Электродинамика

Электродинамика
Электрический заряд
Электрическое поле в вакууме
Работа электрических сил
Потенциал электростатического поля
Графическое изображение электростатического поля
Практическое занятие по физике
Тепловое излучение
Специальная теория относительности

Законы фотоэффекта

Теория атома водорода по Бору
Волновые свойства микрочастиц
Контрольная работа № 1
Уравнение Шредингера
Квантовая модель атома водорода
Многоэлектронные атомы. Принцип Паули

Квантовая теория свободных электронов в металле

Нерелятивистская квантовая механика
Атомное ядро. Закон радиоактивного распада.
Изучить экзоэнергетические реакции деления и синтеза.
Лекции и конспекты по физике

Векторы электромагнитного поля

Закон электромагнитной индукции
Теорема Гаусса в дифференциальной форме
Векторные операции в различных системах координат
Силовые линии и эквипотенциальные поверхности
Граничные условия на поверхности раздела двух диэлектриков.
Поле внутри проводящего тела в условиях электростатики
Плоскопараллельное поле
Ёмкость
Поле и ёмкость параллельных несоосных цилиндров
Формулы Максвелла
Ротор (вихрь)
Электрическое поле в проводящей среде
Магнитное поле постоянных токов
Расчет магнитных экранов
Энергия магнитного поля
Переменное электромагнитное поле в неподвижной среде
Плоская волна в проводящей среде
Теорема Умова-Пойнтинга
Поверхностный эффект
Атомная физика
Атомные ядра

РАДИОАКТИВНОСТЬ

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
 

Электрический заряд

Истоки учения об электромагнетизме начинаются в городе Милете, где в VI в. до Р.Х. местный натурфилософ Фалес наблюдал как янтарь, потёртый о шерсть, притягивал лёгкие предметы, а "магнесийский камень" (магнит) притягивал кусочки железа. Он же первый дал объяснение наблюдаемому - как пишет Аристотель: "Фалес наделял душой даже неодушевлённое, поскольку полагал душу двигательным началом и поэтому считал, что магнесийский камень имеет душу, так как движет железо, и янтарь имеет душу, так как движет предметы". "Душевное" объяснение привело к тому, что люди стали считать причину свойств янтаря и магнита одинаковой. Однако особого интереса у натурфилософов эти явления не вызвали и потому долгое время не изучались. Интерес к ним постепенно стал возникать в связи с практическими проблемами. Врач Филипп Аврелий Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм (известный как Парацельс) создаёт в XVI в. магнитную теорию Вселенной, согласно которой все основные свойства предметов и человека зависят от количества имеющейся у них магнитной энергии. При этом Парацельс делает вывод, что с помощью магнитной энергии можно исцелять любые заболевания. Под магнитной энергией понималась и энергия "минерального магнетизма", и энергия, выделяемая людьми. Начинается изучение магнетизма в двух его проявлениях, и в 1600 г. появляется первое исследование по минеральному магнетизму, выполненное другим врачом, придворным медиком английской королевы Елизаветы У. Гильбертом "О магните, магнитных телах и большом магните Земли", в котором утверждается, что Земля есть гигантский магнит, что каждый магнит имеет два полюса - "северный" (положительный) и "южный" (отрицательный). При этом одноимённые полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются и каждый из полюсов притягивает куски железа.

Гильберт изучал и явления, связанные с янтарём и обнаружил, что свойствами янтаря - притягивать предметы - обладают и другие материалы, например, сургуч, потёртый мехом, или стекло, натёртое шёлком. Для описания этих свойств Гильберт ввёл термин "электричество". Из наблюдений следовало, что электричество тоже бывает двух родов - положительное и отрицательное, при этом два тела, обладающие электричеством одного рода отталкиваются, а разных родов - притягиваются. Кроме того, Гильберт обнаружил, что тела, обладающие электричеством разного рода можно изолировать один от другого, а для магнитных тел этого сделать нельзя. Таким образом, Гильберт впервые разграничил электрические и магнитные явления. Причиной наблюдаемых явлений стали считать наличие в телах флюидов, т.е. гипотетических жидкостей, которые не имели веса, цвета, запаха и т.п. - другими словами, сами по себе не ощущались ни визуально, ни осязательно и т.п. Считалось, что тело, не обладающее электрическими свойствами, имеет одинаковое количество жидкостей обоих знаков; когда равенство нарушается, тело приобретает электрические свойства, причём знак определяется избытком соответствующей жидкости. Используя флюидную теорию, пришедшую на смену "душевной", можно было качественно объяснять электрические явления.

