Giống như khái niệm khối lượng hấp dẫn của một vật trong cơ học Newton, khái niệm điện tích trong điện động lực học là khái niệm cơ bản, cơ bản.
Sạc điện là một đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất của các hạt hoặc vật thể tham gia vào các tương tác lực điện từ.
Điện tích thường được biểu thị bằng các chữ cái q hoặc Q.
Tổng thể của tất cả các dữ kiện thực nghiệm đã biết cho phép chúng ta rút ra các kết luận sau:
Có hai loại điện tích, thường được gọi là điện tích dương và điện tích âm.
Điện tích có thể được chuyển (ví dụ, bằng cách tiếp xúc trực tiếp) từ cơ thể này sang cơ thể khác. Không giống như khối lượng cơ thể, điện tích không phải là đặc tính không thể thiếu của một cơ thể nhất định. Cùng một cơ thể trong những điều kiện khác nhau có thể có điện tích khác nhau.
Các điện tích cùng loại thì đẩy nhau, các điện tích khác loại thì hút nhau. Điều này cũng cho thấy sự khác biệt cơ bản giữa lực điện từ và lực hấp dẫn. Lực hấp dẫn luôn là lực hấp dẫn.
Một trong những định luật cơ bản của tự nhiên là quy luật được thiết lập bằng thực nghiệm định luật bảo toàn điện tích .
Trong một hệ cô lập, tổng đại số điện tích của tất cả các vật thể không đổi:
|
q 1 + q 2 + q 3 + ... +qN= hằng số. |
Định luật bảo toàn điện tích phát biểu rằng trong một hệ kín gồm các vật thể không thể quan sát được quá trình tạo ra hoặc biến mất các điện tích chỉ một dấu.
Theo quan điểm hiện đại, hạt mang điện là các hạt cơ bản. Tất cả các vật thể bình thường đều bao gồm các nguyên tử, bao gồm các proton tích điện dương, các electron tích điện âm và các hạt trung tính - neutron. Proton và neutron là một phần của hạt nhân nguyên tử, electron tạo thành vỏ electron của nguyên tử. Điện tích của proton và electron có độ lớn bằng nhau và bằng điện tích cơ bản e.
Trong một nguyên tử trung hòa, số proton ở hạt nhân bằng số electron ở lớp vỏ. Số này được gọi là số nguyên tử . Một nguyên tử của một chất nhất định có thể mất một hoặc nhiều electron hoặc nhận thêm một electron. Trong những trường hợp này, nguyên tử trung tính biến thành ion tích điện dương hoặc âm.
Điện tích chỉ có thể được truyền từ vật này sang vật khác theo những phần chứa một số nguyên điện tích cơ bản. Do đó, điện tích của một vật là một đại lượng rời rạc:
Các đại lượng vật lý chỉ có thể nhận một dãy giá trị rời rạc được gọi là lượng tử hóa . Điện tích cơ bản e là lượng tử (phần nhỏ nhất) của điện tích. Cần lưu ý rằng trong vật lý hiện đại về các hạt cơ bản, người ta giả định sự tồn tại của cái gọi là quark - các hạt có điện tích phân số và tuy nhiên, các quark vẫn chưa được quan sát thấy ở trạng thái tự do.
Trong các thí nghiệm thông thường trong phòng thí nghiệm, điện kế ( hoặc điện nghiệm) - một thiết bị gồm một thanh kim loại và một con trỏ có thể quay quanh một trục nằm ngang (Hình 1.1.1). Thanh mũi tên được cách ly khỏi thân kim loại. Khi một vật tích điện tiếp xúc với thanh điện kế, các điện tích cùng dấu sẽ được phân bố trên thanh và kim đo. Lực đẩy điện làm cho kim quay một góc nhất định, nhờ đó người ta có thể xác định được điện tích truyền vào que điện kế.
Điện kế là một dụng cụ khá thô sơ; nó không cho phép người ta nghiên cứu lực tương tác giữa các điện tích. Định luật tương tác của các điện tích đứng yên lần đầu tiên được phát hiện bởi nhà vật lý người Pháp Charles Coulomb vào năm 1785. Trong các thí nghiệm của mình, Coulomb đã đo lực hút và lực đẩy của các quả cầu tích điện bằng một thiết bị do ông thiết kế - cân xoắn (Hình 1.1.2) , được phân biệt bởi độ nhạy cực cao. Ví dụ, thanh cân bằng được quay 1° dưới tác dụng của một lực cỡ 10 -9 N.
Ý tưởng của các phép đo dựa trên phỏng đoán xuất sắc của Coulomb rằng nếu một quả bóng tích điện được tiếp xúc với cùng một quả bóng không tích điện, thì điện tích của quả bóng đầu tiên sẽ được chia đều cho chúng. Vì vậy, người ta đã chỉ ra một cách để thay đổi điện tích của quả bóng hai, ba lần, v.v. Trong các thí nghiệm của Coulomb, người ta đo được sự tương tác giữa các quả bóng có kích thước nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách giữa chúng. Những vật tích điện như vậy thường được gọi là phí điểm.
