Список рекомендуемой литературы

1. Савельев И.В. Курс общей физики: учебное пособие /И.В. Савельев. Т. 1: Механика, Молекулярная физика.- Санкт-Петербург: Лань, 2008. 432 с.

Глава 3. Основы электродинамики

Предметом изучения электродинамики является электромагнитное взаимодействие тел, обусловленное наличием в составе атомов вещества элементарных частиц, обладающих особым свойством, называемым «электрический заряд». Электромагнитное взаимодействие проявляется в виде сил притяжения или отталкивания. В результате действия этих сил может изменяться пространственное распределение заряженных частиц, возникать деформация и механическое движение тел. Среди известных типов физических взаимодействий электромагнитное отличается наибольшим разнообразием своих проявлений: оно ответственно за возникновение сил упругости и трения, оно приводит к ряду специфических, тепловых, химических, оптических и механических эффектов. Электромагнитными взаимодействиями обусловлена структура материи в областях пространственных масштабов от 10^-14 до 10⁵м (на меньших расстояниях более важны ядерные взаимодействия, а на больших – гравитационные). Электромагнитные процессы играют главную роль в развитии современной техники (энергетики, транспорта, связи)

3.1. Общие понятия

Термин «электрический заряд» используется в трех смыслах: как свойство частиц и тел, как физическая величина и как обозначение идеализированной модели заряженных тел.

Электрический заряд – это свойство элементарных частиц вещества, благодаря которому они способны к особого рода взаимодействию, проявляющемуся в действии сил притяжения или отталкивания.

Электрический заряд частицы нельзя увеличить, уменьшить, снять или сообщить – это неотъемлемое свойство частицы, подобное массе. Электрический заряд – это биполярное свойство. Бывают положительные и отрицательные заряды. Присвоение зарядам знаков + и - выражает тот факт, что при соединении объектов, обладающих зарядами противоположной полярности, происходит компенсация зарядов так, что получившаяся система не будет проявлять электрических свойств. Одноименные (однополярные) заряды отталкиваются, разноименные (разнополярные) ‒ притягиваются.

Электрический заряд q – скалярная физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия заряженных тел или частиц. При статических проявлениях определяется по силовому взаимодействию на основе закона Кулона, при динамических проявлениях – через силу тока (в системе СИ за единицу заряда принят 1 Кулон (Кл) – электрический заряд, переносимый через поперечное сечение S за 1 секунду при постоянной силе тока, равной 1 Амперу).

Дискретность электрического заряда проявляется в том, что существует минимальный элементарный (неделимый) заряд. Элементарным положительным зарядом обладают протоны (q_p=+e =+1,6∙10^-19 Кл ), элементарным отрицательным зарядом обладают электроны (q_e = - e = = -1,6∙10^-19 Кл). Атомы вещества в целом нейтральны, так как суммарный заряд всех протонов в ядре атома компенсируется суммарным зарядом электронов. При определенных условиях (при трении тел, при их облучении и др.) баланс положительно и отрицательно заряженных частиц может нарушаться и тогда макротело становится заряженным. Таким образом, заряд любого тела является целым кратным от элементарного заряда e: , где n = 1,2,3… (n ‒ разность числа протонов и электронов) В силу того, что элементарный заряд мал, для макротел при q>>е можно пренебречь дискретной структурой заряда и считать его меняющимся непрерывно.

Идеализированные модели заряженных тел:

1) точечный заряд – заряженное тело формой и размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями, рассматриваемыми в задаче;

2) бесконечно длинная нить и бесконечная плоскость ‒ заряженные тела, размеры которых много больше расстояний, рассматриваемых в задаче.

Движущиеся заряженные частицы вещества могут вызывать ряд специфических эффектов (тепловых, магнитных, химических), которые не наблюдаются для статических зарядов. Поэтому движение заряженных частиц можно рассматривать как особое явление.

Микроток – это движение отдельно взятой заряженной частицы. Например, в модели атома Резерфорда движение электрона вокруг ядра можно рассматривать как микроток.

Макроток – упорядоченное движение совокупности заряженных частиц. Тепловое хаотическое движение элементарных частиц вещества не создает макротока, так как в силу равновероятности всех направлений движения соответствующие микротоки компенсируют друг друга.

Ток проводимости – упорядоченное движение свободных заряженных частиц в среде или в вакууме (ток в металлах, в растворах электролитов, пучок электронов в вакуумной электронно-лучевой трубке и т.п.), вызванное действием электрического поля.

Конвекционный ток – упорядоченное движение заряженных частиц, вызванное причинами, не связанными с электрическим полем.

Многие специфические эффекты, вызванные движением заряженных частиц, зависят не от величины перенесенного заряда, а от скорости его переноса.

Сила тока (I) – скалярная физическая величина, характеризующая скорость переноса заряда через рассматриваемую поверхность, численно равна абсолютной величине заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника за единицу времени: При постоянном токе:

(3.1)

Сила тока измеряется в Амперах. Ампер относится к основным единицам СИ.

Электромагнитное поле – особая материальная среда, передающая взаимодействие между заряженными телами или частицами. Согласно модели Максвелла, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью 300000 км/с в виде электромагнитной волны.

Частными проявлениями электромагнитного поля являются электрическое и магнитное поля, обнаружение которых определяется условиями возникновения и выбранной для наблюдения системой отсчета.

Электрическое поле ‒ одна из составляющих электромагнитного поля. Электрическое поле может быть создано двумя способами:

‒ неподвижными зарядами (электростатическое поле);

‒ переменным магнитным полем (вихревое электрическое поле).

Электростатическое поле ‒ это особый вид материи, передающий взаимодействие между неподвижными заряженными частицами или телами.

Электростатическое поле создается неподвижными электрическими зарядами и обнаруживается по действию сил на помещенные в него заряженные тела. Таким образом, заряды по отношению к полю могут выполнять две функции: источника поля и индикатора поля.

Магнитное поле – одна из составляющих электромагнитного поля. Это особый вид материи, передающий взаимодействие между движущимися зарядами или токами. Магнитное поле может быть создано двумя способами:

‒ движущимися зарядами (токами);

‒ переменным электрическим полем.

Магнитное поле обнаруживается по действию сил на движущиеся частицы, токи или на магнитную стрелку. Таким образом, токи по отношению к магнитному полю могут выполнять две функции: источника поля и индикатора поля.