Херсонський державний технічний університет Кафедра загальної та прикладної фізики

ЕЛЕКТРИКА І МАГНЕТИЗМ Лекція 3.1.

	3.1. ЕЛЕКТРОСТАТИКА
	Предмет та методи електрики та магнетизму. Короткий історичний огляд.*
	Електричний заряд, його властивості.
	Закон Кулона. Електричне поле.
	Напруженість електричного поля.
	Принцип суперпозиції полів
Електричний диполь*.

• Предмет та методи електрики та магнетизму*.

Протягом віків наука і техніка та їхній розвиток були тісно пов’язані з вченням про електрику та магнетизм. Це вчення і в наш час є основою науково-технічного прогресу.

За сучасними даними, речовина складається з молекул і атомів, а атоми, в свою чергу, побудовані з елементарних частинок, які мають електричний заряд: порівняно важких позитивно заряджених протонів, що входять до складу ядер, і легких негативних електронів. Заряд електрона є найменшою частинкою електрики в природі, а заряд ядер завжди кратний заряду електрона. Заряджені частинки, як і самі атоми та молекули, перебувають у безперервному русі і взаємодіють між собою. Рухом і взаємодією електричних зарядів зумовлені найбільш поширені ц нашому повсякденному оточенні електромагнітні явища. Вони і являють собою предмет вивчення розділу фізики “електрика і магнетизм”, основним завданням якого є розкриття природи і властивостей електромагнітного поля, характеру взаємодії його з речовиною, вивчення електричних і магнітних властивостей самої речовини, теоретичне обґрунтування можливостей практичного застосування електромагнітних явищ.

Сучасна фізика встановила існування чотирьох видів фундаментальних взаємодій: сильної, електромагнітної, слабкої і гравітаційної. Сильна взаємодія короткодіюча і проявляється між частинками (адронами) лише в ядерних масштабах (м); слабка – ще більш короткодіюча (порядку м), проявляється між елементарними частинками і відіграє важливу роль при їх взаємних перетвореннях; гравітаційна взаємодія далекодіюча, але стає суттєвою лише для астрономічних об’єктів великої маси. Електромагнітна ж взаємодія внаслідок того, що вона на багато порядків інтенсивніша від гравітаційної і слабкої та є далеко діючою, на противагу сильній взаємодії, найбільш часто зустрічається і багата проявами в мега-, макро- і мікросвіті. Електромагнітною є взаємодія між ядрами і електронами в атомах, міжмолекулярна взаємодія. До електромагнітної природи зводяться сили пружності, тертя, поверхневого натягу тощо; ними визначаються хімічні і агрегатні перетворення, різноманітні електричні, магнітні, оптичні явища. Електромагнітні явища відіграють суттєву роль в космосі: магнітні поля планет призводять до виникнення радіаційних шарів, випромінення електромагнітної енергії Сонцем і зірками впливає на земні процеси. Закони електромагнетизму лежать в основі будови і дії різноманітних радіотехнічних, електротехнічних, електронних і багатьох інших приладів і пристроїв, без яких неможливо уявити наше життя.

Різноманітність і багатство проявів електромагнітних явищ вимагають їхнього пояснення на основі певних узагальнюючих теоретичних уявлень, які є важливим інструментом пізнання законів природи. Теоретичний аналіз електричних і магнітних явищ проводять на основі двох доповнюючи один одного методів або підходів: макроскопічного (чи феноменологічного) і мікроскопічного (чи структурного). Об’єктом дослідження в обох випадках є довільна макроскопічна система, однак перша теорія не враховує мікроструктури речовини, а друга, навпаки, виводить макроскопічні властивості із мікроструктурних уявлень.

Макроскопічний метод лежить в основі класичної теорії електромагнітного поля, або теорії Максвелла. Основним у ній є те, що не враховується атомно-молекулярна структура речовини, яка заповнює простір, де є поле. Наявність речовини теорія Максвелла враховує введенням ряду констант, які характеризують усереднені електричні чи магнітні властивості середовища: діелектричну і магнітну проникності, питому електропровідність, показник заломлення тощо. При цьому в більшості випадків допускається, що середовище є однорідним (в усіх точках властивості однакові) і ізотропним (властивості не залежать від напряму в просторі). Якщо ці умови не виконуються, то враховують залежність зазначених параметрів від координат і часу, а в окремих випадках від зовнішніх умов: напруженості поля, температури тощо.

У теорії Максвелла не враховується також атомістична (дискретна) структура заряду. З макроскопічної точки зору без суттєвих похибок можна не враховувати дискретності заряду на тілах і користуватися уявленнями про рівномірний і неперервний розподіл зарядів. У багатьох випадках такі уявлення приводять до теоретичний висновків, які задовільно узгоджуються з дослідними результатами.

Класична макроскопічна теорія електромагнітного поля Максвелла, побудована на вищезгаданих уявленнях, встановлює систему фундаментальних рівнянь, які є узагальненням дослідних законів електричних і магнітних явищ і розвитком ідеї Фарадея про взаємодію електрично заряджених тіл через електромагнітне поле. Рівняння Максвелла пов’язують силові характеристики електромагнітного поля з розподілом у просторі електричних зарядів і струмів. Ці рівняння дають можливість визначити основні характеристики поля в кожній точці простору в будь-який момент часу, якщо відомі джерела поля як функції координат і часу.

Незважаючи на успіхи в з’ясування багатьох електричних і магнітних явищ, теорія Максвелла виявилась неспроможною прояснити ряд явищ, в яких суттєву роль відіграють дискретність речовини і атомістична природа заряду (випромінювання і поглинання світла, фотоефект, дисперсія світла, властивості металів, стабільність атомів тощо).

Врахування внутрішньої будови речовини й атомістичної структури електрики привело до створення класичної електронної теорії (класичної мікроскопічної електродинаміки), засновником якої був Г.Лоренц (теорія Лоренца). Електронна теорія ґрунтується на структурному підході, при якому макроскопічні електромагнітні закономірності набувають модельного обґрунтування, виходячи з аналізу атомно-молекулярних взаємодій через мікроскопічні електромагнітні поля.

У теорії Лоренца речовина розглядається як сукупність електричних зарядів (електронів і атомних ядер), які розміщені у вакуумі. Врахування взаємодії між цими зарядами та впливу на них зовнішніх електромагнітних полів дає можливість пояснити електричні і магнітні властивості речовин. Поле в довільній точці речовини ці теорія розглядає як суперпозицію зовнішнього (макроскопічного) і внутрішнього (мікроскопічного, створеного рухомими у вакуумі зарядами, що входять до складу атомів речовини) полів. Теорія Лоренца є чисто класичною теорією, оскільки вона базується на твердженні, що на всіх просторово-часових рівнях проявляються однакові закономірності, тобто в макро- і мікросвіті існують лише кількісні, а не якісні відмінності.

Перехід від мікроскопічних параметрів до макроскопічних здійснюється за допомогою усереднення.

Теорія електромагнітних явищ Максвелла-Лоренца мала велике значення для формування сучасної фізичної картини світу. Теорія Максвелла виявила нову форму існування матерії у вигляді електромагнітного поля. Електромагнітна взаємодія і електромагнітне поле входять у сучасну фізичну картину як важливі складові частини. Незважаючи на те, що речовина і електромагнітне поле є різними формами матерії, їхні властивості в багатьох відношеннях подібні.