Phí điểm được gọi là vật tích điện, kích thước của nó có thể bỏ qua trong điều kiện của bài toán này.
Dựa trên nhiều thí nghiệm, Coulomb đã thiết lập định luật sau:
Lực tương tác giữa các điện tích đứng yên tỷ lệ thuận với tích của các mô đun điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng:
Lực tương tác tuân theo định luật III Newton:
Chúng là lực đẩy có cùng dấu điện tích và lực hút có dấu khác nhau (Hình 1.1.3). Sự tương tác của các điện tích đứng yên được gọi là tĩnh điện hoặc Coulomb sự tương tác. Nhánh điện động lực học nghiên cứu tương tác Coulomb được gọi là tĩnh điện .
Định luật Coulomb đúng đối với vật tích điện điểm. Trong thực tế, định luật Coulomb được thỏa mãn nếu kích thước của các vật tích điện nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách giữa chúng.
Hệ số tỷ lệ k trong định luật Coulomb phụ thuộc vào việc lựa chọn hệ đơn vị. Trong hệ SI quốc tế, đơn vị điện tích được lấy là mặt dây chuyền(Cl).
mặt dây chuyền là một điện tích truyền trong 1 s qua tiết diện của dây dẫn có cường độ dòng điện bằng 1 A. Đơn vị của dòng điện (Ampe) trong SI cùng với đơn vị là chiều dài, thời gian và khối lượng đơn vị đo cơ bản.
hệ số k trong hệ SI nó thường được viết là:
Ở đâu 
- hằng số điện
.
Trong hệ SI, điện tích cơ bản e tương đương với:
Kinh nghiệm cho thấy lực tương tác Coulomb tuân theo nguyên lý chồng chất:
Nếu một vật tích điện tương tác đồng thời với một số vật tích điện thì lực tạo ra tác dụng lên một vật thể nhất định bằng tổng vectơ các lực tác dụng lên vật thể này từ tất cả các vật thể tích điện khác.
Cơm. 1.1.4 giải thích nguyên lý chồng chất bằng ví dụ về tương tác tĩnh điện của ba vật tích điện.
Nguyên lý chồng chất là một quy luật cơ bản của tự nhiên. Tuy nhiên, việc sử dụng nó đòi hỏi một số thận trọng khi chúng ta nói về sự tương tác của các vật tích điện có kích thước hữu hạn (ví dụ, hai quả bóng tích điện dẫn điện 1 và 2). Nếu đưa quả bóng tích điện thứ ba vào hệ gồm hai quả bóng tích điện thì tương tác giữa 1 và 2 sẽ thay đổi do phân phối lại phí.
Nguyên lý chồng chất phát biểu rằng khi phân phối phí nhất định (cố định) trên tất cả các vật thể, lực tương tác tĩnh điện giữa hai vật bất kỳ không phụ thuộc vào sự có mặt của các vật tích điện khác.
Các ấn phẩm dựa trên tài liệu của D. Giancoli. "Vật lý hai tập" 1984 Tập 2.
Có lực tác dụng giữa các điện tích. Làm thế nào nó phụ thuộc vào độ lớn của điện tích và các yếu tố khác?
Câu hỏi này đã được khám phá vào những năm 1780 bởi nhà vật lý người Pháp Charles Coulomb (1736-1806). Ông đã sử dụng những chiếc cân xoắn rất giống với những chiếc mà Cavendish đã sử dụng để xác định hằng số hấp dẫn.
Nếu đặt một điện tích vào một quả cầu ở đầu thanh treo trên một sợi dây thì thanh hơi lệch một chút, sợi dây xoắn lại và góc quay của sợi dây sẽ tỉ lệ với lực tác dụng giữa các điện tích (cân bằng xoắn). ). Sử dụng thiết bị này, Coulomb đã xác định được sự phụ thuộc của lực vào kích thước của các điện tích và khoảng cách giữa chúng.
Vào thời điểm đó, không có dụng cụ nào có thể xác định chính xác lượng điện tích, nhưng Coulomb đã có thể chuẩn bị những quả bóng nhỏ với tỷ lệ điện tích đã biết. Ông lý luận, nếu một quả bóng dẫn điện tích điện được tiếp xúc với cùng một quả bóng không tích điện, thì điện tích có trên quả bóng đầu tiên, do tính đối xứng, sẽ được phân bố đều giữa hai quả bóng.
Điều này giúp anh ta có khả năng nhận được các khoản phí 1/2, 1/4, v.v. từ bản gốc.
Bất chấp một số khó khăn liên quan đến việc cảm ứng điện tích, Coulomb đã có thể chứng minh rằng lực mà một vật tích điện tác dụng lên một vật tích điện nhỏ khác tỉ lệ thuận với điện tích của mỗi vật tích điện đó.
