§ 17. Электрическое взаимодействие

В предыдущей главе мы дали определение понятию силы и связали силу с потенциальной энергией. Теперь мы перейдем к конкретному разбору некоторых из тех взаимодействий, которые лежат в основе различных физических явлений.

Одним из наиболее важных видов взаимодействия в природе является электрическое взаимодействие. В частности, силы, действующие в атомах и молекулах, имеют в основном электрическое происхождение; поэтому главным образом это взаимодействие определяет внутреннюю структуру различных тел.

Силы электрического взаимодействия связаны с существованием особой физической характеристики частиц — электрического заряда. Тела, не несущие электрических зарядов, электрически между собой не взаимодействуют.

Если тела можно рассматривать как материальные точки, то сила электрического взаимодействия между ними пропорциональна произведению зарядов этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Это положение называется законом Кулона. Обозначив силу электрического взаимодействия через F, заряды тел через ег и е2 и расстояние между ними через г, можно записать закон Кулона в виде

Сила F направлена по прямой, соединяющей заряды, и может, как показывает опыт, в одних случаях приводить к притяжению, а в других — к отталкиванию заряженных тел. Поэтому говорят о зарядах разных знаков: тела, заряженные зарядами одного знака, отталкиваются друг от

друга, а тела, заряженные зарядами разных знаков, притягиваются друг к другу. При этом положительный знак силы в законе Кулона означает отталкивание, а отрицательный — притяжение. Какие именно заряды считать положительными, а какие — отрицательными, собственно говоря, безразлично, и принятый в физике выбор знаков является условным, установившимся исторически. Безусловный смысл имеет лишь различие знаков зарядов. Если бы мы переименовали все отрицательные заряды в положительные и наоборот, то никакого изменения в физических законах от этого не произошло бы.

Так как с зарядами мы встретились впервые и не имеем еще единицы для их измерения, то мы можем выбрать коэффициент пропорциональности в законе Кулона равным

единице: F=-?~. Тем самым мы устанавливаем определенную единицу заряда, а именно: заряд, который взаимодействует с другим таким же зарядом, находящимся на расстоянии одного сантиметра от первого заряда, с силой, равной одной дине. Эта единица называется электростатической единицей заряда. Систему единиц, основанную на таком выборе постоянного коэффициента в законе Кулона, называют электростатической системой, или системой СГСЭ. Размерность заряда в этой системе

В системе единиц СИ пользуются большей единицей заряда, называемой кулоном и равной

1 кулон = 1 к = 3 -10е СГСЭ единиц заряда.

Имея выражение для силы электрического взаимодействия, можно найти взаимную потенциальную энергию двух электрических зарядов е, и е2. Если расстояние между этими зарядами увеличится на dr, то будет произведена работа

dA=^~-dr, С другой стороны, эта работа равна убыли

потенциальной энергии I). Поэтому

откуда

Строго говоря, здесь можно написать еще постоянное слагаемое; мы положили его равным нулю с тем, чтобы потенциальная энергия обращалась в нуль при бесконечном удалении зарядов друг от друга. Таким образом, потенциальная энергия взаимодействия двух зарядов обратно пропорциональна расстоянию между ними.