Усі види сил пружності й тертя мають електромагнітну природу; життєдіяльність рослин, організмів тварин і людей базується на електромагнітних взаємодіях. Вивчає цю взаємодію електродинаміка – наука про властивості електромагнітного поля, через яке здійснюється взаємодія електрично заряджених тіл або частинок. Якщо електрично заряджені тіла або частинки перебувають у спокої, їх взаємодія розглядається в розділі електродинаміки, який називають електростатикою.

Фундаментальні властивості зарядів частинок.

1. 1. 1. В природі існує два види електричних зарядів: додатні (позитивні) та від’ємні (негативні).

      2. Заряди можуть передаватись ( наприклад, під час контакту ) від одного тіла до іншого. На відміну від маси електричний заряд не є невід’ємною характеристикою тіла. Одне і те ж тіло в різних умовах може мати різний електричний заряд.

      3. Однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні – притягуються. В цьому також проявляється принципова відмінність електромагнітних сил від гравітаційних. Гравітаційні сили завжди є силами притягання.

      4. Одним з фундаментальних законів природи є експериментально встановлений закон збереження електричного заряду.

В ізольованій системі алгебраїчна сума зарядів всіх тіл залишається сталою:   q1+q2+q3+ … = const

Закон збереження електричного заряду стверджує, що в ізольованій (замкненій) системі тіл не можуть спостерігатись явища народження або зникнення зарядів лише одного знаку.

З погляду сучасної науки носіями електричного заряду є елементарні частинки. 

Всі оточуючі нас тіла складаються з атомів, які в свою чергу складаються з позитивно заряджених протонів, негативно заряджених електронів і нейтральних частинок – нейтронів. Протони і нейтрони входять до складу атомних ядер, електрони утворюють електронні оболонки атомів. Електричні заряди протона і електрона по модулю однакові і дорівнюють елементарному заряду е:

На початку ХІХ ст. у фізиці з’явилося нове поняття, яким сьогодні означують частину матерії, з якої складається світ – поняття поля. Автором нововведення був  британський учений Майкл Фарадей.

Логічно поставити запитання про існування проміжного агента, субстанції, за допомогою якої здійснюється ця взаємодія. На початку ХІХ ст., домінуючою точкою зору у причині природних взаємодій, була точка зору миттєвої взаємодії між предметами на відстані, без будь-який пояснень або носіїв цієї взаємодії. Ця точка зору, підкріплена авторитетом Ісаака Ньютона, уважалася неспростовною істиною, оскільки навіть ліквідація повітря між зарядженими тілами не знищувала їх взаємодію. Молодий учений – експериментатор Майкл Фарадей, 1820 року, висуває сміливу гіпотезу про існування проміжної субстанції в просторі, що відповідала за електричну взаємодію, і називає її електричним полем. Його гіпотеза ґрунтувалася на експерименті, який він провів, спостерігаючи поведінку дрібних непровідних порошинок, які перебували поблизу зарядженого тіла. Відтворення експерименту Фарадея дозволяє не тільки зрозуміти його гіпотезу, а й уявити вигляд цієї субстанції. У 60-х роках цього ж сторіччя, інший британський науковець Джеймс Максвел, зміг побудувати математичну модель електричного поля в поєднанні з полем магнітних взаємодії, яка отримала назву теорії електромагнітного поля. Згодом ця теорія отримала експериментальне підтвердження, що дозволяє сьогодні вважати Майкла Фарадея засновником теорії поля.

Оскільки електричне поле (і взагалі поле) є частиною простору, воно має характеристики, відмінні від характеристик речовини.

Лінії, за допомогою яких зображують електричне поле, називають силовими лініями електричного поля.

Силові лінії поля вважають направленими. За напрямок силової лінії електростатичного приймається напрямок дії сили електричної взаємодії на позитивно заряджену частку у цьому полі. У разі коли заряджених тіл декілька, поле зображується складними кривими.

Дослідження кількісного закону взаємодії електризованих тіл розпочалося з експерименту, розробленого британським дослідником Генрі Кавендішем, по розподілу електричного заряду на поверхні порожнистої кулі. За умови, коли електричний заряд передавався кулі із внутрішньої частини, він повністю зосереджувався на її поверхні, у той час коли тіло, що передавало заряд повністю його втрачало. Згодом Д. Бернуллі та Генрі Кавендіш висловлюють точку зору про те, що, сила взаємодії має бути обернено пропорційною квадрату відстані між наелектризованими тілами. Лише при такій умові заряд міг рівномірно розподілитися по поверхні кулі в експерименті Кавендіша.

Російський дослідник Франц Епінус висунув гіпотезу про те, що сила взаємодії наелектризованих тіл пропорційна добутку величин їх зарядів.

Речовина, що розділяє взаємодіючі заряди, послаблює електричне поле яке ними створюється. Досліди Кулона проводилися в повітрі, яке впливає на поле досить слабко. У випадку взаємодії тіл у інших речовинах, використовують коефіцієнт послаблення поля, який називається діелектричною проникністю речовини і позначається ε. Для води він, наприклад, рівний 80, тобто вода послаблює взаємодію в 80 раз. Значення цих коефіцієнтів установлюється експериментально та входить до складу таблиць.

Заряди і поля

Опис

Розташуйте позитивні і негативні заряди в просторі і розгляньте отримане електричне поле і електростатичний потенціал. Сплануйте, які будуть еквіпотенційні лінії і з'ясуйте їх зв'язок з електричним полем. Створіть моделі диполів, конденсаторів і багато іншого!

Навчальні цілі

• Визначте змінні, які впливають на взаємодію заряджених тіл.

• Передбачте, як заряджені тіла будуть взаємодіяти.

• Опишіть силу і напрям електричного поля навколо зарядженого тіла.

• Використайте діаграми і вектори для того, щоб допомогти пояснити взаємодією.

Закон Кулона

Приклади навчальних цілей

• Пов’яжіть величину електростатичної сили із зарядами та відстанню між ними

• Поясніть третій закон Ньютона щодо електростатичних сил

• Використовуйте вимірювання, щоб визначити константу Куломба

• Визначте, що робить силу притягуючою чи відштовхувальною.