Nói cách khác, nếu điện tích của bất kỳ vật nào trong số này tăng gấp đôi thì lực cũng sẽ tăng gấp đôi; nếu điện tích của cả hai vật tăng gấp đôi cùng lúc thì lực sẽ lớn gấp bốn lần. Điều này đúng với điều kiện khoảng cách giữa các vật thể không đổi.
Bằng cách thay đổi khoảng cách giữa các vật, Coulomb phát hiện ra rằng lực tác dụng giữa chúng tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách: nếu khoảng cách, chẳng hạn, tăng gấp đôi, thì lực sẽ giảm đi bốn lần.
Vì vậy, Coulomb kết luận, lực mà một vật tích điện nhỏ (lý tưởng nhất là điện tích điểm, tức là một vật giống như một điểm vật chất không có kích thước không gian) tác dụng lên một vật tích điện khác tỷ lệ với tích các điện tích của chúng Q 1 và Q 2 và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng:
Đây k- hệ số tỷ lệ.
Mối quan hệ này được gọi là định luật Coulomb; giá trị của nó đã được xác nhận bằng các thí nghiệm cẩn thận, chính xác hơn nhiều so với các thí nghiệm khó tái tạo ban đầu của Coulomb. Số mũ 2 hiện được thiết lập với độ chính xác là 10 -16, tức là nó bằng 2 ± 2×10 -16.
Vì bây giờ chúng ta đang xử lý một đại lượng mới - điện tích, chúng ta có thể chọn đơn vị đo sao cho hằng số k trong công thức bằng 1. Thật vậy, hệ đơn vị như vậy đã được sử dụng rộng rãi trong vật lý cho đến gần đây.
Chúng ta đang nói về hệ thống CGS (centimet-gram-giây), sử dụng đơn vị sạc tĩnh điện SGSE. Theo định nghĩa, hai vật nhỏ, mỗi vật có điện tích 1 SGSE, nằm cách nhau 1 cm, tương tác với một lực 1 dyne.
Tuy nhiên, hiện nay điện tích thường được biểu thị trong hệ SI, trong đó đơn vị của nó là coulomb (C).
Chúng ta sẽ đưa ra định nghĩa chính xác về coulomb theo dòng điện và từ trường ở phần sau.
Trong hệ SI hằng số k có độ lớn k= 8,988×10 9 Nm 2 / Cl 2.
Các điện tích phát sinh trong quá trình nhiễm điện do ma sát của các vật thể thông thường (lược, thước nhựa, v.v.) có độ lớn cỡ microcoulomb hoặc nhỏ hơn (1 µC = 10 -6 C).
Điện tích electron (âm) xấp xỉ 1,602×10 -19 C. Đây là điện tích nhỏ nhất được biết đến; nó có ý nghĩa cơ bản và được biểu thị bằng ký hiệu e, nó thường được gọi là điện tích cơ bản.
e= (1,6021892 ± 0,0000046)×10 -19 C, hoặc e≈ 1,602×10 -19Cl.
Vì cơ thể không thể thu thêm hoặc mất đi một phần electron nên tổng điện tích của cơ thể phải là bội số nguyên của điện tích cơ bản. Họ nói rằng điện tích bị lượng tử hóa (nghĩa là nó chỉ có thể nhận các giá trị rời rạc). Tuy nhiên, vì điện tích của electron e rất nhỏ, chúng ta thường không nhận thấy sự rời rạc của các điện tích vĩ mô (điện tích 1 µC tương ứng với khoảng 10 13 electron) và coi điện tích là liên tục.
Công thức Coulomb mô tả lực mà một điện tích tác dụng lên một điện tích khác. Lực này hướng dọc theo đường nối các điện tích. Nếu dấu của các điện tích giống nhau thì các lực tác dụng lên các điện tích có hướng ngược nhau. Nếu dấu của các điện tích khác nhau thì các lực tác dụng lên các điện tích hướng về nhau.
Lưu ý rằng, theo định luật thứ ba của Newton, lực mà một điện tích tác dụng lên một điện tích khác có độ lớn bằng nhau và ngược chiều với lực mà điện tích thứ hai tác dụng lên điện tích thứ nhất.
Định luật Coulomb có thể được viết dưới dạng vectơ, tương tự như định luật vạn vật hấp dẫn của Newton:
Ở đâu F 12 - vectơ lực tác dụng lên điện tích Q 1 bên sạc Q 2,
- khoảng cách giữa các điện tích,
- vectơ đơn vị hướng từ Q 2k Q 1.
