействия двух заряженных шаров обратно пропорционален квадрату расстояния между ними: .
Для измерения зависимости модуля сил взаимодействия шаров от их зарядов учёный нашёл простой способ. Разряжая шар 2 прикосновением руки, а затем касаясь им уже заряженного шара 1, Кулон смог получить на нём заряды, модуль которых в 2, 4, 8 и т. д. раз меньше первоначального. Он выяснил, что при неизменном расстоянии модуль сил взаимодействия двух неподвижных небольших заряженных тел прямо пропорционален произведению модулей электрических зарядов каждого из них: .
Обобщив экспериментальные данные, Кулон сформулировал закон, получивший его имя.
Закон Кулона: модули сил взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональны произведению модулей зарядов этих тел, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними, а сами силы направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела:
(17.1)
где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц физических величин; |q1| и |q2| — модули точечных зарядов; r — расстояние между ними.
В СИ коэффициент пропорциональности
где — электрическая постоянная.
Рис. 99
Силы и взаимодействия неподвижных точечных зарядов (рис. 99) называют кулоновскими силами. В соответствии с третьим законом Ньютона эти силы противоположно направлены , а их модули равны. Отметим, что силы электростатического взаимодействия являются силами отталкивания для одноимённых зарядов (рис. 99, а) и силами притяжения для разноимённых (рис. 99, б).
От теории к практике
Два маленьких положительно заряженных шарика закреплены на расстоянии r друг от друга. Как изменится модуль сил электростатического взаимодействия шариков, если: 1) уменьшить заряд каждого шарика в четыре раза; 2) увеличить расстояние между шариками в четыре раза; 3) увеличить заряд каждого шарика и расстояние между ними в два раза?
Как изменились бы силы электростатического взаимодействия шариков, если бы: 1) шарики были заряжены отрицательно; 2) один из шариков зарядить отрицательно, а другой положительно?
Интересно знать
Экспериментальные факты свидетельствуют о том, что воздействие неподвижного в данной инерциальной системе отсчёта точечного заряда на движущийся точечный заряд может быть описано законом Кулона с приемлемой точностью. Так, описание рассеяния α-частиц на ядрах атомов золота в опытах Резерфорда с помощью модели точечного заряда, на который действует кулоновская сила со стороны неподвижного ядра, согласуется с экспериментальными данными в пределах точности последних.
Два и более движущихся в данной инерциальной системе заряда не могут характеризоваться только кулоновским взаимодействием, так как каждый из них создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, которое действует магнитной силой на остальные заряды, движущиеся в нём.
Cтепень точности закона Кулона
Закон Кулона — экспериментально установленный факт. Его справедливость неоднократно подтверждалась всё более точными экспериментами. Одним из направлений таких экспериментов является проверка того, отличается ли показатель степени r в законе от 2. Для поиска этого отличия используется тот факт, что если степень точно равна двум, то поле внутри полости в проводнике отсутствует, какова бы ни была форма полости или проводника.
Эксперименты, проведённые в 1971 г. в США Э. Р. Уильямсом, Д. Е. Фоллером и Г. А. Хиллом, показали, что показатель степени в законе Кулона равен 2 с точностью до .
Для проверки точности закона Кулона на внутриатомных расстояниях У. Ю. Лэмбом и Р. Резерфордом в 1947 г. были использованы измерения относительного расположения уровней энергии водорода. Было установлено, что и на расстояниях порядка атомных 10−8 см, показатель степени в законе Кулона отличается от 2 не более чем на 10−9.
Коэффициент в законе Кулона остается постоянным с точностью до 15·10−6.
Поправки к закону Кулона в квантовой электродинамике
На небольших расстояниях (порядка комптоновской длины волны электрона, ≈3.86·10−13 м, где — масса электрона, — постоянная Планка, — скорость света) становятся существенными нелинейные эффекты квантовой электродинамики: на обмен виртуальными фотонами накладывается генерация виртуальных электрон-позитронных (а также мюон-антимюонных и таон-антитаонных) пар, а также уменьшается влияние экранирования (см. перенормировка). Оба эффекта ведут к появлению экспоненциально убывающих членов порядка в выражении для потенциальной энергии взаимодействия зарядов и, как результат, к увеличению силы взаимодействия по сравнению с вычисляемой по закону Кулона. Например, выражение для потенциала точечного заряда в системе СГС, с учётом радиационных поправок первого порядка принимает вид:
где — комптоновская длина волны электрона, — постоянная тонкой структуры и . На расстояниях порядка ~ 10−18 м, где — масса W-бозона, в игру вступают уже электрослабые эффекты.
В сильных внешних электромагнитных полях, составляющих заметную долю от поля пробоя вакуума (порядка ~1018 В/м или ~109 Тл, такие поля наблюдаются, например, вблизи некоторых типов нейтронных звёзд, а именно магнитаров) закон Кулона также нарушается в силу дельбрюковского рассеяния обменных фотонов на фотонах внешнего поля и других, более сложных нелинейных эффектов. Это явление уменьшает кулоновскую силу не только в микро- но и в макромасштабах, в частности, в сильном магнитном поле кулоновский потенциал падает не обратно пропорционально расстоянию, а экспоненциально.
Закон Кулона и поляризация вакуума
Явление поляризации вакуума в квантовой электродинамике заключается в образовании виртуальных электронно-позитронных пар. Облако электронно-позитронных пар экранирует электрический заряд электрона. Экранировка растет с ростом расстояния от электрона, в результате эффективный электрический заряд электрона является убывающей функцией расстояния . Эффективный потенциал, создаваемый электроном с электрическим зарядом , можно описать зависимостью вида . Эффективный заряд зависит от расстояния по логарифмическому закону:
где,
— т. н. постоянная тонкой структуры ≈7.3·10−3;
— т. н. классический радиус электрона ≈2.8·10−13 см.
Эффект Юлинга
Явление отклонения электростатического потенциала точечных зарядов в вакууме от значения закона Кулона известно как эффект Юлинга, который впервые вычислил отклонения от закона Кулона для атома водорода. Эффект Юлинга даёт поправку к лэмбовскому сдвигу 27 мггц.
В сильном электромагнитном поле вблизи сверхтяжелых ядер с зарядом осуществляется перестройка вакуума, аналогичная обычному фазовому переходу. Это приводит к поправкам к закону Кулона.
Электростатика как раздел электродинамики
Электродинамика многообразный раздел физики, охватывает и описывает электромагнитные явления, процессы в природе, в технике. Электрическое поле создаёт возможность появления электрических зарядов и заставляет их двигаться. Ядра атомов остаются на месте, а электроны начинают упорядоченно работать. Силы электростатики считаются слабыми, но иногда превышают гравитацию. Молекулы складываются из атомов, которые состоят из ядра и вращающихся вокруг него электронов (-). Протоны (+) и нейтроны (нейтрально) формируют ядро. Одним из основных направлений электродинамики в физике – электростатика, изучающая покоящиеся заряженные электрически объекты, неизменные во времени, со свойственными им взаимопорождением и взаимопроникновением поля.
Электростатика многое раскрывает для понимания процессов не только неживой, но и живой природы. Впервые сделан снимок ядра атома в 2013 году. Взаимодействие протона и электрона сильнее в 10 в 36 степени раз более чем гравитационная сила между ними в атоме водорода.
Формулировка
Текущее формулирование закона Кулона звучит следующим образом:
Но есть условия, при которых получается рассчитать взаимодействие двух точечных зарядов по закону:
- В пространстве расстояние между зарядами должно существенно превышать их физические габариты.
- Тела — статичны относительно окружающей среды.
- Тела расположены в вакууме (нивелируется возможное воздействие окружающей среды).
Но в теории, закон Кулона можно применять и для расчета электростатического взаимодействия между двумя точечными движущимися телами. В итоговую формулу лишь потребуется добавить вектор от заряда q1 к q2. Но расчет взаимодействия между собой точечных зарядов актуален только если тела находятся в условиях вакуума. Для движущихся тел, находящихся в окружении определенной среды, применять радиус-вектор не представляется возможным, так как при смене положения меняется также и направление внешних действующих сил. То есть в данном случае невозможно определить статический коэффициент зависимости.
Примеры практического использования
Уже было сказано про то, что закон Кулона повлиял на формирование целого ряда научных дисциплин, помог в производстве разных материалов. В современном мире нет ни одной области электротехники, в которой не работал бы кулоновский закон. Особенно это касается областей электростатики. Их работа напрямую зависит от закона Кулона. Рассмотрим примеры практического использования закона:
Самый простой способ использования данного закона — введение диэлектрика. Сила взаимосвязи зарядов в вакуумном пространстве будет всегда большей по силе, чем взаимосвязь этих же зарядов, но в условиях, когда между зарядами располагается любой диэлектрик.
Диэлектрическая проницаемость среды является той величиной, которая помогает определить силовые значения количественно, не завися от расстояния между этими зарядами, а также от их величины. Будет достаточно разделить силу взаимосвязи зарядов в вакуумном пространстве на диэлектрический показатель проницаемости внесенного диэлектрика — так получится сила взаимосвязи в присутствии любого диэлектрика.
Благодаря закону Кулона стала возможной работа сложных исследовательских комплексов. Например, ускорителя частиц с зарядами. Фундамент работоспособности ускорителей частиц строится на явлении взаимосвязи электрического поля, а также заряженных частиц.
Электрическое поле делает работу в ускорителе, увеличивая постепенно энергию частицы. Можно принять частицу с ускорением за точечный заряд, действие самого ускоряющего электрического поля ускорителя — за сумму сил со стороны всех остальных точечных зарядов. В таком случае закон Кулона полностью можно считать соблюденным.
Также закон Кулона способствует работе защитных сооружений электротехнического толка. У каждой электротехнической станции всегда устанавливается молниеотвод. А его работа невозможно без соблюдений условий закона Кулона.
В период гроз на планете формируются большие индуцированные заряды — по закону Кулона они должны притягиваться по направлению к грозовому облаку. В результате разряда молнии вокруг молниеотвода воздух ионизируется.
Из-за этого напряжение электрического поля рядом с верхушкой острого кончика молниеотвода уменьшается, а индуцированные заряды не накапливаются на поверхности здания, поэтому вероятность повторного попадания молнии снижается. Если молния все же попадет в молниеотвод, то сила заряда будет направлена в землю, что не причинит вред установке.
Электростатика как раздел электродинамики
В основе большей части явлений природы, знакомых человечеству, лежит взаимодействие, называемое электромагнитным. Лишь земное притяжение, океанские приливы и движение планет имеют в своей основе другое взаимодействие (гравитацию). В основе всех остальных процессов лежит электромагнетизм. Механика, теплоэнергетика, химия, биология – все это проявление различных сторон электромагнитного взаимодействия.
Электромагнетизм изучается в рамках электродинамики. Однако такая широкая сфера действия электромагнитного взаимодействия приводит к необходимости разбиения этой теории на более мелкие разделы. Одним из таких разделов является электростатика – описание явлений, происходящих с покоящимися заряженными телами.
Рис. 1. Электростатика как раздел электродинамики.
Если заряженные тела не движутся, то огромная часть особенностей электромагнитного взаимодействия не проявляется. В первую очередь это относится к магнитным явлениям. Описание только электрических взаимодействий короче, формулы электростатики проще, поэтому изучение электромагнетизма обычно начинают с электростатики.
