Электродинамика - наука о свойствах электромагнитного поля.

Электромагнитное поле - определяется движением и взаимодействием заряженных частиц.

Проявление эл/магнитного поля - это действие эл/магнитных сил:
1) силы трения и силы упругости в макромире;
2) действие эл/магнитных сил в микромире (строение атома, сцепление атомов в молекулы, превращение элементарных частиц)

Открытие эл/магнитного поля - Дж. Максвелл.

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

Раздел электродинамики, изучает покоящиеся электрически заряженные тела.

Элементарные частицы могут иметь эл. заряд, тогда они называются заряженными;
- взаимодействуют друг с другом с силами, которые зависят от расстояния между частицами, но превышают во много раз силы взаимного тяготения (это взаимодействие называется электромагнитным).

Электрический заряд - физическая величина, определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий.
Существует 2 знака эл.зарядов: положительный и отрицательный.
Частицы с одноименными зарядами отталкиваются, с разноименными - притягиваются.
Протон имеет положительный заряд, электрон - отрицательный, нейтрон - электрически нейтрален.

Элементарный заряд - минимальный заряд, разделить который невозможно.
Чем объяснить наличие электромагнитных сил в природе? - в состав всех тел входят заряженные частицы.
В обычном состоянии тела электрически нейтральны (т.к. атом нейтрален), и электромагнитные силы не проявляются.

Тело заряжено , если имеет избыток зарядов какого-либо знака:
отрицательно заряжено - если избыток электронов;
положительно заряжено - если недостаток электронов.

Электризация тел - это один из способов получения заряженных тел, например, соприкосновением).
При этом оба тела заряжаются, причем заряды противоположны по знаку, но равны по модулю.

В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной.
(... но, не числа заряженных частиц, т.к. существуют превращения элементарных частиц).

Замкнутая система - система частиц, в которую не входят извне и не выходят наружу заряженные частицы.

Основной закон электростатики.

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Когда тела считаются точечными ? - если расстояние между ними во много раз больше размеров тел.
Если у двух тел есть электрические заряды, то они взаимодействуют по закону Кулона.

Единица электрического заряда: 1 Кл - это заряд, проходящий за 1 секунду через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А
1 Кл - очень большой заряд
Элементарный заряд:

Принято записывать коэффициент пропорциональности в законе Кулона в вакууме в виде

где электрическая постоянная

Закон Кулона для величины силы взаимодействия зарядов в произвольной среде (в СИ):

Диэлектрическая проницаемость среды характеризует электрические свойства среды. В вакууме

Таким образом, сила Кулона зависит от свойств среды между заряженными телами.

Электростатика и законы постоянного тока - Класс!ная физика

Электростатика изучает свойства и взаимодействия зарядов, которые являются неподвижными в той системе отсчета, в которой они рассматриваются.

В природе есть всего два типа электрических зарядов – отрицательные и положительные. Положительный заряд может возникать на стеклянной палочке, натертой кожей, а отрицательный – на янтаре, натертом шерстяной тканью.

Известно, что все тела состоят из атомов. В свою очередь атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов, которые вращаются вокруг него. Так как электроны имеют отрицательный заряд, а ядро положительный – то в целом атом является электрически нейтральным. При воздействии на него из вне, он может потерять один или несколько электронов и превратится в положительно заряженный ион. В случае, если атом (или молекула), присоединит к себе дополнительный электрон, то он превратится в отрицательный ион.

Таким образом, электрический заряд может существовать в виде отрицательных или положительных ионов и электронов. Существует один род «свободного электричества» — отрицательные электроны. Поэтому, если какое-то тело имеет положительный заряд – у него недостаточно электронов, а если отрицательный – то избыток.

Электрические свойства любого вещества обусловлены его атомным строением. Атомы могут терять даже по несколько электронов, в таком случае их называют многократно ионизированными. Из протонов и нейтронов состоит ядро атома. Каждый протон несет заряд, который равен заряду электрона, но противоположен ему по знаку. Нейтроны – это электрически нейтральные частицы (не имеет электрического заряда).

Помимо протонов и электронов, электрическим зарядом обладают и другие элементарные частицы. Электрический заряд – неотъемлемая часть элементарных частиц.

Наименьшим зарядом принято считать заряд, равный заряду электрона. Его еще называют элементарным зарядом, который равен 1,6·10 -19 Кл. Любой заряд кратен целому числу зарядов электрона. Поэтому электризация тела не может происходить непрерывно, а только ступенями (дискретно), на величину заряда электрона.

Если положительно заряженное тело начать перезаряжать (заряжать отрицательным электричеством), то его заряд не изменится мгновенно, а сначала уменьшится до нуля, и только потом приобретет отрицательный потенциал. Отсюда можно сделать вывод, что они компенсируют друг друга. Данный факт привел ученых к выводу, что в «незаряженных» телах всегда имеются заряды положительных и отрицательных знаков, которые содержатся в таких количествах, что их действие полностью компенсирует друг друга.

При электризации трением происходит разделение отрицательных и положительных «элементов», содержащихся в «незаряженном теле». В результате перемещения отрицательных элементов тела (электронов) электризуются оба тела, причем одно из них отрицательно, а второе положительно. Количество «перетекаемых» от одного элемента к другому зарядов остается постоянным в течении всего процесса.

Отсюда можно сделать вывод, что заряды не создаются и не исчезают, а всего лишь «перетекают» от одного тела к другому или перемещаются внутри него. В этом и является сущность закона сохранения электрических зарядов. При трении электризации подвержены многие материалы – эбонит, стекло и многие другие. Во многих отраслях промышленности (текстильная, бумажная и другие) наличие статического электричества представляет серьезную инженерную проблему, так как электризация элементов, вызванная трением бумаги, ткани или других продуктов производства о детали машин могут вызывать пожары и взрывы.

Закон сохранения заряда можно сформулировать короче – в изолированной системе алгебраическая сумма заряженных элементов остается постоянной:

Данный закон справедлив и при взаимных превращениях различных элементарных частиц, составляющих атом и ядро в целом.

Зако́н сохране́ния электри́ческого заря́да гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.

Закон сохранения заряда выполняется абсолютно точно. На данный момент его происхождение объясняют следствием принципа калибровочной инвариантности. Требование релятивистской инвариантности приводит к тому, что закон сохранения заряда имеет локальный характер: изменение заряда в любом наперёд заданном объёме равно потоку заряда через его границу. В изначальной формулировке был бы возможен следующий процесс: заряд исчезает в одной точке пространства и мгновенно возникает в другой. Однако такой процесс был бы релятивистски неинвариантен: из-за относительности одновременности в некоторых системах отсчёта заряд появился бы в новом месте до того, как исчез в предыдущем, а в некоторых — заряд появился бы в новом месте спустя некоторое время после исчезновения в предыдущем. То есть был бы отрезок времени, в течение которого заряд не сохраняется. Требование локальности позволяет записать закон сохранения заряда в дифференциальной и интегральной форме.

Закон сохранения заряда и калибровочная инвариантность

Физическая теория утверждает, что каждый закон сохранения основан на соответствующем фундаментальном принципе симметрии. Со свойствами симметрий пространства-времени связаны законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Законы сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов связаны не со свойствами пространства-времени, а с симметрией физических законов относительно фазовых преобразований в абстрактном пространстве квантовомеханических операторов и векторов состояний. Заряженные поля в квантовой теории поля описываются комплексной волновой функцией, где x - пространственно-временная координата. Частицам с противоположными зарядами соответствуют функции поля, различающиеся знаком фазы , которую можно считать угловой координатой в некотором фиктивном двумерном «зарядовом пространстве». Закон сохранения заряда является следствием инвариантности лагранжиана относительно глобального калибровочного преобразования типа , где Q - заряд частицы, описываемой полем , а - произвольное вещественное число, являющееся параметром и не зависящее от пространственно-временных координат частицы. Такие преобразования не меняют модуля функции, поэтому они называются унитарными U(1).

Закон сохранения заряда в интегральной форме

Вспомним, что плотность потока электрического заряда есть просто плотность тока. Тот факт, что изменение заряда в объёме равно полному току через поверхность, можно записать в математической форме:

Здесь - некоторая произвольная область в трёхмерном пространстве, - граница этой области, - плотность заряда, - плотность тока (плотность потока электрического заряда) через границу.

Закон сохранения заряда в дифференциальной форме

Переходя к бесконечно малому объёму и используя по мере необходимости теорему Стокса можно переписать закон сохранения заряда в локальной дифференциальной форме (уравнение непрерывности)

Закон сохранения заряда в электронике

Правила Кирхгофа для токов напрямую следуют из закона сохранения заряда. Объединение проводников и радиоэлектронных компонентов представляется в виде незамкнутой системы. Суммарный приток зарядов в данную систему равен суммарному выходу зарядов из системы. В правилах Кирхгофа предполагается, что электронная система не может значительно изменять свой суммарный заряд.

Экспериментальная проверка

Наилучшей экспериментальной проверкой закона сохранения электрического заряда является поиск таких распадов элементарных частиц, которые были бы разрешены в случае нестрогого сохранения заряда. Такие распады никогда не наблюдались.Лучшее экспериментальное ограничение на вероятность нарушения закона сохранения электрического заряда получено из поиска фотона с энергией mec 2/2 ≈ 255 кэВ, возникающего в гипотетическом распаде электрона на нейтрино и фотон:

однако существуют теоретические аргументы в пользу того, что такой однофотонный распад не может происходить даже в случае, если заряд не сохраняется. Другой необычный несохраняющий заряд процесс - спонтанное превращение электрона в позитрон и исчезновение заряда (переход в дополнительные измерения, туннелирование с браны и т. п.). Наилучшие экспериментальные ограничения на исчезновение электрона вместе с электрическим зарядом и на бета-распад нейтрона без эмиссии электрона.

Закон сохранения заряда

Не все явления природы можно понять и объяснить на основе использования понятий и законов механики, молекулярно-кинетической теории строения вещества, термодинамики. Эти науки ничего не говорят о природе сил, которые связывают отдельные атомы и молекулы, удерживают атомы и молекулы вещества в твердом состоянии на определенном расстоянии друг от друга. Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе представлений о том, что в природе существуют электрические заряды.

Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов, - это электризация тел при соприкосновении. Взаимодействие тел, обнаруживаемое при электризации, называется электромагнитным взаимодействием, а физическая величина, определяющая электромагнитное взаимодействие, - электрическим зарядом. Способность электрических зарядов притягиваться и отталкиваться говорит о наличии двух различных видов зарядов: положительных и отрицательных.

Электрические заряды могут появляться не только в результате электризации при соприкосновении тел, но и при других взаимодействиях, например, под воздействием силы (пьезоэффект). Но всегда в замкнутой системе, в которую не входят заряды, при любых взаимодействиях тел алгебраическая (т.е. с учетом знака) сумма электрических зарядов всех тел остается постоянной. Этот экспериментально установленный факт называется законом сохранения электрического заряда.

Нигде и никогда в природе не возникают и не исчезают электрические заряды одного знака. Появление положительного заряда всегда сопровождается появлением равного по абсолютному значению, но противоположного по знаку отрицательного заряда. Ни положительный, ни отрицательный заряды не могут исчезнуть в отдельности друг от друга, если равны по абсолютному значению.

Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами элементарных заряженных частиц - электронов - от одних тел к другим. Как известно, в состав любого атома входят положительно заряженные ядро и отрицательно заряженные электроны. В нейтральном атоме суммарный заряд электронов в точности равен заряду атомного ядра. Тело, состоящее из нейтральных атомов и молекул, имеет суммарный электрический заряд, равный нулю.

Если в результате какого-либо взаимодействия часть электронов переходит от одного тела к другому, то одно тело получает отрицательный электрический заряд, а второе - равный по модулю положительный заряд. При соприкосновении двух разноименно заряженных тел обычно электрические заряды не исчезают бесследно, а избыточное число электронов переходит с отрицательно заряженного тела к телу, у которого часть атомов имела не полный комплект электронов на своих оболочках.

