Главная / Все для дома / Основы электродинамики. Предмет классической электродинамики. Электрическое поле. Напряженность электрического поля

Основы электродинамики. Предмет классической электродинамики. Электрическое поле. Напряженность электрического поля

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Электромагнитные поля и электромагнитные взаимодействия исследует раздел физики, называемый электродинамикой .

Классическая электродинамика изучает и описывает свойства электромагнитных полей. Рассматривает законы, по которым электромагнитные поля взаимодействуют с телами, обладающими электрическим зарядом.

Базовые понятия электродинамики

Основой электродинамики неподвижной среды являются уравнения Максвелла. Электродинамика оперирует такими основными понятиями как электромагнитное поле, электрический заряд, электромагнитный потенциал, вектор Пойнтинга.

Электромагнитным полем называют особый вид материи, который проявляется при воздействии одного заряженного тела на другое. Часто при рассмотрении электромагнитного поля выделяют его составляющие: электрическое поле и магнитное поле. Электрическое поле создает электрический заряд или переменное магнитное поле. Магнитное поле возникает при движении заряда (заряженного тела) и при наличии переменного во времени электрического поля.

Электромагнитный потенциал - это физическая величина, определяющая распределение электромагнитного поля в пространстве.

Электродинамику разделяют на: электростатику; магнитостатику; электродинамику сплошной среды; релятивистскую электродинамику.

Вектор Пойнтинга (вектор Умова — Пойнтинга) - это физическая величина, являющаяся вектором плотности потока энергии электромагнитного поля. Величина данного вектора равна энергии, которая переносится в единицу времени сквозь единичную площадь поверхности, которая перпендикулярна направлению распространения электромагнитной энергии.

Электродинамика составляет основу для изучения и развития оптики (как раздела науки), физики радиоволн. Этот раздел науки является фундаментом для радиотехники и электротехники.

Классическая электродинамика, при описании свойств электромагнитных полей и принципов их взаимодействия, использует систему уравнений Максвелла (в интегральной или дифференциальной формах), дополняя ее системой материальных уравнений, граничными и начальными условиями.

Структурные уравнения Максвелла

Система уравнений Максвелла имеет такое же значение в электродинамике как законы Ньютона в классической механике. Уравнения Максвелла были получены в результате обобщения многочисленных экспериментальных данных. Выделают структурные уравнения Максвелла, записывая их в интегральном или дифференциальном виде и материальные уравнения, которые связывают векторов c параметрами, характеризующими электрические и магнитные свойства вещества.

Структурные уравнения Максвелла в интегральном виде (в системе СИ):

где - вектор напряженности магнитного поля; — вектор плотности электрического тока; - вектор электрического смещения. Уравнение (1) отображает закон создания магнитных полей. Магнитное поле возникает при движении заряда (электрический ток) или при изменении электрического поля. Это уравнение - обобщение закона Био-Савара-Лапласа. Уравнение (1) носит название теоремы о циркуляции магнитного поля.

где - вектор индукции магнитного поля; - вектор напряжённости электрического поля; L - замкнутый контур, по которому происходит циркуляция вектора напряженности электрического поля. Другое название уравнения (2) — это закон электромагнитной индукции. Выражение (2) означает то, что вихревое электрическое поле порождается благодаря переменному магнитному полю.

где - электрический заряд; - плотность заряда. Уравнение (3) называют теоремой Остроградского — Гаусса. Электрические заряды являются источниками электрического поля, существуют свободные электрические заряды.

Уравнение (4) свидетельствует о том, что магнитное поле является вихревым. Магнитных зарядов в природе не существует.

Структурные уравнения Максвелла в дифференциальном виде (система СИ):

где - вектор напряженности электрического поля; - вектор магнитной индукции.

где — вектор напряженности магнитного поля; - вектор диэлектрического смещения; - вектор плотности тока.

где - плотность распределения электрического заряда.

Структурные уравнения Максвелла в дифференциальной форме определяют электромагнитное поле в любой точке пространства. Если заряды и токи распределены в пространстве непрерывно, то интегральная и дифференциальная формы уравнений Максвелла эквивалентны. Однако если имеются поверхности разрыва, то интегральная форма записи уравнений Максвелла является более общей.

Для достижения математической эквивалентности интегральной и дифференциальной форм уравнений Максвелла дифференциальную запись дополняют граничными условиями.

Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле и наоборот, то есть эти поля неразрывны и образуют единое электромагнитное поле. Источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо переменное во времени магнитное поле. Магнитные поля возбуждаются движущимися электрическими зарядами (токами) или переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не являются симметричными относительно электрического и магнитного полей. Это происходит из-за того, что электрические заряды существуют, а магнитных нет.

Материальные уравнения

Систему структурных уравнений Максвелла дополняют материальными уравнениями, которые отражают связь векторов c параметрами, характеризующими электрические и магнитные свойства вещества.

где - относительная диэлектрическая проницаемость, - относительная магнитная проницаемость, — удельная электропроводность, - электрическая постоянная, - магнитная постоянная. Среда в таком случае считается изотропной, неферромагнитной, несегнетоэлектрической.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Получите дифференциальную форму уравнения непрерывности из системы уравнений Максвелла.

Решение

В качестве основы для решения задачи используем уравнение:

где - площадь произвольной поверхности, на которую опирается замкнутый контур L. Из (1.1) имеем:

Рассмотрим бесконечно малый контур, тогда

Так как поверхность является замкнутой, то выражение (1.2) можно переписать как:

Запишем еще одно уравнение Максвелла:

Продифференцируем уравнение (1.5) по времени, имеем:

Принимая во внимание выражение (1.4), уравнение (1.5) представим в виде:

Мы получили уравнение (1.5) непрерывности в интегральной форме. Для того, чтобы перейти к дифференциальной форме уравнения непрерывности перейдем к пределу:

Мы получили уравнение непрерывности в дифференциальной форме:

Определение 1

Электродинамика – это теория, что рассматривает электромагнитные процессы в вакууме и различных средах.

Электродинамика охватывает совокупность процессов и явлений, в которых ключевую роль играют действия между заряженными частицами, что осуществляются посредством электромагнитного поля.

История развития электродинамики

История развития электродинамики – это история эволюции традиционных физических понятий. Еще до середины 18 столетия были установлены важные опытные результаты, что обусловлены электричеством:

отталкивание и притяжение;
деление вещество на изоляторы и проводники;
существование двух типов электричества.

Также достигнуты немалые результаты в изучении магнетизма. Применение электричества начиналось со второй половины 18 столетия. Возникновение гипотезы об электричестве как особенной материальной субстанции связано с именем Франклина (1706-1790 гг.) А в 1785 году Кулон установил закон взаимодействия точечных зарядов.

Вольт (1745-1827 гг.) изобрел множество электроизмерительных приборов. В 1820 году был установлен закон, что определял механическую силу, с которой магнитное поле воздействует на элемент электрического тока. Данное явление приобрело название закон Ампера. Также Ампер установил закон силового воздействия нескольких токов. В 1820 году Эрстед открыл магнитное действие электрического тока. В 1826 году установлен закон Ома.

В физике особое значение имеет гипотеза молекулярных токов, которая была предложена Ампером еще в 1820 году. Фарадей в 1831 году открыл закон электромагнитной индукции. Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879 гг.) в 1873 году изложил уравнения, которые позже стали теоретической базой электродинамики. Следствием уравнений Максвелла является предсказание электромагнитной природы света. Также он предсказал возможность существования электромагнитных волн.

Со временем в физической науке сложилось представление об электромагнитном поле как о независимой материальной сущности, которая является неким носителем электромагнитных взаимодействий в пространстве. Различные магнитные и электрические явления всегда пробуждали интерес людей.

Зачастую под термином «электродинамика» понимается традиционная электродинамика, которая описывает только непрерывные свойства электромагнитного поля.

Электромагнитное поле – это главный предмет изучения электродинамики, а также особый вид материи, который проявляется при взаимодействии с заряженными частицами.

Попов А.С. в 1895 году изобрел радио. Именно оно оказало ключевой воздействие на дальнейшее развитие техники и науки. При помощи уравнений Максвелла можно описать все электромагнитные явления. Уравнения устанавливают взаимосвязь величин, которые характеризуют магнитные и электрические поля, распределяя в пространстве токи и заряды.

Рисунок 1. Развитие учения об электричестве. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Становление и развитие традиционной электродинамики

Ключевым и наиболее значимым шагом в развитии электродинамики стало открытие Фарадея – явление электромагнитной индукции (возбуждение электродвижущей силы в проводниках при помощи переменного электромагнитного поля). Именно это стало основой электротехники.

Майкл Фарадей – это английский физик, который родился в семье кузнеца в Лондоне. Он окончил начальную школу и с 12 лет работал разносчиком газет. В 1804 году он стал учеником французского эмигранта Рибо, который поощрял стремление Фарадея к самообразованию. На лекциях он стремился пополнить свои знания по естественным наукам химии и физике. В 1813 году ему подарили билет на лекции Гемфри Дэви, которые сыграли решающую роль в его судьбе. С его помощью Фарадей получил место ассистента в Королевском институте.

Научная деятельность Фарадея проходила в Королевском институте, где он сначала помогал Дэви в его химических экспериментах, после чего начал проводить их самостоятельно. Фарадей получил бензол, осуществив снижение хлора и других газов. В 1821 году он обнаружил, как вращается магнит вокруг проводника с током, создав при этом первую модель электродвигателя.

На протяжении последующих 10 лет Фарадей занимается исследованием связей между магнитными и электрическими явлениями. Все его исследования были увенчаны открытием явления электромагнитной индукции, что свершилось в 1831 году. Он детально изучил это явление, а также сформировал его основной закон, в ходе которого выявил зависимость индукционного тока. Также Фарадей исследовал явления замыкания, размыкания и самоиндукции.

Открытие электромагнитной индукции произвело научное значение. Данное явление лежит в основе всех генераторов переменного и постоянного тока. Поскольку Фарадей постоянно стремился выявить природу электрического тока, это привело его к проведению экспериментов по прохождению тока через растворы солей, кислот и щелочей. В результате проведения этих исследований появился закон электролиза, который был открыт в 1833 году. В этом году он открывает вольтметр. В 1845 году Фарадей открыл явление поляризации света в магнитном поле. В этом году он также открыл диамагнетизм, а в 1847 году – парамагнетизм.

Замечание 1

На развитие всей физики ключевое влияние оказали идеи Фарадея о магнитном и электрическом полях. В 1832 году он высказал мысль о том, что распространение электромагнитных явлений – это волновой процесс, который происходит с конечной скоростью. В 1845 году Фарадей впервые употребляет термин «электромагнитное поле».

Открытия Фарадея получили широкую популярность во всем научном мире. В его честь Британское химическое общество учредило медаль Фарадея, которая стала почетной научной наградой.

Объясняя явления электромагнитной индукции и встретившись с затруднениями, Фарадей высказал предположение о реализации электромагнитных взаимодействий при помощи электрического и магнитного поля. Это все положило начало созданию концепции электромагнитного поля, что была оформлена Джеймсом Максвеллом.

Вклад Максвелла в развитие электродинамики

Джеймс Клерк Максвелл – это английский физик, который родился в Эдинбурге. Именно под его руководством создана Кавендишская лаборатория в Кембридже, которую он возглавлял всю свою жизнь.

Работы Максвелла посвящаются электродинамике, общей статистике, молекулярной физике, механике, оптике, а также теории упругости. Наиболее значимый вклад он сделал в электродинамику и молекулярную физику. Одним из основателей кинетической теории газов является Максвелл. Он установил функции распределения молекул по скоростям, что основаны на рассмотрении обратных и прямых столкновений максвелл развил теорию переноса в общем виде и применил ее к процессам диффузии, внутреннего трения, теплопроводности, а также ввел понятие релаксации.

