Коллектив авторов - Концепции современного естествознания: Шпаргалка

3) электрический заряд является релятивистски инвариантным: его величина одинакова во всех инерциальных системах отсчета;

4) в любой электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов не изменяется. Это утверждение выражает закон сохранения электрического заряда.

Закон, которому подчиняется сила взаимодействия точечных зарядов, был установлен экспериментально в 1785 году французским ученым Ш. Кулоном(17361806). Точечным зарядом называется заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями от этого тела до других тел, несущих электрический заряд.

В соответствии с законом Кулона,сила взаимодействия между двумя точечными зарядами прямо пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

где F 21– сила, действующая на заряд q 2 со стороны заряда г 21– расстояние между зарядами; – единичный вектор ; е 0= 8,85 10 -12Ф/м – электрическая постоянная.

Взаимодействие между покоящимися зарядами осуществляется через электрическое поле. Всякий заряд изменяет свойства окружающего его пространства – создает в нем электрическое поле. Это поле проявляет себя в том, что помещенный в какую-либо его точку электрический заряд оказывается под действием силы. По величине силы, действующей на данный заряд, можно судить об «интенсивности» поля.

Для исследования электрического поля заряда q воспользуемся пробным зарядом q^. Тогда сила, действующая на заряд, может быть записана в виде

где г 0– единичный вектор, направленный от заряда q к заряду q пр; r – расстояние между зарядами.

Из формулы (1) следует, что отношение силы F к величине пробного заряда не зависит от пробного заряда и характеризуется целиком зарядом q:

Эту векторную величину E называют напряженностью электрического поля точечного заряда. Напряженность – силовая характеристика электрического поля. Она численно равна силе, действующей на единичный положительный заряд, находящийся в данной точке. Направление вектора E совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд. В системе СИ напряженность электрического поля имеет размерность ньютон на кулон (Н/Кл) или вольт на метр (В/м). Очевидно, что на всякий точечный заряд q в точке поля с напряженностью E будет действовать сила F = qE.

Напряженность поля системы зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, которые создавал бы каждый из зарядов системы в отдельности. Это утверждение носит название принципа суперпозиции (наложения) электрических полей.

Прохождение носителей заряда через любую воображаемую поверхность называют электрическим током. Он может течь в твердых телах (металлах, полупроводниках), жидкостях (электролитах) и газах. Электрический ток обусловлен упорядоченным движением заряженных частиц. За направление тока условно принимают направление движения положительных зарядов. Электрический ток характеризуется силой тока. Сила тока есть скалярная величина, численно равная количеству электричества, переносимого через поперечное сечение проводника за единицу времени:

где I – сила тока; dq – бесконечно малый заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за бесконечно малый промежуток времени dt.

Если за любые равные промежутки времени через любое сечение проводника проходит одинаковое количество электричества и направление движения зарядов не изменяется, то такой ток называется постоянным и тогда

где т – промежуток времени, за который через поперечное сечение проводника прошел заряд q.

В системе СИ единица силы тока является основной. Она носит название ампера (А) и определяется из взаимодействия двух токов. Из равенства (2) следует определение кулона – единицы заряда: [q] = [I] [τ] = А • с = Кл.

В металлах электрический ток определяется движением электронов, обусловленным действием на них сил со стороны электрического поля. В 1826 году Г. Ом(1787–1854) экспериментально установил закон, связывающий между собой силу тока, напряжение и сопротивление участка цепи. В соответствии с законом Ома,сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению R проводника:

Для однородного проводника (в котором на заряды действуют только электростатические силы) напряжение равно разности потенциалов на концах проводника:

U = φ 1– φ 2.

Напряжение в данном случае численно равно работе по перемещению единичного положительного заряда силами электростатического происхождения от точки с потенциалом q 1к точке с потенциалом q 2.

В случае неоднородного проводника (когда на электрические заряды кроме электростатических сил действуют сторонние (не электростатического происхождения) силы) напряжение на проводнике кроме разности потенциалов включает еще и электродвижущую силу (ЭДС):

U = φ 1– φ 2+Ε 12,

где Ε 12– ЭДС, действующая в проводнике между точками 1 и 2. Электродвижущая сила численно равна работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по данному проводнику. Сторонние силы могут иметь различное происхождение: в генераторах напряжения – это силы со стороны вихревого электрического (но не электростатического) поля, возникающего при изменении магнитного поля со временем, или это сила Лоренца, действующая со стороны магнитного поля на электроны в движущемся металлическом проводнике; в гальванических элементах и аккумуляторах – это называемые условно «химические» силы и т. д.