Введение. Заряд и поле.
Электрические и магнитные силы давно известны людям. Однако овладеть этими силами человечество смогло лишь после достигнутых в XIX веке решающих успехов в их изучении. Широкое практическое использование электромагнитных сил во многом определяет характер современной технической цивилизации.
Электромагнитные силы относятся к так называемым фундаментальным силам*. Именно электрические силы дают возможность существования всех макроскопических тел; лишь для образования очень больших тел, таких как планеты и звезды, существенны и гравитационные силы.
Электрические свойства тел описываются физической величиной, называемой зарядом. Заряд может быть положительным и отрицательным. Очень важным законом является закон сохранения заряда: полный заряд замкнутой системы сохраняется. Частицы, обладающие зарядами одного знака, отталкиваются друг от друга, обладающие зарядами разных знаков - притягиваются. Единица измерения заряда - Кулон.
Заряд не может существовать сам по себе; как было только что отмечено, заряд - это параметр, который может характеризовать тело или его часть. Однако иногда для краткости заряженное тело называют просто зарядом.
В состав вещества входят положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Обычно в макроскопических телах число протонов с очень высокой точностью равно числу электронов, поэтому полный заряд тела практически равен нулю и электрические силы не ощущаются со стороны. Если же баланс между электронами и протонами в каком-то теле нарушен, то оно будет воздействовать на другое заряженное тело. О том, насколько велики электрические силы, и насколько точно сбалансированы заряды в веществе, дает представление следующий пример: два человека, стоящие друг от друга на расстоянии 1 метр, будут отталкиваться с силой 1020 Ньютонов, если каждый лишится всего одного электрона из миллиона. Это сила, достаточная для того, чтобы поднять Черное море.
*Фундаментальные силы - это силы электромагнитного, гравитационного, ядерного и слабого взаимодействий. Других фундаментальных сил в природе не обнаружено, т.е. все остальные силы сводятся к этим. Удалось доказать, что слабые и электромагнитные силы имеют единую природу.
Нужно отметить одно очень важное обстоятельство — для правильного описания электромагнитного взаимодействия необходимо ввести понятие поля (разумеется, это относится не только к электромагнитному, но и к любому взаимодействию). Почему возникает такая необходимость? Причина в том, что силы, действующие на заряженную частицу, не могут зависеть только от положения других заряженных частиц. Если бы сила определялась только положением других частиц, то всякое изменение положения любой частицы мгновенно сказывалось бы на силах, действующих на другие частицы, что противоречит теории относительности, т. е. в конечном счете опытным данным.
Поэтому не совсем корректно говорить, что одна заряженная частица действует на другую. Более правильно считать, что всякая заряженная частица создает вокруг себя поле, и на всякую другую заряженную частицу действует сила, обусловленная этим полем. При изменении положения частицы изменяется и поле, создаваемое ей. Это изменение распространяется в пространстве с очень большой, но конечной скоростью - скоростью света с = 3·108 м/с.
Поле, создаваемое зарядами, удобно разделить на два вида - электрическое поле и магнитное поле. Магнитное поле может порождаться движущимися зарядами и действует на движущиеся заряды.
И для электрического, и для магнитного поля выполняется очень важный принцип суперпозиции: поле, создаваемое в какой-либо точке пространства несколькими зарядами, есть сумма полей, создаваемых каждым зарядом.
Везде в книге векторы обозначены жирными буквами (например, Е,r), модули этих векторов и скалярные величины записываются с помощью светлых букв (например, Е, υ, Q, х). Скалярное произведение векторов обозначается как два расположенных рядом вектора (например, Fr, Edr), векторное — квадратными скобками, (например, [vB]).
Все формулы даны в системе СИ.
1. Электростатика в вакууме.
1.1. Закон Кулона
Электростатика изучает взаимодействие неподвижных зарядов. В конце XIX века французский ученый Ш. Кулон экспериментально установил, что сила, с которой точечный неподвижный заряд Q действует на другой точечный неподвижный заряд q, пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
Эта форма записи не позволяет определить силу точно, т. к. не дает коэффициента пропорциональности и не определяет направления силы (ведь сила — это вектор). Точная запись закона Кулона:
,
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