Cần lưu ý rằng công thức chỉ áp dụng cho các vật thể có khoảng cách giữa chúng lớn hơn đáng kể so với kích thước của chúng. Lý tưởng nhất, đây là những khoản phí điểm. Đối với các vật thể có kích thước hữu hạn, không phải lúc nào cũng rõ ràng cách tính khoảng cách r giữa chúng, đặc biệt là khi sự phân bố điện tích có thể không đồng đều. Nếu cả hai vật đều là hình cầu có sự phân bố điện tích đồng đều thì r có nghĩa là khoảng cách giữa tâm của các quả cầu. Điều quan trọng là phải hiểu rằng công thức xác định lực tác dụng lên một điện tích nhất định từ một điện tích. Nếu hệ bao gồm một số (hoặc nhiều) vật tích điện thì lực sinh ra tác dụng lên một điện tích nhất định sẽ là tổng vectơ của các lực tác dụng lên phần điện tích còn lại. Hằng số k trong công thức Định luật Coulomb thường được biểu diễn dưới dạng một hằng số khác, ε 0
, được gọi là hằng số điện, liên quan đến k tỉ lệ k = 1/(4πε 0). Khi tính đến điều này, định luật Coulomb có thể được viết lại như sau:
ở đâu có độ chính xác cao nhất hiện nay
hoặc làm tròn
Việc viết hầu hết các phương trình khác của lý thuyết điện từ được đơn giản hóa bằng cách sử dụng ε 0 , bởi vì 4π kết quả cuối cùng thường được rút ngắn. Do đó, chúng ta thường sử dụng Định luật Coulomb, giả sử rằng:
Định luật Coulomb mô tả lực tác dụng giữa hai điện tích đứng yên. Khi các điện tích chuyển động, các lực bổ sung được tạo ra giữa chúng, lực này chúng ta sẽ thảo luận ở các chương tiếp theo. Ở đây chỉ xem xét các khoản phí tĩnh; Phần nghiên cứu về điện này được gọi là tĩnh điện.
Còn tiếp. Nói ngắn gọn về ấn phẩm sau:
Điện trường là một trong hai thành phần của trường điện từ, là trường vectơ tồn tại xung quanh các vật thể hoặc các hạt mang điện tích hoặc phát sinh khi từ trường thay đổi.
Ý kiến và đề xuất được chấp nhận và chào đón!
Định luật tương tác cơ bản của điện tích được Charles Coulomb tìm ra bằng thực nghiệm vào năm 1785. Coulomb đã tìm ra điều đó lực tương tác giữa hai quả cầu kim loại nhỏ tích điện tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách 
giữa chúng và phụ thuộc vào độ lớn của điện tích 
Và 
:
,
Ở đâu 
-hệ số tỷ lệ
.
Lực lượng hành động tố tụng, là trung tâm
, nghĩa là chúng hướng dọc theo đường thẳng nối các điện tích. 
định luật Cu lông có thể được viết ra ở dạng vectơ:
,
Ở đâu 
-
phía phí 
,
- vectơ bán kính nối điện tích 
có tính phí 
;
- mô-đun của vectơ bán kính.
Lực tác dụng lên điện tích 
từ bên ngoài 
tương đương với 
,
.
Định luật Coulomb ở dạng này
hội chợ chỉ dành cho sự tương tác của các điện tích điểm, nghĩa là những vật tích điện có kích thước tuyến tính có thể bỏ qua so với khoảng cách giữa chúng.
thể hiện sức mạnh của sự tương tác giữa các điện tích đứng yên, tức là đây là định luật tĩnh điện.
Xây dựng định luật Coulomb:
Lực tương tác tĩnh điện giữa hai điện tích điểm tỉ lệ thuận với tích độ lớn của các điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
Hệ số tỷ lệ
trong định luật Coulomb phụ thuộc
từ đặc tính của môi trường
lựa chọn đơn vị đo các đại lượng có trong công thức.
Đó là lý do tại sao 
có thể được biểu diễn bằng mối quan hệ 
,
Ở đâu 
-hệ số chỉ phụ thuộc vào việc lựa chọn hệ đơn vị đo;
- đại lượng không thứ nguyên đặc trưng cho tính chất điện của môi trường được gọi là hằng số điện môi tương đối của môi trường
. Nó không phụ thuộc vào việc lựa chọn hệ đơn vị đo và bằng đơn vị đo trong chân không.
Khi đó định luật Coulomb sẽ có dạng: 
,
cho chân không 
,
Sau đó 
-hằng số điện môi tương đối của một môi trường cho biết lực tương tác giữa hai điện tích điểm trong một môi trường nhất định là bao nhiêu lần 
Và 
, nằm cách xa nhau 
, nhỏ hơn trong chân không.
Trong hệ SI hệ số 
, Và
Định luật Coulomb có dạng:
.
Cái này ký hiệu hợp lý hóa của định luật K nắm lấy.
- hằng số điện, 
.
Trong hệ thống SGSE
,
.
Ở dạng vectơ, định luật Coulomb có hình thức 
Ở đâu 
-vectơ lực tác dụng lên điện tích 
phía phí
,
- vectơ bán kính nối điện tích 
có tính phí
r–mô đun của vectơ bán kính 
.
