Раздел физики, который называется электростатикой, изучает свойства и законы взаимодействия неподвижных заряженных частиц и тел. В каких случаях заряженные тела притягиваются, а в каких случаях отталкиваются? Почему наэлектризованные тела “чувствуют” друг друга на расстоянии? Чему равны силы притяжения и отталкивания зарядов? Попробуем ответить на эти вопросы.
В качестве предметов, которые с помощью трения легко электризуются, можно использовать, например, стекло, эбонит, пластмассу. При этом оказывается, что кусочки бумаги, наэлектризованные от этих разных предметов, могут как притягиваться, так и отталкиваться. Из этих наблюдений были сделаны следующие выводы:
- Взаимодействие заряженных тел, обнаруженное в подобных экспериментах, называется электрическим взаимодействием;
- Физическая величина, отвечающая за электрическое взаимодействие, называется электрическим зарядом. Электрический заряд обозначается буквой q;
- Электрический заряд всегда можно передать от одного тела к другому;
- Способность электрических зарядов к взаимному притяжению или отталкиванию можно объяснить, предположив, что существуют два вида зарядов. Один вид заряда называется положительным, а другой — отрицательным;
- Одноименные заряды отталкиваются;
- Разноименные заряды притягиваются.
Американский ученый Бенджамин Франклин в 1747 г. первым ввел названия для положительных и отрицательных зарядов, а также обозначения “−” и “+”.
Для обнаружения, изучения и измерения величины электрического заряда английский исследователь Уильям Гилберт (1600 г.) придумал специальный прибор — электроскоп.
Закон Кулона
В 1785 г. французский исследователь Шарль Кулон после многочисленных экспериментов с заряженными телами открыл основной закон электростатики. Он измерял силу взаимодействия заряженных шариков. Наблюдения показали, что сила Fэ взаимодействия (притяжения или отталкивания) двух неподвижных заряженных тел, размеры (диаметры) которых на много меньше расстояния между ними, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
где:
Fэ — сила взаимодействия;
q1 , q2 — величины зарядов;
r — расстояние между зарядами;
k — постоянный коэффициент (константа).
В формуле закона Кулона о взаимодействии заряженных тел фигурируют модули зарядов, так как заряды могут быть разных знаков. Значит и для величины Fэ формула дает абсолютное значение. Если заряды имеют одинаковые знаки , то Fэ является силой отталкивания, а если знаки разные — силой притяжения. Сила направлена вдоль прямой, соединяющей центры зарядов.
Рис. 3. Закон Кулона. Два заряда притягиваются или отталкиваются.
Единицы измерения
Единица измерения заряда была названа в честь Кулона. 1 кулон — это заряд, проходящий при силе тока 1 ампер за 1 секунду через поперечное сечение проводника.
В международной системе единиц СИ:
Константа k законе Кулона в единицах системы СИ будет равна:
Приведенная здесь формула закона Кулона справедлива для зарядов, находящихся в вакууме. Для зарядов, которые взаимодействуют в какой-либо среде, формула будет иметь такой же вид, но величина постоянной k будет другой. Значения k для разных веществ измерены экспериментально и приведены в справочных таблицах.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что физическая величина, отвечающая за электрическое взаимодействие, называется электрическим зарядом. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Сила взаимодействия зарядов рассчитывается с помощью формулы закона Кулона.