С приходом новой науки возникла проблема количественного описания электрических явлений, целью которого являлось нахождение функциональной связи измеряемых величин. Однако эталона электрических жидкостей не было. Можно было для определения меры электричества использовать другой способ - нахождение её величины из феноменологической зависимости, но зависимости такой тоже не было.

Проблема была решена в 1785 г. Кулоном, который на созданных им крутильных весах, изначально предназначенных для измерения вязкости жидкостей, открыл закон, названный его именем. Справедливости ради, надо отметить, что первым этот закон открыл в 1770 г. Г. Кавендиш, но, будучи не уверен в результате, не опубликовал его.

Итак, у Кулона не было ни меры электричества, ни закона взаимодействия, однако к тому времени был известен закон всемирного тяготения, и можно было допустить, что в случае электрических явлений для двух точечных тел, содержащих количества электрических жидкостей  и  сила взаимодействия

где  - коэффициент, а   - расстояние между телами.

Оставалось проверить закон эмпирически. Зависимость силы  от расстояния  как  проверялась на опыте непосредственно: для этого два произвольно заряженных тела помещались на различных расстояниях и измерялись расстояние   и сила .

Чтобы определить зависимость силы от количества электрической жидкости был использован такой приём: четыре точечных тела заряжались неизвестными количествами электрической жидкости (главное условие -неизменность количества жидкости в каждом теле в течение времени измерений), затем их тела помещали попарно на одинаковых расстояниях (первое - со вторым, третье - с третьим, первое - с четвёртым, второе - с третьим , ...) и измеряли силу взаимодействия. Это давало возможность находить отношения количеств жидкостей, содержащихся в каждом теле и сил. Если закон угадан правильно, то имеют место соотношения:   и подобные им.

Здесь индексы 1, 2, 3, 4 - означают номера тел. Эксперименты подтвердили, что такие соотношения имеют место.

Таким образом был установлен закон взаимодействия двух точечных тел, имеющих электрические жидкости в количествах  и .

Однако таким путём можно было определить только отношение величин , сама же единица электрической жидкости (позднее термин "электрическая жидкость" заменили на термин "электричество"), т.е. электричества, может быть выбрана произвольно. Самое простое было положить в законе  и тогда закон принимал вид .

Из закона следовало, что в случае двух тел с равными количествами электричества . Если взять два таких точечных тела, поместить их на расстоянии 1 см, то при силе взаимодействия между ними в 1 дину, можно считать, что каждое из тел содержит единичное количество электричества.

 

Эта единица электричества носит название: одна абсолютная электростатическая единица электричества. Количество электричества получило название электрический заряд. Таким образом, в законе Кулона идёт речь о взаимодействии двух точечных зарядов. Если закон используется в системе единиц измерений, где основными механическими величинами являются величины системы CGS (сантиметры, грамм, секунда), а основной электрической величиной является электрический заряд (выраженный в единицах системы CGSE), то выражение для закона имеет вид: .

В настоящее время принято использовать систему СИ. Механические единицы системы измерений в системе СИ - метр, килограмм, секунда, а основной единицей электрической величины является  - сила тока в 1 а (ампер). (Сила тока  и заряд  связаны соотношением , где  - время).

Положив   и , получим единицу заряда  (кулон). Поскольку заряд не является в системе СИ основной величиной, то в законе Кулона появляется коэффициент, который записывается в виде , где  и выражение для закона принимает вид: .