Bất kỳ vật tích điện nào cũng bao gồm nhiều điện tích điểm, do đó lực tĩnh điện mà một vật tích điện tác dụng lên vật khác bằng tổng vectơ các lực tác dụng lên tất cả các điện tích điểm của vật thứ hai bởi mỗi điện tích điểm của vật thứ nhất.
1.3 Điện trường. Căng thẳng.
Không gian, nơi đặt điện tích có những giá trị nhất định tính chất vật lý.
Chỉ trong trường hợp khác điện tích được đưa vào không gian này chịu tác dụng của lực Coulomb tĩnh điện.
Nếu một lực tác dụng tại mọi điểm trong không gian thì ta nói rằng trường lực tồn tại trong không gian đó.
Trường cùng với vật chất là một dạng vật chất.
Nếu trường đứng yên, nghĩa là không thay đổi theo thời gian và được tạo ra bởi các điện tích đứng yên, thì trường như vậy được gọi là tĩnh điện.
Tĩnh điện chỉ nghiên cứu trường tĩnh điện và tương tác của các điện tích đứng yên.
Để mô tả đặc trưng của điện trường, người ta đưa ra khái niệm cường độ
.
Căng thẳngyu tại mỗi điểm của điện trường được gọi là vectơ 
, về số lượng bằng tỷ số giữa lực mà trường này tác dụng lên một điện tích dương thử nghiệm đặt tại một điểm cho trước và độ lớn của điện tích này, và hướng theo hướng của lực.
Phí kiểm tra, được đưa vào điện trường, được coi là điện tích điểm và thường được gọi là điện tích thử nghiệm.
- Anh ta không tham gia vào việc tạo ra lĩnh vực này, được đo lường với sự trợ giúp của nó.
Người ta cho rằng khoản phí này không bóp méo lĩnh vực đang được nghiên cứu, nghĩa là nó đủ nhỏ và không gây ra sự phân phối lại các điện tích tạo ra trường.
Nếu trên một điểm kiểm tra phí 
trường tác dụng bởi lực 
, thì sự căng thẳng 
.
Đơn vị căng thẳng:
SI: 
SSSE: 
Trong hệ SI sự biểu lộ
Vì 
trường điện tích điểm:
.
Ở dạng vectơ: 
Đây 
– vectơ bán kính vẽ từ điện tích q, tạo một trường tại một điểm nhất định.
T 
theo cách này vectơ cường độ điện trường của điện tích điểmq
tại tất cả các điểm của trường được định hướng xuyên tâm(Hình 1.3)
- từ điện tích, nếu nó dương, “nguồn”
- và với điện tích nếu nó âm"làm khô hạn"
Để giải thích đồ họađiện trường được đưa vào khái niệm về đường sức hoặcdòng căng thẳng . Cái này
đường cong , tiếp tuyến tại mỗi điểm trùng với vectơ lực căng.
Đường dây điện áp bắt đầu ở điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm.
Các đường sức căng không cắt nhau vì tại mỗi điểm của từ trường vectơ lực căng chỉ có một hướng.
Lực tương tác tĩnh điện phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của các vật nhiễm điện, cũng như bản chất của sự phân bố điện tích trên các vật thể này. Trong một số trường hợp, chúng ta có thể bỏ qua hình dạng và kích thước của các vật tích điện và cho rằng mỗi điện tích tập trung tại một điểm. Phí điểm là điện tích khi kích thước của vật chứa điện tích này nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách giữa các vật tích điện. Khoảng điện tích điểm có thể thu được bằng thực nghiệm bằng cách nạp điện, ví dụ, những quả bóng khá nhỏ.
Sự tương tác của hai điện tích điểm đứng yên xác định định luật cơ bản của tĩnh điện - định luật Cu lông. Định luật này được thiết lập bằng thực nghiệm vào năm 1785 bởi một nhà vật lý người Pháp Mặt dây chuyền Charles Augustin(1736 – 1806). Công thức của định luật Coulomb như sau:
Sức mạnh của sự tương tác hai vật tích điện đứng yên trong chân không tỉ lệ thuận với tích của các mô đun điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
Lực tương tác này được gọi là Lực Coulomb, Và Công thức định luật Coulomb sẽ như sau:
F = k (|q 1 | |q 2 |) / r 2
Ở đâu |q1|, |q2| – mô-đun điện tích, r – khoảng cách giữa các điện tích, k – hệ số tỷ lệ.
Hệ số k trong SI thường được viết dưới dạng:
K = 1 / (4πε 0 ε)
Trong đó ε 0 = 8,85 * 10 -12 C/N*m 2 là hằng số điện, ε là hằng số điện môi của môi trường.
Đối với chân không ε = 1, k = 9 * 10 9 N*m/Cl 2.
