Электростатические явления

Если потереть тряпочкой эбонитовую или стеклянную палочки, то они приобретают свойство действовать с некоторой силой на бумажки, легкие металлические гильзы, струйки воды, и даже на подвешенный за середину массивный металлический стержень. Этим свойством, называемым электризацией, обладают оба соприкасающихся тела. Про наэлектризованные тела говорят, что они приобрели электрические заряды.

Рис. 1

После соприкосновения наэлектризованного тела с другим телом, это тело начинает отталкиваться от него. Но, если, например, наэлектризованная эбонитовая палочка вначале притягивает к себе металлическую гильзу, то после прикосновения палочки к гильзе, последняя начинает отталкиваться от палочки. В то же время гильза, отталкиваясь от наэлектризованной эбонитовой палочки, может притягиваться к наэлектризованной стеклянной палочке.

Существенно, что взаимодействуют наэлектризованные предметы без непосредственного контакта, на расстоянии.

Возникает вопрос: как объяснить тот факт, что тела, не имевшие ранее электрических зарядов, в результате тесного контакта друг с другом эти заряды приобретают?

Рис. 2

Разумно предположить, что заряды в систему этих тел, если система замкнута, не проникают извне и не рождаются в ней, а существуют в ней и лишь каким-то образом перераспределяются между телами. Частицами, которые переходят с одного тела на другое, могут быть электроны.

Если часть электронов из одного тела, например, при трении, перейдет на другое, тогда в первом теле суммарный положительный заряд окажется больше суммарного отрицательного заряда. Такое тело будет называться положительно заряженным. Соответственно, другое тело, с избыточным числом электронов, будет называться отрицательно заряженным.

Рис. 3

Рассуждения, описывающие механизм электризации, позволяют предсказать закон сохранения электрического заряда: в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц должна оставаться постоянной: 

Множество самых разных экспериментов подтверждают, что это действительно так. В частности, при превращениях элементарных частиц, если образуются частицы с зарядом одного знака, обязательно рождаются частицы с зарядом другого знака так, что модули противоположных зарядов равны друг другу.

Рис. 4

Также, исходя из наших представлений о механизме электризации, следует ожидать, что порции заряда, сообщаемые любому телу, или теряемые им, будут кратны заряду электрона.

Рис. 5

Опыты Иоффе и Милликена подтверждают это и позволяют рассчитать численное значение этого заряда. Суть этих опытов заключается в следующем. Между двумя заряженными пластинами зависает маленькая частичка, также несущая электрический заряд. Если частичка под действием какого-то активного, например, ультрафиолетового излучения теряет часть своего заряда, то нарушается баланс сил, действующих на нее, и частица начинает двигаться в направлении отрицательной пластины.

Чтобы остановить частицу, следует увеличить электрическую силу, действующую на нее. Это можно сделать, подав дополнительный заряд на пластины.

Оказывается, что заряд пластин всегда следует менять на величину, кратную некоторой другой величине – минимальному электрическому заряду, модуль которого равен е = 1,6∙10-19 Кл.

Одно из основных свойств электрических зарядов – их взаимодействие друг с другом.

Опыт показывает, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются и что модуль силы их взаимодействия зависит от величины зарядов и расстояния между ними.

Рис. 6

Возникает вопрос: какова эта зависимость?

Для ответа на него необходимо поставить эксперимент.

Рис. 7

Этот эксперимент был поставлен в 1785 г. Шарлем Кулоном на крутильных весах и найденные им зависимости нашли отражение в законе, носящем его имя.

Закон Кулона гласит:

Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорционален произведению модулей зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними:

(знак модуля для простоты записи здесь и дальше опущен).

Коэффициент пропорциональности в законе Кулона показывает, чему равна сила взаимодействия в вакууме двух зарядов по 1 кулону каждый, если расстояние между этими зарядами будет равно 1 метру.

Чтобы получить единицу коэффициента пропорциональности, его надо выразить из закона Кулона и в полученное выражение подставить единицы силы – 1 Н, заряда – 1 Кл и расстояния – 1 м.

Получаем: [k] = 1 Н∙м2/Кл2. Численно k = 9∙109 Н∙м2/Кл2 .

Иногда закон Кулона записывают в несколько иной форме, выражая коэффициент пропорциональности через электрическую постоянную:

Электрическая постоянная ε0 = 8,85∙10–12 Кл2/(Н∙м2).

В среде сила взаимодействия между зарядами отличается от силы взаимодействия между этими же зарядами в вакууме.

Физическая величина, равная отношению силы взаимодействия зарядов в вакууме к силе их взаимодействия в среде, называется диэлектрической проницаемостью среды:
ε = Fв вакууме / Fв среде.

Как следует из определяющего уравнения диэлектрической проницаемости – это величина безымянная: [ε] = 1.

Рис. 8

В приведенной форме закон Кулона справедлив для точечных зарядов. При этом обратно пропорциональная зависимость силы от расстояния объясняется трехмерностью пространства, в котором происходит взаимодействие зарядов. По этой же причине аналогичная зависимость наблюдается и для гравитационного взаимодействия. Если мысленно представить себе, что воздействие заряженного тела распространяется из точки в виде линий, то их густота (т. е. число линий, приходящихся на единицу площади) по мере удаления от заряда будет уменьшаться пропорционально квадрату расстояния от него.

Объясняется это тем, что воображаемые линии пронизывают расширяющуюся сферу, площадь которой растет пропорционально квадрату радиуса. Но так как число линий воздействия остается одним и тем же, то их густота уменьшается в той же мере, что и увеличивается площадь сферы.

Пользуясь представлениями о линиях воздействия, как бы исходящих из заряженного тела, можно предсказать, что сила взаимодействия двух очень длинных заряженных проводов будет обратно пропорциональна расстоянию между проводами.

Для очень больших заряженных плоскостей вообще не будет наблюдаться зависимости силы взаимодействия от расстояния.