75

13Введение в электричество

Литература

1. Д. В. Сивухин. Общий курс физики, т.Ш «Электричество», Москва, 1974.

2. И. Е. Тамм. Основы теории электричества.

3. Э. Парселл. Электричество и магнетизм. БКФ, т.2., Наука, Москва, 1975.

4. С. Г. Калашников. Электричество. Наука, Москва, 1970.

CGS	SI
Материальные уравнения:

Классическая теория электромагнетизма основана на уравнениях Максвелла:

Сначала мы получим все эти уравнения как обобщение опытных фактов, а затем эффективно ими воспользуемся.

Диапазон применимости уравнений Максвелла очень широк:

1. СТО не требует пересмотра классической теории электромагнетизма, так как уравнения Максвелла инвариантны относительно преобразований Лоренца.

2. Квантовый характер электромагнитных сил не сказывается на расстояниях вплоть до 10^-10см (в ~100 раз меньше размеров атома). Для меньших расстояний нужно пользоваться уравнениями квантовой электродинамики.

Основные положения теории электромагнетизма(если угодно – постулаты)

1. Двойственность (дуализм) заряда.

Если телоBпритягиваетC

Если тело BпритягиваетA, то A отталкиваетC.

Положительный и отрицательный заряды – это два проявления одного и того же качества, проявление определенной симметрии, в частности симметрии законов природы относительно инверсии времени .

Названия «положительный» и «отрицательный» условны.

2) Сохранение заряда. Закон сохранения заряда можно рассматривать как следствие закона сохранения энергии. Полный заряд изолированной системы представляет собой величину, которая никогда не меняется. Даже при аннигиляции электорна и протона - до и после аннигиляции равен нулю (Рис. 13-1).

РИС.13-1

Не исключено, что закон сохранения заряда первичен в природе. Поэтому можно сформулировать закон сохранения заряда либо как фундаментальный постулат физики, либо как экспериментальный факт; нарушение закона сохранения заряда никогда никем не наблюдалось.

Факты

a) Нейтральность позитрония (Ps-связанная водородоподобная система электрона и позитрона, время жизни 10^–7 с).

b) Нейтральность атома цезия (Cs⁵⁵). Установлено, что заряд атомаCsне превышает величину 10^-16e55e+55p.

РИС.13-2

с) Нейтральность молекул водородаH₂. Сжимают объем и выпускают газ, чтобы не вышли ионы водорода.

В этом опыте мог быть зафиксирован заряд около 10^-20e/атом, но он не был обнаружен. Значит, (e+p)<10^-20e.

В изолированной системе полный электрический заряд, т.е. алгебраическая сумма положительного и отрицательного зарядов, остается постоянным.

3) Полный заряд релятивистки инвариантен, т. е. алгебраическая сумма зарядов в изолированной системе не меняется при переходе от одной ИСО к другой ИСО независимо от скорости и относительного движения.

4) Квантование заряда. Опыты Милликена (1911 г.) и А.Ф. Иоффе (1912 г.).

Идея опыта – в обнаружении непрерывности заряда, если они не имеют атомной природы.

РИС.13-3

Иоффе определял заряд металлических (Zn) крупинок, Милликен - масла. Мелкие капли заряженного масла попадаю в конденсатор.

Без электрического поля на каплю действут вес капли и гидростатическая сила (архимедова) со стороны воздуха и сила трения на каплю при движении в вязкой среде, пропорциональная скорости капли (закон Стокса):

, .

- отсюда, измеряя скорость падения капли, узнаем ее радиус.

Включим теперь внешнее напряжение, подобрав полярность таким образом, чтобы уменьшить скорость падения капли, например, уменьшить скорость падения капли до нуля. В этом случае условие равновесия сил будет иметь вид:

, где - заряд капли,- напряженность приложенного электрического поля. Если капля находится достаточно далеко от краев пластин, то поле однородно и,- разность потенциалов (напряжение),- расстояние между пластинами.

Отсюда находим заряд капли . Если изменить заряд капли, например, воздействуя на нее ультрафиолетовым излучением, т. е. удаляя из капли заряды за счет фотоэлектрического эффекта, то нужно будет подобрать новое напряжение, и отсюда выяснится новый заряд капли.

Оказалось, что изменение заряда капли всегда является целым кратным некоторой величины:, где.

Современная теория элементарных частиц допускает (предполагает) существование частиц с дробным зарядом – двух типов кварков с зарядами и. Поскольку во всех проведенных до сих пор экспериментах кварки не обнаружены, высказывается предположение, что кварки не могут существовать вне частиц.