Lực tương tác giữa các điện tích điểm đứng yên trong chân không:
F = · [(|q 1 | · |q 2 |) / r 2 ]
Nếu hai điện tích điểm đặt trong một chất điện môi và khoảng cách từ các điện tích này đến các ranh giới của chất điện môi lớn hơn đáng kể so với khoảng cách giữa các điện tích thì lực tương tác giữa chúng bằng:
F = · [(|q 1 | · |q 2 |) / r 2 ] = k · (1 /π) · [(|q 1 | · |q 2 |) / r 2 ]
Hằng số điện môi của môi trường luôn lớn hơn đơn vị (π > 1), do đó lực tương tác của các điện tích trong chất điện môi nhỏ hơn lực tương tác của chúng ở cùng một khoảng cách trong chân không.
Lực tương tác giữa hai vật tích điện điểm đứng yên hướng dọc theo đường thẳng nối hai vật này (Hình 1.8).
Cơm. 1.8. Lực tương tác giữa hai vật tích điện điểm đứng yên.
Lực Coulomb, giống như lực hấp dẫn, tuân theo định luật thứ ba của Newton:
F 1,2 = -F 2,1
Lực Coulomb là lực trung tâm. Kinh nghiệm cho thấy, các vật nhiễm điện giống nhau thì đẩy nhau, các vật nhiễm điện trái dấu thì hút nhau.
Vectơ lực F 2.1 tác dụng từ điện tích thứ hai lên điện tích thứ nhất hướng về điện tích thứ hai nếu các điện tích khác dấu và theo hướng ngược lại nếu các điện tích cùng dấu (Hình 1.9).
Cơm. 1.9. Tương tác của các điện tích khác dấu và giống nhau.
Tĩnh điện lực đẩyđược coi là tích cực Trọng lực- tiêu cực. Dấu của các lực tương tác tuân theo định luật Coulomb: tích của các điện tích cùng dấu là số dương và lực đẩy có dấu dương. Tích của các điện tích trái dấu là một số âm, tương ứng với dấu của lực hấp dẫn.
Trong các thí nghiệm của Coulomb, lực tương tác của các quả bóng tích điện đã được đo, trong đó họ sử dụng cân xoắn(Hình 1.10). Một thanh thủy tinh nhẹ được treo bằng một sợi dây bạc mỏng. Với, ở một đầu có gắn một quả cầu kim loại MỘT, và mặt khác có một đối trọng d. Đầu trên của ren được cố định vào đầu quay của thiết bị e, góc quay của nó có thể được đo chính xác. Bên trong thiết bị có một quả cầu kim loại có kích thước tương đương b, được gắn cố định trên nắp cân. Tất cả các bộ phận của thiết bị được đặt trong một hình trụ thủy tinh, trên bề mặt có một thang đo cho phép bạn xác định khoảng cách giữa các quả bóng Một Và bở các vị trí khác nhau của họ.
Cơm. 1.10. Thí nghiệm Coulomb (cân xoắn).
Khi các quả bóng nhiễm điện cùng loại thì chúng sẽ đẩy nhau. Trong trường hợp này, sợi dây đàn hồi được xoắn ở một góc nhất định để giữ các quả bóng ở một khoảng cách cố định. Góc xoắn của sợi chỉ xác định lực tương tác giữa các quả bóng tùy thuộc vào khoảng cách giữa chúng. Sự phụ thuộc của lực tương tác vào độ lớn của điện tích có thể được thiết lập như sau: cho mỗi quả bóng một điện tích nhất định, đặt chúng ở một khoảng cách nhất định và đo góc xoắn của sợi dây. Sau đó, bạn cần chạm vào một trong những quả bóng với một quả bóng tích điện có cùng kích thước, thay đổi điện tích của nó, vì khi các vật có kích thước bằng nhau tiếp xúc với nhau, điện tích sẽ được phân bố đều giữa chúng. Để duy trì khoảng cách như nhau giữa các quả bóng, cần phải thay đổi góc xoắn của sợi dây và do đó xác định giá trị mới của lực tương tác với điện tích mới.
Năm 1785, nhà vật lý người Pháp Charles Coulomb đã thiết lập bằng thực nghiệm định luật cơ bản của tĩnh điện - định luật tương tác của hai vật hoặc hạt tích điện điểm đứng yên.
Định luật tương tác của các điện tích đứng yên - định luật Coulomb - là một định luật vật lý cơ bản (cơ bản) và chỉ có thể được thiết lập bằng thực nghiệm. Nó không tuân theo bất kỳ quy luật tự nhiên nào khác.
Nếu chúng ta biểu thị các mô-đun điện tích bằng | q 1 | và | q 2 |, thì định luật Coulomb có thể được viết dưới dạng sau:
\(~F = k \cdot \dfrac(|q_1| \cdot |q_2|)(r^2)\) , (1)
Ở đâu k- hệ số tỉ lệ, giá trị của hệ số này phụ thuộc vào việc chọn đơn vị điện tích. Trong hệ SI \(~k = \dfrac(1)(4 \pi \cdot \varepsilon_0) = 9 \cdot 10^9\) N m 2 / C 2, trong đó ε 0 là hằng số điện bằng 8,85 · 10 -12 C2 /Nm2.
