Проводники и диэлектрики

В зависимости от концентрации свободных зарядов все вещества делятся на проводники, диэлектрики (изоляторы) и полупроводники.

Свободный заряд ─ электрически заряженная микрочастица вещества, которая может свободно перемещаться по всему телу.

Проводники ─ вещества, в которых большая концентрация свободных зарядов вследствие чего, в проводнике можно создать электрический ток. Через проводник можно перераспределять заряды между телами или передать заряд от одного тела к другому. Если нейтральному проводнику сообщить заряд, то он распределится по всему проводнику.

К проводникам относятся: металлы, растворы солей, кислот и. т. д.

Диэлектрики ─ вещества, в которых свободных зарядов либо нет, либо их очень мало.

В диэлектриках нельзя создать электрический ток, через диэлектрик нельзя передать заряд от одного тела к другому. Сообщенный диэлектрику заряд остаётся в том месте диэлектрика, где он появился и не распространяется по всему диэлектрику.

К диэлектрикам(изоляторам) относятся: стекло, пластмассы, фарфор, сухой воздух и. т. д.

Закон Кулона.

До конца 18 века электрические явления изучались только качественно. В частности наблюдали, что заряженные тела, находящиеся на расстоянии, взаимодействуют друг с другом с определенной силой (притяжения или отталкивания)

А вот от чего зависит эта сила, этого не было известно. Первым на этот вопрос смог ответить в 1785 году французский физик Кулон.

С помощью крутильных весов, которые он сконструировал, Кулон экспериментально исследовал взаимодействие заряженных металлических шариков и, обобщив результаты своих экспериментов, пришел к выводу, что: сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов, находящихся в вакууме, прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Это утверждение получило название закона Кулона. Этот закон является основным (фундаментальным) законом физики.

По третьему закону Ньютона

F₁₂=F₂₁= F

В математической форме закон Кулона имеет вид:

F = 

где - коэффициент пропорциональности, который численно равен силе, с которой взаимодействуют два единичных заряда, находящиеся на расстоянии единицы длины. Его величина зависит от выбора системы единиц.

Cвой закон Кулон установил, используя в своих экспериментах заряженные шарики. Последующие опыты показали, что для заряженных тел любой другой формы, он выполняется только тогда, когда расстояние между телами много больше линейных размеров этих тел. Отсюда был сделан вывод, что закон Кулона справедлив только для точечных зарядов (таких заряженных тел, линейные размеры которых малы по сравнению с расстоянием между ними). Так же он справедлив для одинаковых равномерно заряженных шаров или сфер, находящихся на любом расстоянии. В этом случае расстояние берется между их центрами.

Если же заряженные тела не являются одинаковыми шарами (сферами) и находятся на расстоянии при котором их нельзя считать точечными зарядами, то сила их взаимодействия сложным образом зависит от формы этих тел и характера распределения заряда на них. Поэтому для произвольного случая не существует единой простой формулы позволяющей рассчитывать силу взаимодействия между заряженными телами. Это, как правило, сложная задача. Если же заряд на телах распределен равномерно, то задача упрощается и силу их взаимодействия можно рассчитать следующим образом: мысленно разбить тела на малые элементы, так чтобы эти элементы можно было считать точечными и применить к ним закон Кулона. Затем, складывая геометрически силы взаимодействия всех этих элементов друг с другом, находят результирующую силу взаимодействия тел в целом.

Кулоновские силы являются центральными, так как действуют по прямой, соединяющей точечные заряды или центры взаимодействующих шаров (сфер).

Единица заряда

В системе СИ за единицу заряда принят Кулон (Кл).

Эта единица – производная других единиц. Она определяется через единицу силы тока Ампер, которая в системе СИ является основной (т.е. для Ампера есть эталон).

Кулон- это заряд, проходящий за 1с через поперечное сечение проводника при силе тока в нем 1А

Величина элементарного заряда в кулонах равна: е=1,6 10^-19 Кл

Коэффициент  в законе Кулона в системе СИ является размерной величиной, определяемой формулой:

(1)

Численное значение этого коэффициента определяется экспериментально. Для этого достаточно измерить силу взаимодействия между двумя известными зарядами, находящимися на известном расстоянии, и подставить в формулу (1). Найденное таким образом значение  в системе СИ равно:

= 9 ^. 10⁹ Н м²/ Кл²

Часто в системе СИ коэффициент  записывается в виде:

где ₀ ─ электрическая постоянная, равная

и тогда закон Кулона будет иметь вид:

В опытах Кулона электрические заряды находились в воздухе. Дальнейшие опыты показали, что если при прочих равных условиях (величинах зарядов и их взаимном расстоянии) пространство между зарядами заполнить какой-либо однородной непроводящей средой (однородным диэлектриком). Например: керосином, маслом и т. п, то сила взаимодействия между зарядами будет уменьшаться по сравнению с силой в вакууме в раз.

где: сила взаимодействия между зарядами в вакууме

сила взаимодействия в какой-либо непроводящей среде (диэлектрике)

диэлектрическая проницаемость среды, которая характеризует электрические свойства вещества среды и показывает во сколько раз сила взаимодействия между зарядами в вакууме больше чем в данной среде (или во сколько раз меньше в данной среде, чем в вакууме).

Диэлектрическая проницаемость безразмерная величина. Численно она всегда  1, и для каждой среды имеет своё конкретное значение, так как разные среды по разному влияют на силу взаимодействия.

Для вакуума . Для воздуха

Таким образом, если заряды находятся в какой-либо

среде, то закон Кулона в этом случае будет иметь вид: