Елементи електромагнітної теорії Максвелла в шкільному курсі фізики, страница 2

-  значенням заряду ізольованої системи тіл “керує”, як було встановлено експериментально, закон збереження електричного заряду: алгебраїчна сума зарядів тіл системи не змінюється з часом, тобто  . Поряд з іншими законами збереження (енергії, імпульсу) закон збереження заряду є правилом, яке встановляє, що може і що не може відбуватися в даній системі, Особливо велика його роль у фізиці елементарних частинок, оскільки елементарні частинкиможуть зникати і перетворюватися одна в одну, зумовлюючи появу нових частинок. У відповідності до закону збереження електричного заряду в системі може виникати чи зникати лише парне число заряджеих частинок, одночасно із зникненням (чи виникненням) позитивно зарядженої частинки обов’язково зникає (або виникає) негативно заряджена частинка.

-  крім закону збереження заряду дуже важлива ще одна його особливість – його абсолютність, тобто незалежність від швидкості руху, а значить, і від системи відліку. Так встановлено з високою точністю (порядку 10^-20 е на атом), що молекули водню електронейтральні, такі ж як і атоми гелію. Щоб учні краще відчули, що таке насправді інваріантність заряду, корисно зробити такий розрахунок. Наприклад, нехай ми взяли два кусочки металу об’ємом 1 см³. Концентрація електронів повідності порядку 10²³ см^-3. Якщо уявити, що з рахунок нагрівання тіла заряд змінився хоча б на 10^-3 початкового значення, тоце привнло б до появи у кожному кусочку металу нескомпенсованого заряду q= 10^-3*1,6*10^-19*10²³ Кл = 16 Кл. тоді б ці два кусочки металу на відстані 1 м один від одного повинні були б відштовхуватися з силою

F=2510¹¹Н.

Це величезна сила, протидіяти якій не змогло б ніщо на світі. Ніякий матеріал не зміг би витримати такий величезний заряд: куски металу вибухнули б на дрібні частинки.

Електростатичне поле у шкільному курсі. Його  потенціальний харктер

Розглядаючи закон Кулона, учням демонструють взаємодію двох заряджених тіл і пояснюють, що взаємодія цих тіл здійснюється лише через якийсь матеріальний об’єкт між ними, тобто заряджені тіла діють одне на одного не безпосередньо, а через електричне поле.

Спочатку на дослідах показують, як із віддаленням від наелектризованого тіла сила електричної взаємодії посупово зменшується, але за допомогою цих дослідів не можна встановити меж електричного поля навколо зарядженого тіла, тому потім особливу увагу слід приділити аналізу формули закону Кулона:

або напруженості поля точкового заряду:

,

які встановлені експериментально. На основі цього анлізу показують, що електричне поле навколо точкового заряду безмежне, поступово послаблюється і лише на нескінченності дорівнює нулю.

За теорією далекодії одне тіло діє на віддалене від нього інше тіло безпосередньо через порожнечу, тобто жодного механізму для передачі взаємодії не потрібно. Це положення, яке основним у теорії далекодії, суперечить тому експериментальому фактові, що будь-яке тіло, взаємодіючи з іншим, “ідчуває” цю взаємодію  через певний проміжок часу, тобто існує скінченна швидкість передачі взаємодії. Наявність такої швидкості означає наявність у природі певного процесу, який передає цю взаємодію. В цьому суть так званої теорії близькодії і її відмінність від теорії далекодії. Центральним понятям теорії близькодії є поняття поля, яке (як і поняття заряду) є первинним і тому не має означення для учнів.

Одним з доказів того, що взаємодія наелектризованих тіл здійснюється за допомогою електричного поля, можуть бути представлені експериментальні факти, які свідчать про скінченну швидкість поширеня хвиль у взаємодії заряджених тіл. Після викладення Максвеллом своєї теорії електромагнітного поля даний факт було доведено теоретично.

Будь-який заряд “відчуває” на собі дію елкетричного поля, в той же час він здатний таке поле створювати. Однією з головних характеристик електричного поля є його напруженість – векторна величина, що характеризує поле в даній точці. Напрям поля – це напрям вектора його напруженостів даній точці, а рівність поля нулю означає рівність нулю його напруженості.

Якщо два поля не взаємодіють між собою, то кажуть, що такі поля задовольняють принцип суперпозиції полів. Досвід показує справедливісь цього принципу і для електромагнітних полів. Інакшими виявилися неможливими передача хвиль у телебаченні і радіомовленні, Відповідно принцип суперпозиції справедливий і для магнітних, і для електричних полів. Це означає, що коли в просторі існує кілька полів (створених, наприклад, електричними зарядами) , то напруженість результуючого поля в деєкій точці простору є векторною сумою напруженостей окремих складових:

++...+.

Оскільки існують методи, які дають змогу знайти напруженість електричного поля і незалежно від формули

,

то цю формулу можна використати для обчислення сили.

Слід звернути  увагу на особливість формули

.

Електричне поле саме по собі не має елктричного заряду, тому зарядові, який перебуває в цьому полі, немає на що діяти. Разом з тим - це сила, з якою поле ддіє на заряд. Звідси випливає, що для цієї сили третій закон Ньтона не діє . Пояснюється це тим, що механіка Ньютона є теорією далекодії і для неї поняття поля є чужорідним.

Після вивчення закону Кулона важливо зазначити, що його справедливість підтверджена експериментально у великому діапазоні відстаней від 10^-15  м (розмір атомного ядра) до кількох кілометрів, причому немає підстав вважати, що він буде несправедливий для більшого діапазону відстаней.

Після виведення формули для обчислення напруженості електричного поля точкового заряду слід звернути увагу учнів на те, що сили взаємодії зарядів можна обчислити за формулами:

,

Природньо постає питання: чи є відмінність між цими формулами. В електростатиці обчислюють силл взаємодії за будь-якою з них. Ці формули рівноправні, хооча тлумачення їх докорінно відрізняється.

Наступним важливим етапом формування електричного поля є введення є введення для його характеристики потенціалу – скалярної фізичної величини, пов’язаної з роботою, виконуваною силами елктростатичного поля при перміщенні в ньому зарядженого тіла.

Розглянувши  незалежність роботи елктростатичного поля при перміщенні в ньому електричного заряду від форми шляху, важливо зазначити, що це є справедливим не для кожного поля. Поля, в яких робота не залежить від форми шляху, називають потенціальними. поле тяжіння й електростатичне поля є потенціальними, тоді як магнітне поле не є потеціальним. Далі необхідно пояснити, що для характеристики потенціальних полів вводяться фізичні величини – потенціал і різниця  потенціалів.