Закон сохранения заряда в физике - формулы и определение с примерами

Закон сохранения заряда:

Закон сохранения заряда. Изменится ли общий заряд тела, когда тело электризуется? Чтобы ответить на этот вопрос, проведем следующий опыт (рис. 7.1а).

Возьмем электрометр, на его стержень установим металлический диск. Накрыв диск кусочком плотной ткани, потрем его другим диском, который имеет изолированную ручку. При этом стрелка электрометра будет наклоняться. Это показывает, что на ткани и диске появились электрические заряды.

Продолжим опыт. Диск, которым натерли ткань, соединяем со стрелкой второго электрометра (рис.7.1б). В этом случае стрелка второго электрометра тоже повернется. Угол наклона стрелки равняется углу наклона стрелки первого электрометра. Это показывает, что оба диска зарядились одинаково. Если соединить стержни каждого из двух электрометров металлическим проводником, мы увидим, что стрелки обоих электрометров приходят в нулевое положение. Это явление показывает, что электрометры имели равные по количеству, но разные по знаку заряды. Поэтому сумма этих зарядов равна нулю. 

Все опыты по электризации показали, что невозможно зарядить только одно тело. Чтобы зарядить тело, обязательно требуется второе тело. Какой отрицательный заряд получает одно из тел в процессе зарядки, такой же положительный заряд получит второе тело. В результате общее количество зарядов тела остается без изменения.
 

Алгебраическая сумма зарядов всех тел, входящих в любую закрытую систему, остается постоянной, т.е.:

Этот вывод называется законом сохранения электрических зарядов.
Закон сохранения зарядов открыт в 1750 году американским ученым и политическим деятелем Бенджамином Франклином.

Согласно теории Фарадея и Максвелла, вокруг наэлектризованных тел создается электрическое поле. Взаимодействие происходит как раз посредством этого электрического поля. Это поле невозможно потрогать руками или увидеть глазами. Его можно только почувствовать. Изучение воздействия электрического поля на заряженные частицы показало, что воздействие поля вблизи заряженного тела сильнее, а с удалением от него воздействие становится слабее. Чтобы показать, насколько сильно поле, созданное электрическим зарядом, введена величина, которая называется напряженностью электрического поля. Напряженность электрического поля определяется формулой:

Здесь  – напряженность поля в определенной его точке; – количество заряда, помещенного в эту точку поля; – сила, действующая на помещенный заряд со стороны электрического поля.
Электрическое поле характеризуется с помощью силовых линий или линий напряженности (рис. 7.2 и 7.3). Напряженность электрического поля является векторной величиной и направлена по направлению силовых линий.

Единица напряженности  или .
Подсчитаем напряженность поля точечного заряда на расстоянии :

Здесь – расстояние от точечного заряда до точки, где определяется напряженность поля; .
Электрическое поле в основном создают системы зарядов. Например, если в определенную точку поля, созданного системами зарядов  и  ввести пробный заряд, то на него со стороны каждого заряда будут действовать силы  и  (рис. 7.4). Среднее значение сил, воздействующих на пробный заряд, равно:

В этом случае напряженность поля в точке  равняется:

На основании выражения (7.5) делаем следующий вывод:
Напряженность электростатического поля, создаваемого в данной точке системой зарядов, равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых в этой точке каждым зарядом в отдельности.

Это уравнение называется принципом суперпозиции электрического поля.

Смысл слова «суперпозиция» означает «суммирование или «сложения».
Вычислим по принципу суперпозиции напряженность поля, создаваемого в определенной точке двумя точечными зарядами, расположенными на расстоянии r друг от друга (рис. 7.4). Напряженность поля каждого заряда в рассматриваемой точке определяется выражением  и .

Итоговая напряженность поля заряда в данной
точке по принципу суперпозиции вычисляется на основании следующей формулы:

Здесь и соответственно напряженности полей точечных зарядов в рассматриваемой точке, – угол между векторами напряженности поля.

Образец решения задачи:

Два противоположно заряженных точечных заряда величиной по 4 нКл каждый расположены на расстоянии 10 см друг от друга. Чему равна напряженность поля в точке, расположенной на расстоянии 8 см от первого заряда, 6 см от второго заряда?
Дано:

Найти:

Формула и решение:

Ответ: