Ответы на вопросы по главе 3

1. На основе электронной теории строения вещества можно представить, что в процессе электризации трением некоторое количество электронов переходит с одного тела на другое, при этом электризуются оба тела.

2. Против этого предположения можно выдвинуть серьезное возражение. Представим себе, что один из зарядов в какой-то момент времени по какой-то причине сдвинулся, «вздрогнул». Если исходить из предположения о «непосредственном взаимодействии», то необходимо заключить, что второй заряд должен в тот же самый момент тоже «вздрогнуть». Это означало бы, что сигнал от первого заряда дошел до второго мгновенно, что, как хорошо известно, противоречит основным представлениям теории относительности. Если же есть передатчик взаимодействия, т.е. поле, то в этом случае сигнал распространяется от одного заряда к другому по полю. Как бы ни была велика скорость распространения сигнала, она все же конечна, и поэтому может существовать некоторый промежуток времени, когда первый заряд уже кончил «вздрагивать», а второй еще не начал. В течение этого промежутка времени только поле содержит сигнал о «вздрагивании».

3. Из определения диэлектрической проницаемости среды следует, что сила взаимодействия в данном случае уменьшится в 81 раз. Так как согласно закону Кулона сила электростатического взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния, то, очевидно, чтобы сила осталась неизменной, расстояние между зарядами необходимо уменьшить в 81^1/2 = 9 раз.

4. В точке напряженность поля не определяется – это особая точка поля. Физически это означает, что ни один заряд в точке не является точечным (соответственно строить вектор напряженности поля точечного заряда можно в любой точки, кроме указанной).

5. В самом деле, если бы существовали два пути заряда q₀ из бесконечности в данную точку, на которых работы удовлетворяли бы неравенству , то можно было бы перевести заряд из бесконечности в эту точку по первому пути (работа поля ) и обратно – по второму пути (работа поля ). В результате была бы достигнута первоначальная конфигурация, т.е. произошел бы процесс, единственным результатом которого был бы выигрыш в работе . Это противоречит первому началу термодинамики. Следовательно, , электростатические силы и, значит, электростатические поля – консервативны.

6. Потенциал поля в данной точке определяется через работу, которую производят силы поля при перемещении положительного единичного заряда из данной точки в бесконечность, или работу против сил поля при перемещении такого же заряда из бесконечности в данную точку. Ясно, что такое определение потенциала не позволяет выполнить его экспериментальное определение в данной точке поля, так как мы не можем в опыте удалиться на бесконечность. Именно поэтому и говорят, что физический смысл имеет разность потенциалов в двух точках поля, но не сам потенциал в той или иной точке. Можно сказать, что потенциал в данной точке определен с точностью до постоянной. В качестве этой постоянной принято рассматривать значение потенциала на бесконечности, именно от этого значения и отсчитывается потенциал. Для удобства полагают, что значение потенциала на бесконечности равно нулю.

7. Существует 2 вида электрических зарядов, благодаря чему, в принципе, можно в любой точке уменьшить, или полностью скомпенсировать величину напряжённости электрического поля. На этом основан принцип электростатической защиты – внутри металлической полости отсутствует электрическое поле. Возможность же существования антигравитационного поля имеет чисто гипотетический характер. Кроме того, электрический заряд не может существовать в «чистом» виде. Электрический заряд – это свойство некоторых материальных (т.е. имеющих массу) частиц.

8. Исходя из формулы электроемкость не зависит от заряда или потенциала проводника, а определяется только его размерами, формой и диэлектрическими свойствами среды.

9. Естественно, что за любые равные промежутки времени через поперечное сечение проводника при постоянном токе проходят одинаковые количества электричества. По закону сохранения зарядов через любые сечения последовательной цепи проходят за одинаковые промежутки времени равные заряды. В противном случае заряды где-то накапливались бы или исчезали, чего не наблюдается. Поэтому сила тока во всех сечениях последовательной цепи одна и та же (это справедливо для постоянного и сравнительно медленно меняющихся токов).

10. Второе правило Кирхгофа представляет собой закон сохранения энергии, записанный для электрической цепи.

11. Э.д.с. генератора измеряется работой, которую генератор может совершить, перемещая единичный положительный заряд по всей замкнутой цепи; равна сумме напряжений на всех участках последовательной цепи; равна, наконец, разности потенциалов на полюсах разомкнутого генератора.

12. Потому что у них разные сопротивления и, следовательно, напряжения. Сопротивление волоска лампы велико, напряжение, измеряемое работой, совершенной на участке при прохождении единичного заряда, тоже значительно больше напряжения на шнуре. При прохождении электрического тока энергия превращается во внутреннюю, волосок раскаляется и испускает свет.

13. На самом деле, здесь нет ни какого противоречия и эти выражения одинаковы. Напомним: если величина является функцией нескольких переменных, то можно говорить о ее зависимости от одного аргумента, только при неизменности остальных. При постоянстве силы тока работа прямо пропорциональна сопротивлению; при неизменности напряжения – обратно пропорциональна сопротивлению, и установить это можно по любой из трех формул работы, если принять во внимание изменение остальных величин. Особенно просто это установить по формулам, содержащим только неизменными величины и одну изменяющуюся. Так, укоротив перегоревшую спираль электроплитки, мы уменьшаем ее сопротивление и увеличиваем работу тока за какое-то время, если плитка включена в сеть с неизменным напряжением. Установить это можно по любому из трех выражений, проще всего – по последнему. Плитка станет быстрее и до большей температуры нагреваться, большее количество теплоты будет отдавать и быстрее… перегорит.

14. Чем больше диэлектрическая проницаемость растворителя, тем меньше сила взаимодействия ионов, составляющих молекулу и тем легче, согласно закону Кулона, могут быть разорваны внутримолекулярные связи и, что, следовательно, приводит к увеличению степени диссоциации.

15. Физический смысл закона Фарадея можно понять, зная механизм ионной проводимости и электролиза. Чем больше количества электричества пройдет через электролит, тем больше число ионов подойдет к электродам. Положительные ионы при соприкосновении с катодом получают недостающие электроны и осаждаются на катоде в виде нейтральных атомов. Отрицательные ионы при соприкосновении с анодом отдают лишние электроны и осаждаются на аноде. Каждый осаждающийся на электроде ион переносит с собой некоторый электрический заряд. Следовательно, полный заряд, переносимый всеми ионами, строго пропорционален полному количеству ионов, осевших на электродах, т.е. массе выделяющегося вещества.

16. На намагниченные тела магнитное поле действует независимо от того, движутся они или покоятся.

17. Сила Лоренца перпендикулярна скорости, следовательно, работы она не совершает и может изменить только направление движения заряда.

18. Сила Ампера не является центральной. Она направлена перпендикулярно к линиям магнитной индукции.

19. Один Ампер [A] – сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу взаимодействия, равную 2·10-7 Н на каждый метр длины.

20. При изменении на обратное направления тока в рамке при прохождении ею устойчивого положения равновесия изменится и направление магнитного момента. Пройдя по инерции положение неустойчивого (теперь) равновесия, рамка сделает еще пол-оборота. Если периодически изменять направление тока, то рамка придет во вращательное движение. Устройство, с помощью которого можно подать ток в рамку и дважды за оборот автоматически изменять его направление, называется полукольцевым коллектором²⁶ (рис. 3.59, проследите ток в каждой части рамки через полпериода). По такому принципу действия работают электродвигатели постоянного тока.

21. Изменить магнитный поток можно, например, следующими способами: 1) изменяя магнитную индукцию по модулю и направлению, т.е. помещая контур с неизменной площадью в неоднородное магнитное поле; 2) изменяя ориентацию контура относительно вектора магнитной индукции, т.е. вращая контур в однородном магнитном поле, или изменяя его площадь.

22. Тепловое движение атомов и молекул разрушает взаимную ориентацию магнитных моментов молекул, поэтому намагниченность парамагнетика зависит от температуры и относительная магнитная проницаемость парамагнетиков убывает с увеличением температуры.

23. Диамагнитный эффект не зависит от температуры, так как тепловое движение атомов не нарушает ориентации индуцированных токов внутри атомов.

24. Объяснение этого явления дается в квантовой теории, где показано, что в системе, состоящей из многих атомов (молекул), магнитные моменты которых обусловлены спинами электронов, действуют обменные силы, стремящиеся одинаково ориентировать спины двух соседних атомов (молекул).

25. Легко показать, что в контуре с сопротивлением R протекает заряд, равный .