7.5. Значение теории относительности

Для оценки значения теории относительности сделаем краткий итог того нового, что было внесено ею в науку.

1. Устранило противоречие физики XIX и XX веков в связи с неудачной попыткой обнаружить абсолютное движение Земли, проводя опыты на Земле.

2. Доказала, что никакого эфира относительно которого можно было бы рассматривать абсолютное движение тел не существует. Сейчас «эфир» употребляется как название пространства, где происходит распространение электромагнитных волн.

3. Ликвидировала противоречия между классической механикой, инвариантной относительно преобразований Галилея и классической электродинамикой, инвариантной относительно преобразований Лоренца.

4. Возвела равноправие всех инвариантных систем отсчета для всех явлений в ранг универсального закона природы, отражающего коренные свойства времени и пространства.

5. Изменила в корне основные представления о времени и пространстве, вскрыла теснейшую связь между пространственными и временными соотношениями. Впервые свойства пространства и времени стали предметом физических исследований.

6. Создала новую релятивистскую механику, одной из характерных черт которой является универсальная зависимость массы от скорости.

7. Открыла неизвестную ранее связь между энергией и массой.

8. Установила верхний предел для скоростей движения, передачи энергии, распространения сигнала.

9. Частная, или специальная теории относительности, подготовила создание общей теории относительности – Эйнштейновской теории тяготения. На основании этой теории силы тяготения, проявление материального гравитационного поля, действия гравитации передаются со скоростью света в вакууме.

10. Теория относительности имеет большое практическое значение. По ее законам ведется расчет ускорителей элементарных частиц, энергетических ядерных установок. В решении проблем радиосвязи и радиолокации необходимо учитывать релятивистский эффект.

Лекция 8 Электрическое поле

8.1. Электрический заряд

Взаимодействие между электрически заряженными частицами или телами, движущимися произвольным образом относительно ИСО, осуществляется посредством электромагнитного поля, которое представляет собой совокупность двух взаимосвязанных полей: электрического и магнитного.

Характерной особенностью электрического поля, отличающей его от других физических полей, является то, что оно действует на электрический заряд (заряженную частицу или тело) с силой, которая не зависит от скорости движения заряда.

Поэтому обнаружить электрическое поле удобно по его силовому действию на помещенный в поле неподвижный электрический заряд.

В природе существуют два рода электрических зарядов: положительные и отрицательные. Положительный заряд возникает, например, на стекле, натертом кожей, а отрицательный - на эбоните или янтаре, натертом шерстью.

Разноименно заряженные тела притягиваются, а одноименно заряженные – отталкиваются друг от друга.

По современным представлениям, электрический заряд - физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитных взаимодействий электрических частиц.

Величину электрического заряда в СИ измеряют в кулонах (Кл).

1 кулон (Кл) - такое количество электрического заряда, которое проходит через поперечное сечение проводника с током в 1 Ампер (А) за одну секунду.

Наименьшим устойчивым количеством вещества, обладающим свойством отрицательного заряда, является электрон. В СИ заряд электрона равен

Наименьшим устойчивым количеством вещества, обладающим свойством положительного заряда, является протон. Его заряд в СИ равен

.

Оказалось, что многие элементарные частицы, массы которых отличаются от массы электрона и протона, имеют одинаковую величину заряда.

Заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона , называется элементарным зарядом.

В природе не существует электрического заряда меньше элементарного. Поскольку тело не может приобрести или потерять долю электрона, суммарный заряд тела должен быть целым кратным элементарного заряда. Говорят, что заряд квантуется, то есть может принимать лишь дискретные значения: где .

Однако, поскольку заряд электрона очень мал, мы обычно не замечаем дискретность макроскопических зарядов и считаем заряд непрерывным. Например, заряды, возникающие при электризации трением обычных предметов, по порядку величины составляют микрокулон ( ), что составляет примерно электронов ( ).

Электрический заряд – количественная мера, характеризующая электрические свойства тела. Оторвать заряд от вещества, выделить заряд в "чистом" виде невозможно. Это свойство самого вещества (так же, как и массу нельзя отделить от вещества).

Электрический заряд является инвариантом, то есть во всех инерциальных системах отсчета он одинаков (как и масса покоя).

Система тел или частиц называется электрически изолированной системой, если между ней и внешними телами нет обмена электрическими зарядами.

Опыты показывают, что при трении двух электрически нейтральных тел в одном теле возникает некоторый заряд, в другом теле одновременно возникает такое же количество заряда противоположного вида. Название "положительный" и "отрицательный" следует понимать поэтому в алгебраическом смысле. Так что суммарный заряд, приобретаемый телами в каком-либо процессе, всегда равен нулю. Например, когда пластмассовую линейку натирают бумажной салфеткой, линейка приобретает отрицательный заряд, а салфетка - равный по величине положительный заряд. Происходит разделение зарядов, но их алгебраическая сумма равна нулю. Этим примером иллюстрируется твердо установленный фундаментальный закон физики - закон сохранения заряда, который гласит:

- для электрически изолированной системы суммарный электрический заряд есть величина постоянная:

В любых процессах электрические заряды могут только перераспределяться между телами (частицами) изолированной системы. В системе могут образовываться новые электрически заряженные частицы, но, однако, при этом одновременно рождаются частицы, заряды которых противоположны по знаку и сумма всех зарядов равна нулю. Например, при ионизации атома образуется пара частиц - свободный электрон и однозарядный положительный ион.

Отклонений от закона сохранения электрического заряда никогда не наблюдалось, поэтому можно считать, что он столь же твердо установлен, как и законы сохранения энергий и импульса.

Электрические заряды могут быть распределены дискретно (в отдельных точках пространства или тела) или непрерывно вдоль линии (l), на поверхности (S) или в объеме (V). Поэтому часто удобно пользоваться понятием плотности заряда. Соответственно различают линейную, поверхностную и объемную плотности зарядов.