Особый случай представляет встреча элементарных заряженных античастиц, например, электрона и позитрона. В этом случае положительный и отрицательный электрические заряды действительно исчезают, аннигилируют, но в полном соответствии с законом сохранения электрического заряда, так как алгебраическая сумма зарядов электрона и позитрона равна нулю.

При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда . Этот закон справедлив для замкнутой системы. В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной . Если заряды частиц обозначить через q 1 , q 2 и т.д., то

q 1 + q 2 + q 3 + … + q n = const.

Основной закон электростатики – закон кулона

Если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то ни форма, ни размеры заряженных тел существенно не влияют на взаимодействия между ними. В таком случае эти тела можно рассматривать как точечные.

Сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды между заряженными телами.

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Эту силу называют кулоновской.

|q 1 | и |q 2 | - модули зарядов тел,

r – расстояние между ними,

k – коэффициент пропорциональности.

F - сила взаимодействия

Силы взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела.

Единица электрического заряда

Единица силы тока – ампер.

Один кулон (1 Кл) – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А

g [Кулон=Кл]

е=1,610 -19 Кл

-электрическая постоянная

БЛИЗКОДЕЙСТВИЕ И ДЕЙСТВИЕ НА РАССТОЯНИИ

Предположение о том, что взаимодействие между удаленными друг от друга телами всегда осуществляется с помощью промежуточных звеньев (или среды), передающих взаимодействие от точки к точке, составляет сущность теории близкодействия. Распр. с конечной скоростью.

Теория прямого действия на расстоянии непосредственно через пустоту. Согласно этой теории действие передается мгновенно на сколь угодно большие расстояния.

Обе теории являются взаимно противоположными друг другу. Согласно теории действия на расстоянии одно тело действует на другое непосредственно через пустоту и это действие передается мгновенно.

Теория близкодействия утверждает, что любое взаимодействие осуществляется с помощью промежуточных агентов и распространяется с конечной скоростью.

Существования определенного процесса в пространстве между взаимодействующими телами, который длится конечное время, - вот главное, что отличает теорию близкодействия от теории действия на расстоянии.

Согласно идее Фарадея электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот. По мере удаления от заряда поле ослабевает.

Электромагнитные взаимодействия должны распространятся в пространстве с конечной скоростью.

Электрическое поле существует реально, его свойства можно исследовать опытным путем, но мы не можем сказать из чего это поле состоит.

О природе электрического поля можно сказать, что поле материально; оно сущ. независимо от нас, от наших знаний о нем;

Поле обладает определенными свойствами, которые не позволяют спутать его с чем-либо другим в окружающем мире;

Главное свойство электрического поля – действие его на электрические заряды с некоторой силой;

Электрическое поле неподвижных зарядов называют электростатическим . Оно не меняется со временем. Электростатическое поле создается только электрическими зарядами. Оно существует в пространстве, окружающем эти заряды, и неразрывно с ним связано.

Напряженность электрического поля.

Отношение силы, действующей на помещенный в данную точку поля заряд, к этому заряду для каждой точки поля не зависит от заряда и может рассматриваться как характеристика поля.

Напряженность поля равна отношению силы, с которой поле действует на точечный заряд, к этому заряду.

Напряженность поля точечного заряда.

.

Модуль напряженности поля точечного заряда q o на расстоянии r от него равен:

.

Если в данной точке пространства различные заряженные частицы создают электрические поля, напряженности которых и т. д., то результирующая напряженность поля в этой точке равна:

СИЛОВЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛ.

НАПРЯЖЕННОСТЬ ПОЛЯ ЗАРЯЖЕННОГО ШАРА

Электрическое поле, напряженность которого одинакова во всех точках пространства, называется однородным.

Густота силовых линий больше вблизи заряженных тел, где напряженность поля также больше.

-напряженность поля точечного заряда.

Внутри проводящего шара (r > R) напряженность поля равна нулю.

ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ.

В проводниках имеются заряженные частицы, способные перемещаться внутри проводника под влиянием электрического поля. Заряды этих частиц называют свободными зарядами.

Электростатического поля внутри проводника нет. Весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности. Заряды в проводнике могут располагаться только на его поверхности.