Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина»

Кафедра физики

В.К. Ли-Орлов

Лекции по курсу общей физики (электричество и магнетизм)

2007

Лекция 1.

Электромагнетизм.

Введение.

По современным представлениям материя существует в двух видах: вещество и поле. Вещество обладает дискретной структурой, а поле является непрерывным, заполняющим всё пространство. Частицы взаимодействуют между собой с помощью полей.

Впервые понятие поля ввёл английский физик М.Фарадей (1791-1867) в 30-е годы ХIХ века для описания электромагнитных явлений. К настоящему времени известно несколько разновидностей полей: электромагнитное, гравитационное, поле ядерных сил, волновые поля, соответствующие различным элементарным частицам.

В этом курсе мы ограничимся рассмотрением электромагнитного поля. Среди четырёх видов фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое; электромагнитное занимает первое место по широте и разнообразию проявлений. Это силы трения и силы упругости, мышечная сила. Существование атомов и молекул, конденсированного состояния вещества обязано электромагнитному взаимодействию. Сама жизнь была бы невозможна без сил электромагнитной природы.

К созданию электромагнитной теории поля привела длинная цепь случайных открытий и планомерных кропотливых исследований, начиная с обнаружения способности янтаря, натёртого о шёлк, притягивать лёгкие предметы, открытием элементарного закона взаимодействия точечных электрических зарядов французским физиком Ш.Кулоном (1785), обнаружением магнитного поля электрического тока датским физиком Эрстедом (1820), открытием явления электромагнитной индукции английским физиком Фарадеем (1831). Теорию электромагнитного поля создал английский физик-теоретик Д.Максвелл в 1860-1865гг, который ввёл новое понятие – ток смещения, теоретически предсказав существование электромагнитных волн.

После создания Максвеллом электромагнитной теории поля, началось широкое практическое использование электромагнитных явлений, что способствовало ускоренному развитию человеческой цивилизации.

Предмет курса «Электромагнетизм».

В этом курсе мы будем изучать явления, связанные с движением и взаимодействием заряженных частиц и тел, свойства электрического и магнитного поля, их взаимосвязь и действие на вещество.

Основные понятия и законы. Электрический заряд и его свойства.

Электрическое взаимодействие обязано существованию у частиц электрического заряда, который в СИ измеряется в Кулонах ( )

1. Существует два вида электрического заряда: положительный и отрицательный.

2. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые – притягиваются

3. Существует минимальная порция электрического заряда, равная . Этот заряд называют элементарным. Носителями элементарного заряда являются элементарные частицы. Например, у электрона он отрицательный, у протона – положительный, у нейтрона - нулевой.

4. Обычно в веществе количество отрицательных зарядов равно количеству положительных. Поэтому вещество электрически нейтрально. Но при избытке в теле зарядов одного знака, тело становится заряженным, то есть оно проявляет электрические свойства. Заряд тела всегда кратен величине е.

5. Электрический заряд является инвариантной величиной, то есть величина заряда, измеренная в различных инерциальных системах отсчета оказывается одинаковой.

6. Электрический заряд подчиняется закону сохранения. В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов сохраняется.

7. Заряженные частицы взаимодействуют, согласно закону Кулона.

Взаимодействие заряженных частиц. Закон Кулона (1785г).

Точечным зарядом называется заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями до других заряженных тел.

Заряженные частицы (тела) притягиваются или отталкиваются. Элементарный закон был экспериментально открыт французским физиком Шарлем Кулоном в 1785 году при помощи крутильных весов.

Закон Кулона: сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами в вакууме пропорциональна электрическим зарядам, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена по линии, соединяющей заряды.

.

- расстояние между точечными зарядами.

, .

,

- электрическая постоянная, численно равная, силе взаимодействия двух точечных зарядов по 1Кл на расстоянии в вакууме: , при , .

, . Из эксперимента , т.е. сила взаимодействия двух точечных зарядов по 1Кл в вакууме на расстоянии 1м равна . Это очень большая сила. Постоянная характеризует интенсивность электрического взаимодействия.

В «СИ» используется электрическая постоянная , которая связана с постоянной соотношением: .

Введение новой постоянной упрощает наиболее употребляемые в технике формулы. Закон Кулона в вакууме принимает вид:

,

Электрические силы спадают до нуля при , т.е. их радиус действия бесконечно большой, так же как у гравитационных сил. Интенсивность электрических сил значительно превышает гравитационные силы.

Сравним силы гравитационного и электрического взаимодействия между электроном и протоном:

,

.

Силами тяготения в мире атомов можно пренебречь в сравнении с электрическими. Устойчивость атомов, молекул и макротел обязана электрическим силам.

Если точечные заряды находятся в однородной непроводящей и неограниченной изотропной среде (газ, жидкость), то сила взаимодействия между зарядами уменьшается по сравнению с силой взаимодействия между этими зарядами в вакууме, т.е.

.

Здесь - характеризует среду, называется диэлектрической проницаемостью, является величиной безразмерной. Уменьшение силы взаимодействия связано с явлением поляризации среды.

Закон Кулона для точечных зарядов в неограниченном диэлектрике:

.

Экспериментально закон Кулона проверен для расстояний: .

Нет оснований отрицать, что этот закон не выполняется и для больших расстояний.

Понятие напряжённости электрического поля. Напряжённость электрического поля точечного заряда.

По современным представлениям заряженные частицы (тела) взаимодействуют с помощью электрического поля, которое создаётся зарядами и действует на заряды.

Электрическое поле непрерывно заполняет всё пространство или его часть.

Электрическое поле, созданное неподвижными зарядами, называется электростатическим.

Раздел «Электромагнетизма», изучающий свойства неподвижных зарядов называется «электростатикой».

Электростатическое поле характеризуется напряжённостью и потенциалом , которые являются функциями координат точек пространства.

Введём понятие напряжённости. Обнаружить наличие электрического поля можно, поместив в точку пространства электрический заряд. По силе, действующей на заряд, можно судить об интенсивности поля в данной точке пространства. Заряд, с помощью которого исследуется электрическое поле, называется пробным. Пробный заряд должен быть точечным и небольшим по величине, чтобы не искажать распределение зарядов, создающих поле. Пробный заряд выбирают положительного знака.

Отношение силы, действующей на пробный заряд, к величине пробного заряда, не зависит от величины пробного заряда. Поэтому это отношение характеризует точку пространства и называется напряжённостью:

.

Напряжённость равна силе, действующей на единичный положительный заряд, и является силовой характеристикой электрического поля.

О тметим, что направление определяется направлением силы, действующей на положительный заряд.

Напряжённость в единицах СИ измеряется: .

Электрическое поле задаётся совокупностью значений во всех точках пространства для любого момента времени: .

Если не зависит от времени, то такое поле называется статическим. Как мы уже отмечали, электростатическое поле создаётся неподвижными электрическими зарядами.

Зная , можно найти силу, действующую на точечный заряд , помещённый в данную точку поля:

.