Тема 1. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ.
Электрический заряд
Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Наличие электрического заряда проявляется в том, что заряженное тело взаимодействует с другими заряженными телами. Имеется два вида электрических зарядов, условно называемых положительными и отрицательными. Заряды одного знака отталкиваются, разных знаков - притягиваются друг другом.
Электрический заряд является неотъемлемым свойством некоторых элементарных частиц. Заряд всех элементарных частиц (если он не равен нолю) одинаков по абсолютной величине. Его можно назвать элементарным зарядом. Положительный элементарный заряд мы будем обозначать буквой e. К числу элементарных частиц относятся, в частности, электрон (несущий отрицательный заряд - e), протон (несущий положительный заряд + e) и нейтрон (заряд которого равен нолю). Из этих частиц построены атомы и молекулы любого вещества, поэтому электрические заряды входят в состав всех тел.
Поскольку всякий заряд q образуется совокупностью элементарных зарядов, он является целым кратным e:
Однако элементарный заряд настолько мал, что возможную величину макроскопических зарядов можно считать изменяющейся непрерывно. Электрические заряды могут исчезать и возникать вновь. Однако всегда возникают или исчезают два элементарных заряда противоположных знаков. Поэтому суммарный заряд электрически изолированной системы не может изменяться (закон сохранения электрического заряда). Под электрически изолированной системой понимается такая система, у которой через ограничивающую ее поверхность не могут проникать заряженные частицы.
Закон Кулона
Закон, которому подчиняется сила взаимодействия точечных зарядов, был установлен экспериментально в 1785 г. французским ученым Ш. Кулоном. Точечным зарядом называется заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием от этого тела до других тел, несущих электрический заряд.
С помощью крутильных весов Кулон измерял силу взаимодействия двух заряженных шариков в зависимости от величины зарядов на них и от расстояния между ними.
В результате своих опытов Кулон при шел к выводу, что сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов пропорциональна величине каждого из зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Закон Кулона может быть выражен формулой
(2.1)
k - коэффициент пропорциональности.
Сила F 12 отличается от силы F 21 знаком
(2.2)
Одинаковый для обоих зарядов модуль силы взаимодействия можно представить в виде
(2.3)
Опыт устанавливает, что сила взаимодействия двух данных зарядов не изменяется, если вблизи них поместить еще какие-либо заряды.
Пусть имеется заряд qa и, кроме того, N зарядов q1, q2,q3... qN.
Из сказанного выше вытекает, что результирующая сила F, с которой действуют на qa все N зарядов qi, определяется формулой
(2.4)
где F ai - сила, с которой действует на qa заряд qi в отсутствие остальных N - 1 зарядов.
В системе СИ коэффициент k равен
т.е. 
(2.5)
- электрическая постоянная, равная = 8,85 10 Ф/м.
Единицей заряда в СИ является кулон (Кл). Элементарный заряд, выраженный в кулонах, равен
В абсолютной электростатической системе единиц (СГСЭ) коэффициент k = 1 и
(2.6)
1 Кл = 2,998 109 СГСЭ ед. заряда.
Электрическое поле. Напряженность электрического поля.
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 воздействием силы.
Итак, для обнаружения и исследования электрического поля нужно воспользоваться некоторым "пробным" зарядом.
Исследуем с помощью точечного пробного заряда qпр поле создаваемое неподвижным точечным зарядом q
Мы обнаружим, что на qпр действует сила
(3.1)
Здесь e r - орт радиус-вектора r.
Из формулы (3.1) видно, что отношение 
для всех пробных зарядов будет одним и тем же и зависит лишь от величин q и r, определяющих поле в данной точке. Поэтому естественно принять это отношение в качестве величины, характеризующей электрическое поле:
(3.2)
Эту величину называют напряженностью электрического поля в данной точке. Напряженность электрического поля численно равна силе, действующий на единичный точечный заряд, находящийся в данной точке поля. Направление вектора E совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд.
Из формул (3.1) и (3.2) следует, что напряженность поля точечного заряда пропорциональна величине заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния от заряда до данной точки поля:
(3.3)
Направлен вектор вдоль радиальной прямой, проходящей через заряд и данную точку поля, от заряда, если он положительный, и к заряду, если он отрицательный.
К понятию напряженности электрического поля мы пришли, исследуя поле неподвижного точечного заряда. Однако определение электрического поля распространяется и на случай поля, создаваемого любой совокупностью неподвижных зарядов. Ранее мы говорили, что сила, с которой система зарядов действует на некоторый не входящий в систему заряд, равна векторной сумме сил, с которыми действует на данный заряд каждый из зарядов системы в отдельности. Отсюда вытекает принцип суперпозиции (наложения) электрических полей: напряженность электрического поля системы зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, которые создавал бы каждый из зарядов системы в отдельности
(3.4)
Принцип суперпозиции позволяет вычислить напряженность поля любой системы зарядов.
Электрическое поле можно описать указав для каждой точки величину и направление вектора E. Это делается с помощью линий напряженности электрического поля или сокращённо - линий E (их называют также силовыми линиями). Линии напряженности проводят таким образом, чтобы касательная к ним в каждой точке совпадала с направлением вектора Е. Густота линий выбирается так, чтобы количество линий пронизывающих единицу поверхности, перпендикулярную к силовым линиям, было пропорционально числовому значению вектора Е. Тогда по картине линий напряженности можно судить о направлении и величине вектора Е в разных точках пространства.
Линии напряженности электрического поля Е для точечного заряда представляют собой совокупность радиальных прямых, направленных от заряда, если он положителен, и к заряду, если он отрицателен.
Для построения линий есть одно общее и важное правило, вытекающее из природы поля, что линии Е нигде, кроме заряда, не начинаются и не заканчиваются; т.е. для всех электростатических полей, создаваемых любой системой неподвижных зарядов, линии напряженности могут начинаться или заканчиваться лишь на зарядах либо уходить в бесконечность.