47 Введение
Основной физической величиной, с которой мы будем иметь дело, изучая электричество и магнетизм, является электрический заряд. Попробуем ответить на вопросы – что значит зарядить тело, и что такое его заряд?
В настоящее время известно, что в основе всего разнообразия явлений природы лежат четыре фундаментальных взаимодействия между элементарными частицами - гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Каждый вид взаимодействия обусловлен определенной характеристикой частицы. Например, гравитационное взаимодействие зависит от масс частиц, электромагнитное – от электрических зарядов. Таким образом, электрический заряд, так же как и масса, является важнейшей характеристикой частиц. Заряду присущи следующие фундаментальные свойства.
1. Электрический заряд может быть двух типов: положительный и отрицательный. Тела, имеющие электрические заряды одного знака, отталкиваются друг от друга, тела с зарядами противоположных знаков – притягиваются.
2.
Носителями электрического заряда
являются заряженные элементарные
частицы – протон и электрон (а также их
античастицы – антипротон и позитрон –
и некоторые нестабильные частицы:
-мезоны,
-мезоны
и т. д.) Все заряженные элементарные
частицы обладают одним и тем же по
величине зарядом, который называют
элементарным и обозначают буквой e.
Элементарный электрический заряд равен
(Кулон – единица электрического заряда
в СИ). За положительный заряд принят
заряд протона (+e),
за отрицательный – заряд электрона
(–e).
3. В любой электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов не изменяется. Это утверждение отражает закон сохранения электрического заряда. Это утверждение очевидно, если в системе не происходит превращений элементарных частиц. Но закон сохранения заряда имеет и более фундаментальный характер – он выполняется в любых процессах рождения и уничтожения элементарных частиц.
4. Электрический заряд является релятивистки инвариантным: его величина не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется он или покоится.
В
настоящее время известно, что все тела
состоят из мельчайших заряженных частиц
– положительно заряженных ядер (заряд
которых обусловлен наличием в них
протонов) и отрицательно заряженных
электронов. Причем положительный
суммарный заряд тела в высокой степени
равен его отрицательному суммарному
заряду. Другими словами, число протонов
в теле равно числу электронов. Ученые
предполагают, что это равенство имеет
место не только в масштабах одного тела,
но и в масштабах всей Вселенной. Теперь
мы можем ответить на вопрос о заряде
тела. Заряжая тело, мы, конечно, не создаем
никаких новых заряженных частиц (об
этом за нас уже позаботилась природа),
а лишь отнимаем у него частицы с
определенным знаком заряда, нарушая
баланс между протонами и электронами,
т.е. нейтральность тела. Положительно
заряженный протон очень прочно связан
с ядром, поэтому зарядить тело, меняя
число протонов в нем, – сложная задача.
Электроны же сравнительно легко можно
вырвать из вещества, например, облучив
его, или даже просто при помощи трения.
Итак, зарядить тело положительно –
значить отнять у него определенное
число электронов, а зарядить отрицательно
– сообщить телу определенное число
лишних электронов. Отметим, что заряды
тел порядка 1 нКл = 10-9
Кл можно считать уже весьма значительными.
Для того чтобы тело имело такой заряд,
число электронов в нем должно отличаться
от числа протонов на
!
штук.
Другими важнейшими ключевыми объектами, о которых пойдет речь в настоящем пособии, являются электрическое и магнитное поля. Фактически, нашей задачей будет изучение характеристик и свойств этих полей. В настоящее время известно, что электрическое поле – это особая форма материи, которая окружает любой электрический заряд и действует только на электрические заряды, а магнитное поле – это особая форма материи, окружающая движущиеся электрические заряды, и действующая только на движущиеся электрические заряды. Эти формы материи обладают энергией. Изучение характеристик и свойств электрического и магнитного полей и будет нашей основной задачей. Отметим, однако, что «внутренняя структура» полей до сих пор еще точно не установлена.
В заключение отметим, что все разделы «Электромагнетизма» в настоящее время имеют развитый математический аппарат. И для лучшего усвоения курса необходимо хорошее знание математики. Материал содержит примеры с решениями и контрольные вопросы. Они поясняют законы физики и показывают их применения. Примеры могут быть не просто полезными при решении практического задания. Их следует рассматривать и как неотъемлемую часть теории, обязательную для изучения.