Электродинамика: основные понятия и законы электростатики

В электродинамике можно выделить 4 подраздела:

1. электростатика;
2. постоянный ток;
3. магнетизм;
4. электромагнитные колебания.

В кодификаторе ЕГЭ оптику также рассматривают как подраздел электродинамики, но мне кажется, что её разумнее отнести к самостоятельному разделу.

В природе существуют два типа зарядов — положительные и отрицательные.

Заряды взаимодействуют между собой. Одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые — притягиваются.

Соберём экспериментальные установки, состоящие из двух нитей и расположенных на них одноимённо заряженных шариков:

В обоих опытах шарики отталкиваются друг от друга, так как они заряжены одноимённо.

Если зарядить шарики разноимённо, то они будут притягиваться друг к другу:

Самым маленьким в природе зарядом обладает электрон, этот заряд называют элементарным. Модуль заряда электрона $e = 1,6 \cdot 10^{-19} \text{ Кл}$. Эта величина является неделимой, поэтому заряд любого тела кратен заряду электрона. Таким образом, тело с зарядом $2 \cdot 10^{-19} \text{ Кл}$ существовать не может.

Если тело имеет одинаковое количество отрицательных и положительных зарядов, то суммарный заряд равен нулю. В таком случае тело является нейтральным.

Любое тело имеет в своём составе и протоны, и электроны, то есть и положительные и отрицательные заряды. Заряд тела определяется избытком или недостатком электронов. Например, если у шара есть 4 электрона и 3 протона, то шар заряжен отрицательно.

Электризация тел

Диэлектрики способны накапливать электрический заряд. В зависимости от материала знак заряда изменяется.

Для измерения величины заряда используют электроскоп.

В качестве примера используем эбонитовую палочку и кусок шерсти. Если потереть палочку о шерсть, то эбонитовая палочка приобретёт отрицательный заряд а шерсть положительный. При касании палочкой электроскопа, его стрелка отклонится.

Изначально шерсть и эбонитовая палочка электронейтральны. При трении их друг о друга, на эбонитовую палочку перетекают электроны, то есть создаётся их избыток,в результате чего она приобретает отрицательный заряд. В то же время у шерсти появляется недостаток электронов, и она приобретает положительный заряд.

Возьмём стеклянную палочку и шёлк, оба тела изначально нейтральны. Потрём палочку о шёлк, в результате чего стеклянная палочка приобретёт положительный заряд, а шёлк — отрицательный. При касании палочкой электроскопа, его стрелка также отклонится.

Рассмотрим два электрометра, заряженных равными по модулю, но противоположными по знаку зарядами. При соединении шаров электрометров проводником, они обмениваются зарядами и разрядятся, то есть стрелка отклонится в начальное положение.

Такой результат объясняется законом сохранения заряда.

Закон сохранения электрического заряда

Следовательно, если изначально в изолированной системе находились два заряда q₁ и q₂, то сумма зарядов остаётся постоянной:

$q_1 + q_2 = const$

Если эти заряды привести в соприкосновение, а затем раздвинуть, заряды станут равны q₁’ и q₂’ , но их сумма остаётся неизменной.

$q_1 + q_2 = q’_1 + q’_2$

Запишем закон сохранения заряда в общем виде:

$q_1 + q_2 + \dots + q_n = q’_1 + q’_2 + \dots + q’_n$

Чаще всего в ЕГЭ по физике в качестве носителей заряда используются материальные точки.

Задание 1

Два одинаковых электрометра А и Б, шары которых заряжены, изображены на рисунке. В первом опыте электрометры соединяют деревянной линейкой, во втором — медной проволокой. Выберите все утверждения, соответствующие данным этих опытов.

1. Во втором опыте показания электрометров останутся прежними.
2. В первом опыте показания электрометров останутся прежними.
3. Во втором опыте шар электрометра Б станет положительно заряженным.
4. Во втором опыте шары обоих электрометров будут иметь одинаковый заряд.
5. В первом опыте линейка приобретает заряд, отличный от нуля.