§ 1.2. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона
Электрические заряды. Количество электричества, содержащееся в заряженном теле, определяется электрическим зарядом. Заряды бывают двух знаков: положительные (обозначаются знаком « + ») и отрицательные (обозначаются знаком « — »). Электрический заряд — это свойство частиц материи или тел, которое характеризует их взаимосвязь с собственным электромагнитным полем и их взаимодействие с внешним электромагнитным полем.
Единицей электрического заряда в физике принято считать заряд электрона. В этих единицах измеряют количество электричества, запасенное в атомах разных веществ. Однако заряд электрона очень мал, поэтому в практической электротехнике применяют Международную систему единиц (СИ) и количество электричества измеряют в кулонах (Кл). 1 Кл больше заряда электрона в 6,29·1018 раз.
При взаимодействии электрических зарядов
(электрически заряженных тел) между ними
возникают электрические силы притяжения или
отталкивания.
Рис. 1.2.1. Схемы взаимодействия одноименных и
разноименных электрических зарядов
|
Одноименные заряды
отталкиваются, |
|
|
Закон Кулона. На рис. 1.2.2. представлены два точечных тела с зарядами Q1 и Q2. Заряженные тела называются точечными, если их линейные размеры малы по сравнению с расстоянием R между телами. Сила их взаимодействия зависит от величины зарядов Q1 и Q2, расстояния между ними, а также среды, в которой находятся электрические заряды.
Рис. 1.2.2. Точечные заряды
Связь между этими величинами была
сформулирована французским ученым Кулоном в 1775
г.: сила
взаимодействия двух неподвижных точечных
заряженных тел прямо пропорциональна
произведению зарядов этих тел, обратно
пропорциональна квадрату расстояния между ними
и зависит от среды.
Закон Кулона выражается следующей формулой:
,
(1.2.1.)
где Q1 и Q2 — заряды точечных тел, Кл; R — расстояние между их центрами, м; ea — абсолютная диэлектрическая проницаемость среды (она учитывает влияние среды, в которой находятся заряженные точечные тела, на силу их взаимодействия).
Напряженность электрического поля точечного заряда определяется выражением
.
(1.2.2.)
Диэлектрическая проницаемость и электрическая постоянная.
Различные вещества имеют
разную абсолютную диэлектрическую
проницаемость. Абсолютная диэлектрическая
проницаемость вакуума (eo) называется электрической
постоянной. Ее размерность
в СИ — фарада на метр. Опытным путем установлено,
что
.
(1.2.3.)
Величина, показывающая, во сколько раз абсолютная диэлектрическая проницаемость вещества ea больше электрической постоянной eo, называется относительной диэлектрической проницаемостью этого вещества
.
(1.2.4.)
Относительная диэлектрическая проницаемость не имеет размерности. Для большинства диэлектриков она лежит в пределах 1—10, относительно мало зависит от электрических условий и температуры, а поэтому считается постоянной. В табл. 1.2.1. приведены значения er для некоторых веществ. Так как для парафинированной бумаги er = 4.3, то абсолютная диэлектрическая проницаемость бумаги в 4.3 раза больше электрической постоянной и составляет
.
(1.2.5.)
Небольшая группа диэлектриков, называемая сегнетоэлектриками (титанат бария, титанат свинца и др.), имеет очень высокую проницаемость (порядка многих тысяч), которая сильно зависит от электрических условий и температуры.
Таблица 1.2.1. Относительная диэлектрическая проницаемость веществ
| Материал | e r | Материал | e r | |
| Воздух Трансформаторное масло Полиэтилен Резина Бумага парафинированная |
1 2,2 2,3 2,7 4,3 |
Миканит Фарфор Мрамор Стекло Вода дистиллированная |
5,2 5,8 8,3 6—10 31 |