Выражение для математического образа (модели) имеет вид

  , где  - вектор, проведённый из заряда 1 к заряду 2.

Итак, заряд - мера электричества. В законе Кулона заряд - величина скалярная, определяющая интенсивность электрического взаимодействия двух тел - и всё!

Величины, определяющие физическую природу заряда, в закон не входят: другими словами, заряд отвечает за силовое взаимодействие, но что он из себя представляет - вот в чём вопрос. Ответа закон Кулона не даёт, других законов для статических зарядов обнаружено не было и потому в разные времена люди придумывали различные представления: монофлюид, дифлюид, весово-электрический атом Вебера, место сгущения электрического поля Фарадея, объект электронной теории...

Экспериментально было обнаружено:

1. Закон сохранения электрического заряда: электрический заряд любого изолированного тела или изолированной системы тел сохраняется.

2. Релятивистская инвариантность заряда: полный электрический заряд изолированной системы является релятивистки инвариантным (не зависит от скорости).

3. Квантование заряда: существуют минимальные элементарные положительный +1,6-10-19 К и равный ему по величине отрицательный -1,6-10-19 К заряды. Заряд любого тела кратен этому числу. В математических теориях существуют объекты с дробными (по отношению к элементарному заряду) зарядами  ( - величина элементарного заряда), но мы знаем, что математически абстракции могут иметь любые формы и значения. Экспериментально дробные заряды не обнаружены.

4. Сила взаимодействия двух точечных зарядов не изменяется при наличии третьего точечного заряда. Таким образом, справедлив принцип суперпозиций электростатических сил: сила Кулона, действующая на точечный заряд со стороны системы точечных зарядов, равна векторной сумме кулоновских сил, действующих на этот заряд со стороны каждого из зарядов системы. Этот принцип может быть выражен формулой , где   - сила, действующая на заряд  со стороны точечного заряда ; - число точечных зарядов системы.

5. Не существует электрического заряда, свободного от тела. Заряд -свойство тела. Поэтому, когда мы говорим "электрический заряд", то имеем в виду электрически заряженное тело.

Мы знаем, что при измерениях используются физические модели объектов, а при вычислениях - их математические образы.

Основными моделями в электродинамике являются:

а) точечный заряд (заряжённая материальная точка) как скалярная величина обычно обозначается просто буквой (символом) с указанием знака: , , .

б) система точечных зарядов (совокупность заряженных материальных точек, взаимодействующих между собой внутренними силами).

Полный электрический заряд системы  равен алгебраической сумме зарядов .

в) Если заряд распределён по всему объёму тела, то вводится физическая величина, которая называется объёмная плотность заряда - . Для определения плотности объёмного заряда в какой-либо -области тела выбирают в этой области такой объём , в пределах которого плотность заряда постоянна и измеряют величину заряда , содержащегося в этом объёме. Тогда по определению , а общий заряд тела .

Математическая модель объёмной плотности, согласно общим правилам , а общий заряд , где интегрирование производится по всему объёму тела.

г) Если заряд распределён только по поверхности тела, то вводится физическая величина, которая называется поверхностная плотность заряда . Проводя операции, аналогичные тем, что были проведены при определении объёмной плотности заряда, получим, что как физическая величина плотность поверхностных зарядов , где  - поверхностный заряд, расположенный на поверхности , полный заряд , математический образ  и , где интегрирование производится по всей поверхности.

д) Существуют протяжённые тела (нити, верёвки), в которых вводится линейная плотность заряда , т.е. заряд, приходящийся на единицу длины. Проводя операции, аналогичные операциям, проведённым при определении объёмной и поверхностной плотностей зарядов, находим, что линейная плотность заряда , где  - количество заряда, содержащегося на отрезке длины тела, а полный заряд . Математические модели соответственно  и , где интегрирование происходит по всей длине тела.

Атомное ядро. Закон радиоактивного распада