Tuyên bố của pháp luật:
lực tương tác giữa hai vật tích điện đứng yên trong chân không tỷ lệ thuận với tích của các mô đun điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
Lực này được gọi là Coulomb.
Định luật Coulomb trong công thức này chỉ có giá trị đối với điểm vật tích điện, bởi vì chỉ đối với họ khái niệm khoảng cách giữa các điện tích mới có một ý nghĩa nhất định. Trong tự nhiên không có vật thể tích điện điểm. Nhưng nếu khoảng cách giữa các vật thể lớn hơn nhiều lần so với kích thước của chúng, thì hình dạng cũng như kích thước của các vật tích điện, như kinh nghiệm cho thấy, đều không ảnh hưởng đáng kể đến sự tương tác giữa chúng. Trong trường hợp này, các vật thể có thể được coi là các vật thể điểm.
Dễ dàng nhận thấy hai quả cầu tích điện treo trên sợi dây có thể hút nhau hoặc đẩy nhau. Suy ra, lực tương tác giữa hai vật tích điện điểm đứng yên hướng dọc theo đường thẳng nối hai vật này. Những lực như vậy gọi là trung tâm. Nếu chúng ta biểu thị bằng \(~\vec F_(1,2)\) lực tác dụng lên điện tích thứ nhất từ điện tích thứ hai và bằng \(~\vec F_(2,1)\) lực tác dụng lên điện tích thứ hai từ phần đầu tiên (Hình 1), sau đó, theo định luật thứ ba của Newton, \(~\vec F_(1,2) = -\vec F_(2,1)\) . Chúng ta hãy biểu thị bằng \(\vec r_(1,2)\) vectơ bán kính được vẽ từ điện tích thứ hai đến điện tích thứ nhất (Hình 2), sau đó
\(~\vec F_(1,2) = k \cdot \dfrac(q_1 \cdot q_2)(r^3_(1,2)) \cdot \vec r_(1,2)\) . (2)
Nếu có dấu hiệu buộc tội q 1 và q 2 giống nhau thì hướng của lực \(~\vec F_(1,2)\) trùng với hướng của vectơ \(~\vec r_(1,2)\) ; mặt khác, các vectơ \(~\vec F_(1,2)\) và \(~\vec r_(1,2)\) có hướng ngược nhau.
Biết định luật tương tác của các vật tích điện điểm, người ta có thể tính được lực tương tác của bất kỳ vật tích điện nào. Để làm được điều này, các cơ thể phải được chia nhỏ về mặt tinh thần thành những phần tử nhỏ sao cho mỗi phần tử có thể được coi là một điểm. Bằng cách cộng các lực tương tác của tất cả các phần tử này với nhau về mặt hình học, chúng ta có thể tính được lực tương tác thu được.
Việc phát hiện ra định luật Coulomb là bước cụ thể đầu tiên trong việc nghiên cứu các tính chất của điện tích. Sự hiện diện của điện tích trong vật thể hoặc hạt cơ bản có nghĩa là chúng tương tác với nhau theo định luật Coulomb. Hiện tại không có sai lệch nào so với việc thực hiện nghiêm ngặt định luật Coulomb được phát hiện.
Thí nghiệm Coulomb
Nhu cầu tiến hành các thí nghiệm của Coulomb xuất phát từ thực tế là vào giữa thế kỷ 18. Rất nhiều dữ liệu chất lượng cao về hiện tượng điện đã được tích lũy. Cần phải cung cấp cho họ một cách giải thích định lượng. Vì lực tương tác điện tương đối nhỏ nên một vấn đề nghiêm trọng đã nảy sinh trong việc tạo ra một phương pháp có thể thực hiện các phép đo và thu được vật liệu định lượng cần thiết.
Kỹ sư và nhà khoa học người Pháp C. Coulomb đã đề xuất một phương pháp đo lực nhỏ, dựa trên thực tế thực nghiệm sau đây do chính nhà khoa học phát hiện ra: lực phát sinh khi dây kim loại biến dạng đàn hồi tỷ lệ thuận với góc xoắn, lũy thừa 4 của đường kính dây và tỉ lệ nghịch với chiều dài của dây:
\(~F_(ynp) = k \cdot \dfrac(d^4)(l) \cdot \varphi\) ,
Ở đâu d- đường kính, tôi- chiều dài dây, φ - góc xoắn. Trong biểu thức toán học đã cho, hệ số tỷ lệ kđược xác định theo kinh nghiệm và phụ thuộc vào bản chất của vật liệu làm dây.
Mô hình này đã được sử dụng trong cái gọi là cân xoắn. Thang đo được tạo ra cho phép đo các lực không đáng kể cỡ 5·10 -8 N.
