1.2.2. Заряд і поле. Поле як вид матерії

Матерія існує у вигляді речовини і поля. Електричне поле як вид матерії проявляється у силовій дії на заряджені частинки речовини і тіла; воно зумовлює електризацію і поляризацію тіл, їх деформацію - явище електрострикції; воно може перетворюватися у магнітне поле, йому властива певна енергія тощо.

Що ж до електричних зарядів, то вони відображають тільки властивості частинок речовини, що проявляються у взаємозв'язках і взаємодіях речовини і поля. Точніше, електричний заряд - властивість частинок речовини або тіл, що характеризує їх взаємозв’язок з власним електромагнітним полем і їх взаємодію із зовнішнім електромагнітним полем. Електричний заряд кількісно визначається за силовою взаємодією заряджених частинок і полів. Отже, під електричним зарядом розуміють властивість частинок речовини і фізичну величину, що кількісно характеризує цю властивість. Тому кажуть, що заряд електрона дорівнює -1,6 10^-19 Кл. До речі, це одна із найменших порцій електричного заряду частинок, відомих у фізиці - її називають елементарним зарядом.

Оскільки кожне тіло складається з цілком певної кількості елементарних частинок, остільки й заряд будь-якого тіла складається з цілого числа елементарних зарядів е, тобто

q = en, де n - ціле число.

1.2.3. Взаємодія заряджених тіл. Закон кулона

Ш.Кулон в 1785 p. експериментально встановив закон взаємодії заряджених тіл за допомогою крутильних терезів (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Крутильні терези

Вимірюючи величину сили взаємодії для різних значень зарядів q₁, q₂ i відстані між ними r, Кулон встановив: сила взаємодії двох точкових заряджених тіл направлена вздовж прямої, що з’єднує ці тіла; прямо пропорційна добутку величин їх зарядів, обернено пропорційна квадратові відстані між ними і залежить від властивостей середовища, тобто:

, (1.1)

k - коефіцієнт пропорційності, що залежить від вибору одиниць. В одиницях СІ його записують у такому вигляді:

де ₀ – діелектрична проникність вакууму (електрична стала)

,

 - відносна діелектрична проникність середовища – число, яке показує в скільки разів сила взаємодії будь-яких заряджених частинок у даному середовищі менша, ніж у вакуумі.

З урахуванням викладеного закон Кулона в СІ набирає такого вигляду:

. (1.2)

1.2.4. Напруженість електричного поля

3 кількісного боку властивості електричного поля описуються за допомогою відповідних величин. Однією з них є величина обумовленої силової дії поля на внесене в нього пробне точкове заряджене тіло, її називають напруженістю.

Напруженість чисельно дорівнює відношенню сили, з якою поле діє на пробний позитивний електричний заряд, внесений у дану точку поля, до цього заряду:

. (1.3)

За одиницю напруженості електричного поля в СІ взято напруженість у такій точці поля, в якій на пробне тіло із зарядом в 1 Кл діє сила в 1 Н, - 1 Н/Кл.

Для поля, пов'язаного з точковим зарядженим тілом, сила визначається за законом Кулона, тому за означенням (1.3) формула напруженості в точці на відстані r від тіла з зарядом q набирає вигляду (1.4):

. (1.4)

Дослід показує, що напруженість результуючого поля, пов'язаного з системою кількох заряджених тіл, дорівнює векторній сумі напруженостей у даній точці поля, обумовлених кожним зарядженим тілом зокрема:

. (1.5)

Вираз (1.5) в аналітичній формі відображає принцип незалежності дії електричних полів (принцип суперпозиції).

Якщо напруженість у заданій точці поля відома, то діюча сила поля на тіло з будь-яким зарядом, внесеним у цю точку, дорівнює

. (1.6)

Вектори і збігаються за напрямом, якщо q > 0, і матимуть протилежні напрями, якщо q < 0.