Лекции по электричеству и магнетизму.

Часть III. Электродинамика

Электродинамика - это учение об электрических и магнитных явлениях. Электромагнитные взаимодействия, которые изучает электродинамика, ответственны за большинство явлений, например, за образование атомов и молекул, из которых состоят тела. Силы Ван−дер−Ваальса, химические связи и т. д. всё это проявление электромагнитных взаимодействий. Можно сказать, что электродинамика объясняет не только электрические и магнитные явления, но и те силы, вследствие которых вещество существует как целое. Поскольку молекулярные силы имеют электромагнитную природу, то почти все биологические явления определяются электромагнетизмом. Силы в повседневной жизни также имеют электромагнитный характер, хотя мы их классифицируем как мускульные, упругие и т. д.

С электромагнитными явлениями сталкиваются во многих разделах физики и прежде всего в оптике, атомной и ядерной физике. Свет, тепловое, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения есть проявление электромагнитных колебаний. Радио и телевидение используют электромагнитные волны для передачи информации на расстояния. Таким образом, можно сказать, что учение об электричестве имеет глубинную взаимосвязь со многими физическими процессами.

Не менее важен другой аспект электродинамики, заключающийся в том, что данный раздел физики является основой для изучения таких технических дисциплин как электротехника, радиотехника, автоматика и т. д. В основе работы электростанций, радиопередающих и принимающих устройств, большого количества измерительных приборов, лазеров, вычислительных машин лежат законы электродинамики.

Электродинамику как раздел физики условно можно разделить на три части: электростатику, учение об электрическом токе и электромагнетизм. Начнём изучение электродинамики с раздела электростатика, прежде всего потому, что в нём вводится ряд понятий таких, как заряд, электрическое поле, напряжённость и потенциал поля, электроёмкость и т. д., которые широко используются в электродинамике и электронике.

Глава 1. Электростатика

Электростатика - это раздел электродинамики, изучающий свойства неподвижных зарядов, их взаимодействия друг с другом посредством полей, называемых электростатическими. Условие неподвижности зарядов в той системе отсчёта, в которой они изучаются, является весьма важным, так как в случае движущихся зарядов свойства окружающего пространства кардинально меняются и, в частности, появляется магнитное поле.

§1. Электрический заряд. Закон сохраненияэлектрического заряда. Закон кулона.

Известно, что разнородные тела такие, как кожа, стекло, эбонит и т.д., потёртые друг о друга, обладают свойством притягивать к себе лёгкие предметы, например, кусочки бумаги. Для объяснения такого взаимодействия, названного электрическим, и было введено понятие электрического заряда. Электрическому заряду присущи следующие фундаментальные свойства:

1) Существует два типа электрических зарядов, условно названных, положительными и отрицательными. Заметим, что заряды одного знака отталкиваются, а разных знаков – притягиваются друг к другу. Сила взаимодействия заряженных тел может быть различной. Она зависит от величины зарядов, находящихся на них. Из этого следует, что электрический заряд является количественной мерой способности тел к электрическим взаимодействиям.

2) Электрический заряд является релятивистски-инвариантной величиной – его величина не зависит от системы отсчета, а, значит, не зависит от того, движется или покоится тело, на котором он находится.

3) Единица измерения заряда в системе СИ – Кулон (Кл). Обозначается заряд q. Элементарный заряд, заряд электрона, е = - 1,6⋅10^-19 Кл.

4) в любой замкнутой электрической системе алгебраическая сумма электрических зарядов является постоянной величиной при любых процессах, происходящих в ней (закон сохранения заряда):

(1.1)

Замкнутой называется электрическая система, из которой не выходят и в которую не входят заряды. Так, например, при электризации тел трением заряды, возникающие на телах, равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Поэтому их алгебраическая сумма так же равна нулю, как и в случае незаряженных тел.

Рассмотрим вопрос о силе взаимодействия электрических зарядов, которая определяется законом Кулона, являющимся основным законом электростатики. Закон был установлен экспериментально в 1785г. Кулоном. Этот закон не выводится из других законов природы и устанавливается только опытным путём.

В общем случае сила взаимодействия между заряженными телами зависит от размеров и формы тел, а также от свойств среды, в которой находятся тела. Наиболее просто сила взаимодействия находится для так называемых точечных зарядов. Точечным зарядом называется заряженное тело, размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми оно взаимодействует. Закон взаимодействия точечных зарядов формулируется следующим образом: сила взаимодействия двух точечных зарядов F пропорциональна величине каждого из них q и q₀ и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними r. Сила направлена по прямой, соединяющей заряды. Запишем формулу для закона Кулона:

,(1.2)

где - диэлектрическая проницаемость среды, в которой находятся заряды, безразмерная величина (для вакуума ), - электрическая постоянная. Величину можно обозначить как коэффициент , таким образом

.

Сила – векторная величина, измеряется в Ньютонах ( ).Она направлена по прямой, соединяющей заряды. Закон Кулона следует более строго записать в векторном виде. С этой целью проведём радиус-вектор от заряда q к q₀ (рис. 1.1). Введём единичный вектор, направленный в ту же сторону, что и вектор . Он равен . Тогда закон Кулона в векторной форме запишется следующим образом:

.(1.3)

Рис. 1.1