Cơm. 3 Cân xoắn (Hình 3, a) bao gồm một thanh lắc thủy tinh nhẹ 9 Dài 10,83 cm, treo trên dây bạc 5 dài khoảng 75 cm, đường kính 0,22 cm, ở một đầu của đu quay có một quả cơm cháy mạ vàng 8 và mặt khác - một đối trọng 6 - một vòng tròn giấy nhúng vào nhựa thông. Đầu trên của dây được gắn vào đầu thiết bị 1 . Ở đây cũng có một dấu hiệu 2 , với sự trợ giúp của góc xoắn của sợi chỉ được đo theo thang tròn 3 . Thang đo đã được chia độ. Toàn bộ hệ thống này được đặt trong các bình thủy tinh 4 Và 11 . Ở nắp trên của hình trụ dưới có một lỗ để nhét một thanh thủy tinh có gắn một quả bóng vào. 7 cuối cùng. Trong các thí nghiệm, các quả bóng có đường kính từ 0,45 đến 0,68 cm đã được sử dụng.
Trước khi bắt đầu thử nghiệm, chỉ báo đầu được đặt thành 0. Sau đó quả bóng 7 được tích điện từ một quả bóng được tích điện trước 12 . Khi bóng chạm 7 với quả bóng di chuyển 8 sự phân phối lại phí xảy ra. Tuy nhiên, do đường kính của các quả bóng bằng nhau nên điện tích trên các quả bóng cũng giống nhau. 7 Và 8 .
Do lực đẩy tĩnh điện của các quả bóng (Hình 3, b), cần lắc 9 quay một góc nào đó γ (trên thang điểm 10 ). Sử dụng đầu 1 rocker này đã trở lại vị trí ban đầu. Trên thang điểm 3 con trỏ 2 cho phép xác định góc α xoắn sợi chỉ. Tổng góc xoắn φ = γ + α . Lực tương tác giữa các quả cầu tỉ lệ thuận φ , tức là, bằng góc xoắn người ta có thể đánh giá độ lớn của lực này.
Với khoảng cách không đổi giữa các quả bóng (được ghi trên thang đo 10 ở mức độ) sự phụ thuộc của lực tương tác điện của các vật thể điểm vào lượng điện tích trên chúng đã được nghiên cứu.
Để xác định sự phụ thuộc của lực vào điện tích của các quả bóng, Coulomb đã tìm ra một cách đơn giản và khéo léo để thay đổi điện tích của một trong các quả bóng. Để làm điều này, anh ta nối một quả bóng tích điện (những quả bóng 7 hoặc 8 ) có cùng kích thước không tích điện (bóng 12 trên tay cầm cách điện). Trong trường hợp này, điện tích được phân bổ đều giữa các quả bóng, điều này làm giảm điện tích đang nghiên cứu xuống 2, 4, v.v. Giá trị mới của lực tại giá trị mới của điện tích một lần nữa được xác định bằng thực nghiệm. Cùng lúc đó, hóa ra rằng lực tỉ lệ thuận với tích các điện tích của các quả bóng:
\(~F \sim q_1 \cdot q_2\) .
Sự phụ thuộc của cường độ tương tác điện vào khoảng cách được phát hiện như sau. Sau khi truyền điện tích cho các quả bóng (chúng có cùng điện tích), cần lắc lệch đi một góc nhất định γ . Sau đó quay đầu 1 góc này giảm xuống γ 1 . Tổng góc xoắn φ 1 = α 1 + (γ - γ 1)(α 1 – góc quay đầu). Khi khoảng cách góc của các quả bóng giảm xuống γ 2 góc xoắn tổng φ 2 = α 2 + (γ - γ 2) . Người ta nhận thấy rằng nếu γ 1 = 2γ 2, ĐẾN φ 2 = 4φ 1, tức là khi khoảng cách giảm đi 2 lần thì lực tương tác tăng theo hệ số 4. Mômen của lực tăng lên một lượng như nhau, vì trong quá trình biến dạng xoắn, mômen của lực tỷ lệ thuận với góc xoắn, và do đó lực (cánh tay của lực không đổi). Điều này dẫn đến kết luận sau: Lực tương tác giữa hai quả cầu tích điện tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng:
\(~F \sim \dfrac(1)(r^2)\) .
Văn học
- Myakishev G.Ya. Vật lý: Điện động lực học. Lớp 10-11: sách giáo khoa. để nghiên cứu chuyên sâu về vật lý / G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinykov, B.A. Slobodskov. – M.: Bustard, 2005. – 476 tr.
- Volshtein S.L. và cộng sự Phương pháp khoa học vật lý ở trường: Cẩm nang dành cho giáo viên / S.L. Volshtein, S.V. Pozoisky, V.V. Usanov; Ed. S.L. Wolshtein. – Mn.: Nè. Asveta, 1988. – 144 tr.