Усі види сил пружності й тертя мають електромагнітну природу; життєдіяльність рослин, організмів тварин і людей базується на електромагнітних взаємодіях. Вивчає цю взаємодію електродинаміка — наука про властивості електромагнітного поля, через яке здійснюється взаємодія електрично заряджених тіл або частинок. Якщо електрично заряджені тіла або частинки перебувають у спокої, їх взаємодія розглядається в розділі електродинаміки, який називають електростатикою. З основами електростатики ви ознайомились у курсі фізики \(8\) класу. А от щоб іти далі, необхідно згадати базові поняття.
Електричний заряд \(q\) — це фізична величина, яка характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітну взаємодію.
Одиниця електричного заряду в СІ — кулон: [\(q\)] = \(1\) \(Кл\) (C).
Основні властивості електричного заряду:
- Існують два роди електричних зарядів — позитивні й негативні. Електричний заряд такого роду, як заряд, отриманий на бурштині або ебонітовій паличці, потертих об вовну, прийнято називати негативним, а такого роду, як заряд, отриманий на паличці зі скла, потертій об шовк, — позитивним.
- Тіла, що мають заряди одного знака, відштовхуються; тіла, що мають заряди протилежних знаків, притягуються.
- Носієм електричного заряду є частинка — електричний заряд не існує окремо від неї.
- Електричний заряд є дискретним, тобто електричні заряди фізичних тіл кратні певному найменшому (елементарному) заряду. Носій найменшого негативного заряду — електрон. Цей заряд зазвичай позначають символом \(е\); його значення: , Кл. носій найменшого позитивного заряду — протон. Заряд протона за модулем дорівнює заряду електрона. Якщо \(q\) — заряд тіла, \(е\) — заряд електрона, \(N\) — ціле число, то .
Електризація — це процес одержання електричного заряду макроскопічними тілами або їх частинами. Є кілька способів електризації, серед них — електризація тертям (трибоелектрика). Ви вже знаєте, що в процесі електризації тертям відбувається тісний контакт двох тіл, виготовлених із різних матеріалів, і частина електронів переходить з одного тіла на інше. Після роз’єднання тіл виявляється, що тіло, яке віддало частину своїх електронів, заряджене позитивно, а тіло, яке одержало ці електрони, заряджене негативно. За будь-якого способу електризації тіл відбувається перерозподіл наявних в них електричних зарядів, а не поява нових. Це твердження є наслідком одного з найважливіших законів природи — закону збереження електричного заряду:
Повний заряд електрично замкненої системи тіл залишається незмінним під час усіх взаємодій, які відбуваються в цій системі:
Таким чином, якщо перед електризацією тертям скляної палички об шовкову тканину і паличка, і тканина були незарядженими, то після тертя вони виявляться зарядженими, причому їхні заряди будуть однаковими за модулем і протилежними за знаком. Тобто їхній сумарний заряд, як і перед дослідом, дорівнюватиме нулю.
Французький фізик Шарль Кулон (\(1736–1806\)) експериментально встановив закон, який став основним законом електростатики і був названий на його честь, — закон Кулона:
Сила \(F\) взаємодії двох нерухомих точкових зарядів і прямо пропорційна добутку модулів цих зарядів і обернено пропор ційна квадрату відстані \(r\) між ними:
Де — коефіцієнт пропорційності, а — діелектрична проникність середовища. Нагадаємо: точковий заряд — це фізична модель зарядженого тіла, розмірами якого можна знехтувати порівняно з відстанями від нього до інших заряджених тіл, що розглядаються. Коефіцієнт пропорційності \(k\) чисельно дорівнює силі, з якою взаємодіють два точкові заряди по \(1\) \(Кл\) кожний, розташовані у вакуумі на відстані \(1\) \(м\) один від одного.
Іноді замість коефіцієнта \(k\) застосовують інший коефіцієнт — , що має назву електрична стала: .