Розділ 3 електромагнетизм

Багато фізичних явищ, які спостерігаються в природі і житті, не можуть бути пояснені тільки на основі законів механіки, молекулярно-кінетичної теорії і термодинаміки. У цих явищах проявляються сили, діючі між тілами на відстані, причому ці сили не залежать від мас взаємодіючих тіл і, отже, не є гравітаційними. Такі сили називають електромагнітними силами.

Про існування електромагнітних сил знали давно. Але систематичне, кількісне вивчення фізичних явищ, в яких проявляється електромагнітна взаємодія тіл, почалося тільки у кінці XVIII століття. Працями багатьох учених в XIX столітті завершилося створення стрункої науки, що вивчає електричні і магнітні явища.

Слово "електрика" походить від грецького ηλεχτρον - електрон (бурштин). Здатність натертого бурштину отримувати заряд і притягувати легкі предмети була відмічена ще у античному світі.

Слово "магнетизм" походить від назви міста Магнезія, яке знаходилося в Малій Азії, поблизу якого були відкриті властивості залізняку (магнітного залізняка FeO, Fe₂O₃) притягувати залізні предмети і передавати їм магнітні властивості.

Основними об'єктами вивчення в електродинаміці є електричні і магнітні поля, що створюються електричними зарядами і струмами.

Тема 8 Електростатика

§ 38. Електричний заряд. Закон Кулона

Подібно до поняття гравітаційної маси тіла в механіці Ньютона, поняття заряду в електродинаміці є первинним, основним поняттям.

Електричний заряд - це фізична величина, що характеризує властивість часток або тіл вступати в електромагнітні силові взаємодії.

Електричний заряд зазвичай позначається буквами q або Q.

Сукупність усіх відомих експериментальних фактів дозволяє зробити наступні висновки:

1. Існує два роди електричних зарядів, умовно названих позитивними і негативними.

2. Заряди можуть передаватися (наприклад, при безпосередньому контакті) від одного тіла до іншого. На відміну від маси тіла електричний заряд не є невід'ємною характеристикою тіла. Одне і те ж тіло в різних умовах може мати різний заряд.

3. Однойменні заряди відштовхуються, різнойменні - притягуються. У цьому також проявляється принципова відмінність електромагнітних сил від гравітаційних. Гравітаційні сили завжди є силами тяжіння.

Одним з фундаментальних законів природи є експериментально встановлений закон збереження електричного заряду.

У ізольованій системі сума зарядів усіх тіл залишається постійною: q₁+q₂+q₃+..+q_n=const.

З сучасної точки зору, носіями зарядів є елементарні частинки. Усі звичайні тіла складаються з атомів, до складу яких входять позитивно заряджені протони, негативно заряджені електрони і нейтральні частинки - нейтрони. Протони і нейтрони входять до складу атомних ядер, електрони утворюють електронні оболонки атомів. Електричні заряди протона і електрона по модулю однакові і дорівнюють елементарному заряду e.

e=1,602177·10^-19 Кл ≈ 1,6·10^-19 Кл.

У нейтральному атомі число протонів в ядрі дорівнює числу електронів в оболонках. Це число називається атомним номером. Атом цієї речовини може втратити один або декілька електронів або придбати зайвий електрон. У цих випадках нейтральний атом перетворюється на позитивно або негативно заряджений іон.

Заряд може передаватися від одного тіла до іншого тільки порціями, що містять ціле число елементарних зарядів. Таким чином, електричний заряд тіла - дискретна величина:

q = ± n·е (n=1,2,3 .- ціле число)

Кулон - це заряд, що проходить за 1 с через поперечний переріз провідника при силі струму 1 А (ампер).

У експериментах для виявлення і виміру електричних зарядів використовується електрометр - прилад, що складається з металевого стержня і стрілки, яка може обертатися навколо горизонтальної осі (рис. 3.1). Стержень із стрілкою ізольований від металевого корпусу. При доторканні зарядженого тіла із стержнем електрометра, електричні заряди одного знаку розподіляються по стержню і стрілці. Сили електричного відштовхування викликають поворот стрілки на деякий кут, по якому можна визначити заряд, переданий стержню електрометра.

Рисунок 3.1.

Уперше закон взаємодії нерухомих зарядів був встановлений французьким фізиком Шарлем Кулоном (1785 р.). У своїх дослідах Кулон вимірював сили притягання і відштовхування заряджених кульок за допомогою сконструйованого ним приладу - крутильних вагів (рис. 3.2), що відрізнялися надзвичайно високою чутливістю. У дослідах Кулона вимірювалася взаємодія між кульками, розміри яких багато менші відстані між ними. Такі заряджені тіла прийнято називати точковими зарядами.

Точковим зарядом називають заряджене тіло, розмірами якого в умовах даного завдання можна знехтувати.

Сили взаємодії нерухомих точкових зарядів прямо пропорційні добутку модулів зарядів і обернено пропорційні до квадрата відстані між ними:

. (3.1)

Рисунок 3.2. Рисунок 3.3.

Сили взаємодії підпорядковуються третьому закону Ньютона. Вони являються силами відштовхування при однакових знаках зарядів і силами притягування при різних знаках (рис. 3.3). Взаємодію нерухомих електричних зарядів називають електростатичною або кулонівською взаємодією. Розділ електродинаміки, що вивчає кулонівську взаємодію, називають електростатикою.

Закон Кулона справедливий для точкових заряджених тіл. Практично закон Кулона добре виконується, якщо розміри заряджених тіл багато менші відстані між ними.

Коефіцієнт k в (3.1) дорівнює:

, (3.2)

де - електрична стала.

ε - діелектрична проникність середовища.