Часть III. Электрическое поле.
Раздел электричества, который занимается физикой неподвижных зарядов, называется электростатикой. Известно, что в природе существуют два рода электрических зарядов – положительных и отрицательных. Установлено, что заряды одинакового рода отталкиваются друг от друга, а разного рода притягиваются. На основании ряда экспериментов (Опыт Р. Милликена, А.Ф. Иоффе и др.) показано, что в природе все электрические заряды состоят из дискретных зарядов, и равных по модулю 1,6×10-19 Кл. Этот заряд по величине равен заряду электрона. Наименьшая, устойчивая частица, обладающая таким же по величине, но положительным зарядом является протон. Масса электрона и протона соответственно равна: 9,1 × 10-31кг и 1,67× 10-27кг.Обобщением большого количества опытных данных был установлен фундаментальный закон природы, закон сохранения заряда: в изолированной системе алгебраическая сумма зарядов, т.е. положительных и отрицательных остается постоянной. Изолированной или замкнутой системой называется система, не обменивающаяся зарядами с внешними телами.
Основной закон взаимодействия неподвижных зарядов установлен Кулоном экспериментально. До формулировки закона Кулона введем понятие точечного заряда (аналогично понятию материальной точки в кинематике), заряда, находящегося на теле линейные размеры которого пренебрежно малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми этот заряд взаимодействует. Причина этого введения, станет понятной чуть позже. По закону Кулона, сила взаимодействия между двумя точечными зарядами, находящимися в вакууме пропорциональна величинам этих зарядов q1 и q2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними
, (3.4.1)
где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единицы. Силы, действующие между зарядами направлены по прямой, соединяющей заряды т.е. являются центральными. Для одноименных зарядов (q1 > .0 и q2 > .0) или (q1 < . 0 и q2 < . 0) сила F > . 0 и для разноименных F < . 0. В векторной форме закон Кулона записывается так:
, (3.4.2)
где 
— сила, действующая на заряд 2 со стороны заряда 1, 
— радиус- вектор, направленный от заряда 1 к заряду 2, 
. Таким образом, уравнение (3.4.2) кроме всего выражает, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Если взаимодействующие заряды находятся не в вакууме, а в какой- либо среде, то закон Кулона записывается:
, (3.4.3)
где e — безразмерная величина, характеризующая электрические свойства среды и называется диэлектрической проницаемостью среды. Для вакуума e = 1. Из сравнения формул (3.4.1 и 3.1.3) следует, что e показывает во сколько раз сила взаимодействия между двумя зарядами в данной среде отличается от силы их взаимодействия в вакууме. Коэффициент k в системе СИ равен:
, (3.4.4)
где e0 = 8,85 × 10-12 Кл2/(Н×м2) или Ф/м и называется электрической постоянной. С учетом (3.4.3) и (3.4.4) закон Кулона можно записать:
. (3.4.5)
Полезно знать, что:
.
