Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие заряда в электродинамике является первичным, основным понятием.
Электрический заряд - это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.
Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q .
Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:
Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.
Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.
Одноименные заряды отталкиваются, разноименные - притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.
Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда .
В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:
|
q 1 + q 2 + q 3 + ... +q n = const. |
Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.
С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы - нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e .
В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером . Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.
Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела - дискретная величина:
Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, называются квантованными . Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда. Следует отметить, что в современной физике элементарных частиц предполагается существование так называемых кварков - частиц с дробным зарядом и Однако, в свободном состоянии кварки до сих пор наблюдать не удалось.
В обычных лабораторных опытах для обнаружения и измерения электрических зарядов используется электрометр ( или электроскоп) - прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1.1.1). Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.
Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Шарлем Кулоном в 1785 г. В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора - крутильных весов (рис. 1.1.2), отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью. Так, например, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка 10 -9 Н.
Идея измерений основывалась на блестящей догадке Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между ними поровну. Таким образом, был указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами .
Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.
На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:
Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:
Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона:
Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1.3). Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой .
Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.
Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).
Кулон - это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (Ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения .
Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:
Где 
- электрическая постоянная
.
В системе СИ элементарный заряд e равен:
Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции:
Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.
Рис. 1.1.4 поясняет принцип суперпозиции на примере электростатического взаимодействия трех заряженных тел.
Принцип суперпозиции является фундаментальным законом природы. Однако, его применение требует определенной осторожности, в том случае, когда речь идет о взаимодействии заряженных тел конечных размеров (например, двух проводящих заряженных шаров 1 и 2). Если к системе из двух заряженных шаров поднсти третий заряженный шар, то взаимодействие между 1 и 2 изменится из-за перераспределения зарядов .
Принцип суперпозиции утверждает, что при заданном (фиксированном) распределении зарядов на всех телах силы электростатического взаимодействия между любыми двумя телами не зависят от наличия других заряженных тел.
Немецкий физик и физиолог Г. Гельмгольц обратил внимание на то, что заряды, которые переносят ионы при явлении электролиза, являются целыми, кратными некоторой величине, равной Кл. Каждый одновалентный ион переносит такой заряд. Любой двухвалентный ион несет заряд, равный 
Кл,и так далее. Гельмгольц сделал вывод о том, что заряд Кл является минимальным количеством электричества, которое существует в природе. Данный заряд получил название элементарного заряда. Так, например, анионы хлора, йода несут один отрицательный элементарный заряд, а одновалентные катионы, например, водорода, калия, обладают одним положительным элементарным зарядом.
В явлениях, связанных с электролизом ученые впервые обнаружили дискретность электричества и смогли определить величину элементарного заряда.
Несколько позднее ирландец Д. Стоней высказался о существовании элементарного заряда внутри атома. Он предложил назвать этот элементарный заряд электроном. Величину заряда электрона часто обозначают e или .
При зарядке тела, мы создаем на нем избыток электронов или недостаток в сравнении с их нормальным количеством, при котором тело не имеет заряда. При этом электроны берутся у другого тела или удаляются из заряжаемого тела, но не уничтожаются или создаются. Важно запомнить, что процесс зарядки и разрядки тел является процедурой перераспределения электронов, при этом общее их число не изменяется.
При соединении заряженного проводника с незаряженным, заряд перераспределяется между обоими телами. Допустим, что одно тело несет отрицательный заряд, его соединяют с незаряженным телом. Электроны заряженного тела под воздействием сил взаимного отталкивания переходят на незаряженное тело. При этом заряд первого тела уменьшается, заряд второго увеличивается, до тех пор пока не наступит равновесие.
Если соединяют положительные и отрицательные заряды, они компенсируют друг друга. Это значит, что объединяя одинаковые по величине отрицательные и положительные заряды, мы получим незаряженное тело.
При электризации тел, с использованием трения, так же происходит перераспределение зарядов. Основной причиной при этом является переход части электронов при тесном контакте тел от одного тела к другому.
Опыты Милликена и Иоффе доказывающие существование электрона
Эмпирически существование элементарного заряда, который несет электрон было доказано американским ученым Р. Милликеном. Он измерял скорость движения капель масла в однородном электрическом поле, между двумя электрическими пластинами. Капля заряжалась. Ученый сравнивал скорости движения капли без заряда и этой же капли имеющей заряд. Измеряя напряженность поля между пластинами, находился заряд капли.
А.Ф. Иоффе проводил подобные опыты, но при этом использовал металлические пылинки в качестве объектов исследования. Изменяя напряженность поля между пластинками, Иоффе получал равенство силы тяжести и силы Кулона, пылинка при этом оставалась неподвижной. При освещении пылинки ультрафиолетом изменяли ее заряд. Для компенсации силы тяжести изменялась напряженность поля. Так ученый получал величину на которую изменился заряд пылинки.
Эмпирически показано, что заряды пылинок и капель всегда меняются скачком. Минимальное изменение заряда оказалось равным:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Минимальная скорость электрона, которая необходима для ионизации атома водорода, равна при потенциале ионизации атома В. Чему получатся равен элементарный заряд в этом опыте? Массу электрона считайте равной кг. |
| Решение | Ионизация атома водорода заключается в отрывании электрона от нейтрального атома водорода. Для того чтобы электрон оторвался от атома он должен иметь кинетическую энергию не меньше, чем:
Электрон приобретает эту энергию за счет работы электростатического поля, которая равна: Изменение кинетической энергии электрона равно работе, которую совершают силы поля над элементарным зарядом: где Используя выражения (1.1) - (1.3) найдем величину заряда электрона:
Проведем вычисления элементарного заряда: |
| Ответ | Кл |
ПРИМЕР 2
| Задание | Протоны ускоряют в циклотроне в однородном магнитном поле, индукция которого равна В. Максимальный радиус кривизны траектории частицы, составляет R. Какова кинетическая энергия протона в конце ускорения? Массу протона считайте известной. |
| Решение | Протон несёт элементарный заряд, как и электрон, однако, в отличии от электронная является положительной частицей (). На протон, движущийся в магнитном поле действует сила Лоренца, сообщая частице центростремительное ускорение. |
Перечислим свойства зарядов
2. Электрический заряд имеет дискретную природу
Элементарный заряд
Электрический ток. Условия существования эл.тока. Сила тока и плотность тока
Электрическим током называется направленное движение заряженных частиц. За направление электрического тока условились считать направление движения положительно заряженных частиц. Для продолжительного существования электрического тока в замкнутой цепи необходимо выполнение следующих условий:
Наличие свободных заряженных частиц (носителей тока);
Наличие электрического поля, силы которого, действуя на заряженные частицы, заставляют их двигаться упорядоченно;
Наличие источника тока, внутри которого сторонние силы перемещают свободные заряды против электростатических (кулоновских) сил.
Количественными характеристиками электрического тока являются сила тока I и плотность тока j.
Сила тока - скалярная физическая величина, равная отношением заряда Δq, проходящего через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени Δt, к этому промежутку:
Единицей силы тока в СИ является ампер (А).
Если сила тока и его направление со временем не изменяются, то ток называется постоянным.
Плотность тока j - это векторная физическая величина, модуль которой равен отношению силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника:
В СИ единицей плотности тока является ампер на квадратный метр (А/м2).
Преломление света в линзах
Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя криволинейными или криволинейной и плоской поверхностями.
В большинстве случаев применяются линзы, поверхности которых имеют сферическую форму. Линза называется тонкой, если ее толщина d мала по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей R1 и R2. В противном случае линза называется толстой. Главной оптической осью линзы называют прямую, проходящую через центры кривизны ее поверхностей. Можно считать, что в тонкой линзе точки пересечения главной оптической оси с обеими поверхностями линзы сливаются в одну точку О, называемую оптическим центром линзы. Тонкая линза имеет одну главную плоскость, общую для обеих поверхностей линзы и проходящую через оптический центр линзы перпендикулярно к ее главной оптической оси. Все прямые, проходящие через оптический центр линзы и не совпадающие с ее главной оптической осью, называют побочными оптическими осями линзы. Лучи, идущие вдоль оптических осей линзы (главной и побочных), не испытывают преломления.
