Рассчитаем электрическое поле, создаваемое одним точечным зарядом или двумя точечными зарядами, расположенными близко друг от друга. Напряженность Е на расстоянии r от точечного заряда. Поскольку сила взаимодействия между зарядом q и единичным пробным зарядом qпр равна F = kqqпр/r² и поскольку создаваемое зарядом q электрическое поле равно E =F/qпр,
то E=kq/r²
В своей простейшей форме закон Кулона справедлив только для силы взаимодействия между точечными зарядами или равномерно заряженными шарами. Обратно пропорциональная зависимость силы взаимодействия от квадрата расстояния выражает геометрические свойства пространства так же, как и в случае гравитационного притяжения между шарами. Если влияние (или воздействие) распространяется из точки или равномерно с поверхности шара, причем без затухания или поглощения, то мера воздействия, приходящегося на единицу площади (единичную площадку), обратно пропорциональна квадрату расстояния от центра источника. Причина этого в том, что площадь поверхности расширяющейся сферы влияния равна 4лr². Поскольку воздействие, проходящее через поверхность каждой концентрической сферы, все время одно и то же, а площадь поверхности сферы пропорциональна r², то воздействие, приходящееся на единицу площади, должно быть пропорционально 1/r².
Существует практическое применение электростатики, в котором объединены многие из рассмотренных выше аспектов с целью создания устройства, которое используется и как игрушка, и как инструмент для исследований. Это так называемый генератор Ван-де-Граафа. На рисунке показана схема устройства, которое можно использовать и как игрушку, и как школьный демонстрационный прибор. Электрические заряды распыляются на движущуюся ленту и поднимаются наверх в изолированный купол, где они накапливаются.
В настоящее время электростатические эффекты объясняются с помощью представления о переносе электронов с одного вещества на другое. Твердый каучук при потираний его предметом из любого другого вещества будет захватывать электроны; таким образом, в соответствии с представлениями, развитыми Франклином свыше 200 лет назад, электроны обладают отрицательным электрическим зарядом.
Поскольку, как сейчас известно, электроны являются носителями заряда в металлических проводниках, то иногда возникает вопрос, течет ли ток в направлении движения электронов или в направлении движения положительного заряда. По существующему соглашению, за направление тока принимается направление движения положительных зарядов. Не следует, однако, упрекать Бенджамина Франклина. В полупроводниках, газоразрядных трубках и электролитических ваннах носителями тока могут быть и положительно, и отрицательно заряженные частицы.
Ранее отмечалось, что в первом издании Британской энциклопедии, вышедшем в 1771 году, энергии посвящено только два предложения. Наше современное представление об энергии возникло лишь 80 лет спустя. А вот раздел, посвященный электричеству, занимает многие страницы, причем содержит повторяющиеся ссылки на исследования Бенджамина Франклина. Согласно этому первому изданию Британской энциклопедии, «слово «электричество» означает в целом эффекты исключительно неуловимой жидкой материи, отличной по своим свойствам от всех других жидкостей, которые нам известны. Эта жидкость способна соединяться почти со всяким телом, но с большей готовностью соединяется с некоторыми специфическими телами, чем с другими; ее движение поразительно быстро. Оно управляется особыми законами и приводит к огромному разнообразию отдельного явления».
Познакомиться с явлениями электростатики не составляет никакого труда, особенно в сухую погоду. Если вы снимаете свитер, сдергиваете с постели одеяло или идете по ковру, вы превращаетесь в слабое подобие Зевса-громовержца. Проскакивают крошечные искры, слышится потрескивание воздуха. В очень сухой день на толстом ковре вы представляете опасность для себя и для своих друзей. Вот несколько способов познакомиться с электростатическими эффектами на более последовательной основе.
1. Надуйте небольшой воздушный шар, и у вас будет превосходный источник отрицательных электрических зарядов. Потрите шар о шерсть или мех, или, лучше всего, о свои волосы, и вы обнаружите, что шар будет прилипать к телу, о которое вы его потерли, и буквально ко всему остальному, включая ближайшую стену. В этом конкретном случае, как и во всех остальных, которые будут описаны, совершенно не обязательно сильно тереть предметы друг о друга. Разделение электрических зарядов происходит и в результате контакта между двумя различными материалами. При трении двух тел друг о друга просто увеличивается область контакта.
Сообщение в газетах: “…Сегодня в Китае открыта самая большая в мире электростанция. Тысячи маленьких китайцев в шелковых штанишках съезжают по стеклянному желобу.”
С какой силой F будут притягиваться два одинаковых свинцовых шарика радиусом r = 1 см, расположенные на расстоянии R = 1 м друг от друга, если у каждого атома первого шарика отнять по одному электрону и все эти электроны перенести на второй шарик? Молярная масса свинца М = 207 * 10^-3 кг/ моль, плотность p = 11,3 г/см3
Два одинаковых шарика массами по 100 г подвешены в воздухе на тонких нитях одинаковой длины l=2 м. Шарикам сообщен заряд q=-1 мкКл. Найти расстояние r на которое разойдутся шарики.
Между пластинами плоского конденсатора, расположенного горизонтально, на расстоянии 10 см от нижней пластины находится неподвижный заряженный шарик. Разность потенциалов между пластинами 300 В . Через какое время шарик упадет на нижнюю пластину, если разность потенциалов мгновенно уменьшится до 150 В?