Формула тонкой линзы:
где п21 = п2/п1, п2 и n1 - абсолютные показатели преломлениядля материала линзы и окружающей среды, R1 и R2 - радиусы кривизны передней и задней (относительно предмета) поверхностей линзы, а1 и а2 - расстояния до предмета и его изображения, отсчитываемые от оптического центра линзы вдоль ее главной оптической оси.
Величину называют фокусным расстоянием линзы. Точки, лежащие на главной оптической оси линзы по обе стороны от оптического центра па одинаковых расстояниях, равных f, называют главными фокусами линии. Плоскости, проходящие через главные фокусы F1 и F2 линзы перпендикулярно к ее главной оптической оси, называют фокальными плоскостями линзы. Точки пересечения побочных оптических осей с фокальными плоскостями линзы называют побочными фокусами линзы.
Линзу называют собирающей (положительной), если ее фокусное расстояние f >0. Линзу называют рассеивающей (отрицательной), если ее фокусное расстояние f <0.
Для n2 >n1 собирающими линзами являются двояковыпуклые, плоско-выпуклые и вогнуто-выпуклые (положительные менисковые линзы), утоньшающиеся от центра к краям; рассеивающими являются двояковогнутые, плоско-вогнутые и выпукло-вогнутые линзы (отрицательные мениски), утолщающиеся от центра к краям. Для п2
Гипотеза Планка. Фотон и его свойства. Корпускулярно-волновой дуализм
Гипо́теза Пла́нка - гипотеза, выдвинутая 14 декабря 1900 года Максом Планком и заключающаяся в том, что при тепловом излучении энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями). Каждая такая порция-квант имеет энергию , пропорциональной частоте ν излучения:
где h или - коэффициент пропорциональности, названный впоследствии постоянной Планка. На основе этой гипотезы он предложил теоретический вывод соотношения между температурой тела и испускаемым этим телом излучением - формулу Планка.
Позднее гипотеза Планка была подтверждена экспериментально.
Выдвижение этой гипотезы считается моментом рождения квантовой механики.
Фотон - материальная, электрически нейтральная частица, квант электромагнитного поля (переносчик электромагнитного взаимодействия).
Основные свойства фотона
1. Является частицей электромагнитного поля.
2. Движется со скоростью света.
3. Существует только в движении.
4. Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью, равной скорости света, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.
Энергия фотона:
Согласно теории относительности энергия всегда может быть вычислена как ,
Отсюда - масса фотона .
Импульс фотона 
. Импульс фотона направлен по световому пучку.
Корпускулярно-волновой дуализм
Конец XIX в.: фотоэффект и эффект Комптона подтвердили теорию Ньютона, а явления дифракции, интерференции света подтвердили теорию Гюйгенса.
Таким образом, многие физики в начале XX в. пришли к выводу, что свет обладает двумя свойствами:
1. При распространении он проявляет волновые свойства.
2. При взаимодействии с веществом проявляет корпускулярные свойства. Его свойства не сводятся ни к волнам, ни к частицам.
Чем больше v, тем ярче выражены квантовые свойства света и менее - волновые.
Итак, всякому излучению присущи одновременно волновые и квантовые свойства. Поэтому то, как проявляет себя фотон - как волна или как частица,- зависит от характера проводимого над ним исследования.
Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома
Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощью α-частиц. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона. Скорость α-частиц очень велика: она составляет 1/15 скорости света. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы и не в состоянии заметно изменить его скорость. Рассеяние (изменение направления движения) α-частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию α-частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома. Радиоактивный препарат, например радий, помещался внутри свинцового цилиндра 1, вдоль которого был высверлен узкий канал. Пучок α-частиц из канала падал на тонкую фольгу 2 из исследуемого материала (золото, медь и пр.). После рассеяния α-частицы попадали на полупрозрачный экран 3, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было наблюдать в микроскоп 4. Весь прибор размещался в сосуде, из которого был откачан воздух.
При распределении по всему атому положительный заряд не может создать достаточно интенсивное электрическое поле, способное отбросить а-частицу назад. Максимальная сила отталкивания определяется по закону Кулона:
где qα - заряд α-частицы; q - положительный заряд атома; r - его радиус; k - коэффициент пропорциональности. Напряженность электрического поля равномерно заряженного шара максимальна на поверхности шара и убывает до нуля по мере приближения к центру. Поэтому, чем меньше радиус r, тем больше сила, отталкивающая α-частицы. Эта теория кажется совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеиванию а-частиц. Но на основе этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьма немалым. Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики Максвелла должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы. Как показывают строгие расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ничтожно малое время должен упасть на ядро. Атом должен прекратить свое существование.
В действительности ничего подобного не происходит. Отсюда следует, что к явлениям атомных масштабов законы классической физики неприменимы. Резерфорд создал планетарную модель атома: электроны обращаются вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Эта модель проста, обоснована экспериментально, но не позволяет объяснить устойчивость атома.
Количество теплоты
Количество теплоты - это мера изменения внутренней энергии, которую тело получает (или отдает) в процессе теплообмена.
Таким образом, и работа, и количество теплоты характеризуют изменение энергии, но не тождественны энергии. Они не характеризуют само состояние системы, а определяют процесс перехода энергии из одного вида в другой (от одного тела к другому) при изменении состояния и существенно зависят от характера процесса.
Основное различие между работой и количеством теплоты состоит в том, что работа характеризует процесс изменения внутренней энергии системы, сопровождающийся превращением энергии из одного вида в другой (из механической во внутреннюю). Количество теплоты характеризует процесс передачи внутренней энергии от одних тел к другим (от более нагретых к менее нагретым), не сопровождающийся превращениями энергии.
Опыт показывает, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела массой m от температуры T1 до температуры T2, рассчитывается по формуле где c - удельная теплоемкость вещества;
Единицей удельной теплоемкости в СИ является джоуль на килограмм-Кельвин (Дж/(кг·К)).
Удельная теплоемкость c численно равна количеству теплоты, которое необходимо сообщить телу массой 1 кг, чтобы нагреть его на 1 К.
Теплоемкость тела CT численно равна количеству теплоты, необходимому для изменения температуры тела на 1 К:
Единицей теплоемкости тела в СИ является джоуль на Кельвин (Дж/К).
Для превращения жидкости в пар при неизменной температуре необходимо затратить количество теплоты
где L - удельная теплота парообразования. При конденсации пара выделяется такое же количество теплоты.
Для того чтобы расплавить кристаллическое тело массой m при температуре плавления, необходимо телу сообщить количество теплоты 
где λ - удельная теплота плавления. При кристаллизации тела такое же количество теплоты выделяется.
Количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива массой m,
где q - удельная теплота сгорания.
Единица удельных теплот парообразования, плавления и сгорания в СИ - джоуль на килограмм (Дж/кг).
Электрический заряд и его свойства. Дискретность. Элементарный электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда.
Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая электромагнитное взаимодействие. Тело заряжено отрицательно, если на нем избыток электронов, положительно – дефицит.
Перечислим свойства зарядов
1. Существуют заряды двух видов; отрицательные и положительные. Разноименные заряды притягиваются, одноименные отталкиваются. Носителем элементарного, т.е. наименьшего, отрицательного заряда является электрон, заряд которого qe= -1,6*10-19Кл, а масса mе=9,1*10-31кг. Носителем элементарного положительного заряда является протон qр=+1,6*10-19Кл, масса mр=1,67*10-27кг.
2. Электрический заряд имеет дискретную природу . Это означает, что заряд любого тела кратен заряду электрона q=Nqe, где N – целое число. Однако мы, как правило, не замечаем дискретности заряда, так как элементарный заряд очень мал.
3. В изолированной системе, т.е. в системе, тела которой не обмениваются зарядами с внешними по отношению к ней телами, алгебраическая сумма зарядов сохраняется (закон сохранения заряда).
4. Эл. заряд всегда можно передать от одного тела к другому.
5. Единица заряда в СИ – кулон (Кл). По определению, 1 кулон равен заряду, протекающему через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока 1 А.
6. Закон сохранения электрического заряда.
Внутри замкнутой системы при любых взаимодействиях алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной:
Изолированной (или замкнутой) системой мы будем называть систему тел, в которую не вводятся извне и не выводятся из нее электрические заряды.
Нигде и никогда в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление положительного электрического заряда всегда сопровождается появлением равного по модулю отрицательного заряда. Ни положительный, ни отрицательный заряд не могут исчезнуть в отдельности, они могут лишь взаимно нейтрализовать друг друга, если равны по модулю.
Так элементарные частицы способны превращаться друг в друга. Но всегда при рождении заряженных частиц наблюдается появление пары частиц с зарядами противоположного знака. Может наблюдаться и одновременное рождение нескольких таких пар. Исчезают заряженные частицы, превращаясь в нейтральные, тоже только парами. Все эти факты не оставляют сомнений в строгом выполнении закона сохранения электрического заряда.
Элементарный заряд - минимальный заряд, разделить который невозможно.
е - =1,6·10 - 19 Кл (1.9)
Во многие формулы электричества входит пространственный множитель 4p. Чтобы избавиться от него в практически важных формулах, закона Кулона записывается в следующей форме:
Таким образом (1.11)
Откуда (1.12)
e 0 - называется электрической постоянной .
§6: Теория близкодействия. Электрическое поле.
Опыт показывает, что между электрически заряженными и намагниченными телами, а так же телами, по которым текут электрические токи действуют силы, называемые электромагнитными или электродинамическими. Относительно природы этих сил в науке выдвигались две противоположные точки зрения. Более ранняя из них (называемая теорией дальнодействия) исходила из представления о непосредственном действии тел на расстоянии без участия каких бы то ни было промежуточных материальных посредников. При этом бездоказательно предполагалось, что такое действие происходит мгновенно, т.е. с бесконечно большой скоростью (v®¥)!? Более новая точка зрения, принятая в настоящее время в физике, исходит из представления о том, что взаимодействия передаются с помощью особого материальным посредника, называемого электромагнитным полем (это - так называемая теория близкодействия). Согласно этой теории максимальная скорость распространения взаимодействий равна скорости света в вакууме: v=c (с-скорость света в вакууме). Теория дальнодействия черпала свои идеи из учения Ньютона о всемирном тяготении. Огромные успехи небесной механики с одной стороны и полная неудача хоть как ни будь объяснить причины тяготения с другой стороны, привели многих ученых к представлению, что тяготение и электромагнитные силы не нуждаются в объяснении, а являются “врожденными” свойствами самой материи. В математическом отношении теория дальнодействия достигла высокой степени совершеннства благодаря работам Лапласа, Гауса, Остроградского, Ампера, Пуассо. Ее придерживалось большинство физиков до конца XIX в. Майкл Фарадей был почти единственным, кто придерживался другой точки зрения. Он является основоположником физической теории электромагнитного поля. Согласно теории Фарадея действия одного тела на другое может осуществляться либо непосредственно при соприкосновении, либо передаваться через промежуточную среду. Таким образом центр внимания с изучения зарядов и токов, являющиеся основными объектами теории дальнодействия, Фарадей перенес на изучение окружающего пространства. Это пространство с действующими в нем силами называется электромагнитным полем.
Электрическое взаимодействие осуществляется по схеме:
заряд ® поле ® заряд ,
т.е. каждый заряд создает вокруг себя электрическое поле, которое действует с силой на все остальные заряженные частицы, находящиеся в этом поле. Максвелл показал, что электромагнитные взаимодействия должны распространиться со скоростью света в вакууме с»3·10 8 м/c. Это главный аргумент в пользу теории близкодействия. О природе электрического поля можно сказать, что оно материально, т.е. существует и обладает свойствами присущими только ему. Среди важнейших свойств электромагнитного поля можно отметить следующие:
1. Электрическое поле пораждается электрическими зарядами и заполняет все пространство.
2. Электрическое поле действует на заряды с некоторой силой.
Принцип суперпозиций полей. Плотность заряда.
Пусть поле создается зарядом q 1 . Если для данной точки поля, которая определяется радиус-вектором r 12 , согласно закону Кулона взять отношение
то видно, что это отношение уже не зависит от пробного заряда q 2 и таким образом выражение, стоящее в правой части (1.13) может служить характеристикой поля, создаваемого зарядом q 1 . Эта величина называется напряженностью электрического поля E!
Величина напряженности эл. поля на расстоянии r от заряда q равна
Напряженность – величина векторная. В векторном виде она имее вид:
C учетом (1.15) закон Кулона (1.4) можно записать в виде:
Из (1.17) видно, что напряженность электрического поля равна силе, действующей на единичный положительный заряд .
Размерность напряженности [E]=H/Kл
Принцип суперпозиции
Опыт показывает, что для электрического поля справедлив принцип суперпозиции полей:
Если - напряженности полей, создаваемых отдельными зарядами в какой-либо точке пространства, то напряженность в этой же точке равна сумме напряженностей.
где r i - радиус-вектор, направленный от заряда q i в точку наблюдения.
Этот принцип справедлив вплоть до размеров ядер r~10 - 15 м.
Обращаем внимание на то, что в (1.18) напряженности складываются векторно ! По формулам (1.15) и (1.18) можно вычислить напряженность электрического поля, создаваемого не только точечными зарядами, но и заряженными телами любой формы.
Плотность заряда.
Если заряженное тело велико и его нельзя рассматривать как точечный заряд, то для вычисления напряженности эл. поля такого тела необходимо знать распределение зарядов внутри этого тела. Это распределение характеризуется функцией, которая называется объемной плотностью электрических зарядов. По определению, объемной плотностью зарядов наз.
Распределение зарядов считается известным, если известна функция r= r(x,y,z).
Если заряды расположены на поверхности, то вводится поверхностная плотность зарядов
Распределение зарядов по поверхности считается известным, если известна функция s= s(x,y,z).
Если заряды распределены вдоль линии, то вводится линейная плотность зарядов , которая по определению есть:
Распределение зарядов считается известным, если известна функция t =t(x,y,z).
§8: Силовые линии электрического поля. Напряженность поля точечного заряда.
Электрическое поле считается известным, если известен вектор напряженности в каждой точке пространства. Задать или представить поле на бумаге можно либо аналитически, либо графически при помощи силовой линии.
Электроном является элементарная частица, являющаяся одной из главных единиц в структуре вещества. Заряд электрона отрицательный. Самый точные измерения были сделаны в начале двадцатого века Милликеном и Иоффе.
Заряд электрона равен минус 1,602176487 (40)*10 -1 9 Кл.
Через эту величину измеряется электрический заряд других мельчайших частиц.
Общее понятие об электроне
В физике элементарных частиц говорится, что электрон — неделимый и не обладающий структурой. Он задействован в электромагнитных и гравитационных процессах, принадлежит к лептоновой группе, так же как и его античастица — позитрон. Среди других лептонов обладает самым легким весом. Если электроны и позитроны сталкиваются, это приводит к их аннигиляции. Подобная пара может возникнуть из гамма-кванта частиц.
До того как измерили нейтрино, именно электрон считался самой легкой частицей. В квантовой механике его относят к фермионам. Также электрон имеет магнитный момент. Если к нему относят и позитрон, то разделяют позитрон как положительно заряженную частицу, а электрон называют негатроном, как частицу с отрицательным зарядом.
Отдельные свойства электронов
Электроны относят к первому поколению лептонов, со свойствами частиц и волн. Каждый из них наделен состоянием кванта, которое определяют в результате измерения энергии, спиновой ориентации и других параметров. Принадлежность к фермионам у него раскрывается через невозможность нахождения в одном состоянии кванта одновременно двух электронов (по принципу Паули).
Его изучают так же, как квазичастицу в периодическом кристаллическом потенциале, у которой эффективная масса способна существенно отличаться от массы в состоянии покоя.
Посредством движения электронов происходит электрический ток, магнетизм и термо ЭДС. Заряд электрона в движении образует магнитное поле. Однако внешнее магнитное поле отклоняет частицу от прямого направления. При ускорении электрон приобретает способность поглощения или излучения энергии в качестве фотона. Из его множества состоят электронные атомические оболочки, число и положение которых определяют химические свойства.
Атомическая масса в основном состоит из ядерных протонов и нейтронов, в то время как масса электронов состовляет порядка 0,06 % от всего атомного веса. Электрическая сила Кулона является одной из главных сил, способных удерживать электрон рядом с ядром. Но когда из атомов создаются молекулы и возникают химические связи, электроны перераспределяются в новом образованном пространстве.
В появлении электронов участвуют нуклоны и адроны. Изотопы с радиоактивными свойствами способны излучать электроны. В условиях лабораторий эти частицы могут изучаться в специальных приборах, а например, телескопы могут детектировать от них излучения в плазменных облаках.
Открытие
Электрон открыли немецкие физики в девятнадцатом веке, когда изучали катодные свойства лучей. Затем другие ученые стали более детально изучать его, выводя в ранг отдельной частицы. Изучалось излучение и другие связанные физические явления.
К примеру, группа во главе с Томсоном оценила заряд электрона и массу катодных лучей, отношения которых, как она выяснили, не зависят от материального источника.
А Беккерель выяснил, что минералы излучают радиацию сами по себе, а их бета-лучи способны отклоняться посредством воздействия электрического поля, причем у массы и заряда сохранялось то же отношение, что и у катодных лучей.
Атомная теория
Согласно этой теории, атом состоит из ядра и электронов вокруг него, расположенных в виде облака. Они находятся в неких квантованных состояниях энергии, изменение которых сопровождается процессом поглощения или излучения фотонов.
Квантовая механика
В начале двадцатого века была сформулирована гипотеза, согласно которой материальные частицы имеют свойства как собственно частиц, так и волн. Также и свет способен проявляться в виде волны (ее называют волной де Бройля) и частиц (фотонов).
В результате было сформулировано знаменитое уравнение Шредингера, где описывалось распространение электронных волн. Этот подход и назвали квантовой механикой. При помощи него вычисляли электронные состояния энергии в атоме водорода.
Фундаментальные и квантовые свойства электрона
Частица проявляет фундаментальные и квантовые свойства.
К фундаментальным относятся масса (9,109*10 -31 килограмм), элементарный электрический заряд (то есть минимальная порция заряда). Согласно тем измерениям, что проведены до настоящего времени, у электрона не обнаруживается никаких элементов, способных выявить его субструктуру. Но некоторые ученые придерживаются мнения, что он является точечной заряженной частицей. Как указано в начале статьи, электронный электрический заряд - это -1,602*10 -19 Кл.
Являясь частицей, электрон одновременно может быть волной. Эксперимент с двумя щелями подтверждает возможность его одновременного прохождения через обе из них. Это вступает в противоречие со свойствами частицы, где каждый раз возможно прохождение только через одну щель.
Считается, что электроны имеют одинаковые физические свойства. Поэтому их перестановка, с точки зрения квантовой механики, не ведет к изменению системного состояния. Волновая функция электронов является антисимметричной. Поэтому ее решения обращаются в нуль тогда, когда одинаковые электроны попадают в одно квантовое состояние (принцип Паули).