В 1867 году он впервые показал статистическую природу термодинамики, а в 1878 году ввел понятие «статистическая механика». Наиболее значимым научным достижением Максвелла является созданная им теория электромагнитного поля. В своей теории он использует новое понятие «ток смещения » и дает определение электромагнитного поля.

Замечание 2

Максвелл предсказывает новый важный эффект: существование электромагнитного излучения и электромагнитных волн в свободном пространстве, а также распространение их со скоростью света. Также он сформулировал теорему в теории упругости, устанавливая соотношение между ключевыми теплофизическими параметрами. Максвелл развивает теорию цветного зрения, исследует устойчивость колец Сатурна. Он показывает, что кольца не являются жидкими или твердыми, они представляют собой рой метеоритов.

Максвелл был известным популяризатором физических знаний. Содержание его четырех уравнений электромагнитного поля сводятся к следующему:

Магнитное поле зарождается при помощи движущихся зарядов и переменного электрического поля.
Электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями зарождается при помощи переменного магнитного поля.
Линии магнитного поля всегда замкнуты. Данное поле не имеет магнитных зарядов, которые подобны электрическим.
Электрическое поле, которое имеет незамкнутые силовые линии, порождается электрическими зарядами, что являются источниками данного поля.

Конспект лекций

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве конспекта лекций

Рецензенты:

Доктор физико-математических наук, зав. кафедрой Т и ЭФ КГТУ, профессор А.А. Родионов

Кандидат физико-математических наук, зав. кафедрой
общей физики КГУ Ю.А. Неручев

Кандидат технических наук, зав. кафедрой физики КСХА
Д.И. Якиревич

Полунин В.М., Сычев Г.Т.

Физика. Электростатика. Постоянный электрический ток:Конспект лекций /Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2003. 196 с.

Конспект лекций составлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта-2000, Примерной программы дисциплины «Физика» (2000 г.) и рабочей программы по физике для студентов инженерно-технических специальностей КГТУ (2000 г.).

Изложение материала в данной работе предусматривает знание студентами физики и математики в объеме школьной программы, большое внимание уделено трудным для понимания вопросам, что облегчает студентам процесс подготовки к экзамену.

Конспект лекций по электростатике и постоянному электрическому току предназначен для студентов инженерно-технических специальностей всех форм обучения.

Ил. 96. Библиогр.: 11 назв.

Ó Курский государственный
технический университет, 2003

Ó Полунин В.М., Сычев Г.Т., 2003

Введение.. 7

Лекция 1. Электростатика в вакууме и веществе. Электрическое поле 12

1.1. Предмет классической электродинамики.. 12

1.2. Электрический заряд и его дискретность. Теория близкодействия. 13

1.3. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей.. 16

1.4. Поток вектора напряженности электростатического поля. 22

1.5. Теорема Остроградского-Гаусса для электрического поля в вакууме. 24

1.6. Работа электрического поля по перемещению электрического заряда. Циркуляция вектора напряженности электрического поля. 25

1.7. Энергия электрического заряда в электрическом поле. 26

1.8. Потенциал и разность потенциалов электрического поля. Связь напряженности электрического поля с его потенциалом.. 28

1.9. Эквипотенциальные поверхности.. 30

1.10. Основные уравнения электростатики в вакууме. 32

1.11. Некоторые примеры электрических полей, порождаемых простейшими системами электрических зарядов. 33

Лекция 2. Проводники в электрическом поле.. 42

2.1. Проводники и их классификация. 42

2.2. Электростатическое поле в полости идеального проводника и у его поверхности. Электростатическая защита. Распределение зарядов в объеме проводника и по его поверхности.. 43

2.3. Электроемкость уединенного проводника и ее физический смысл. 46

2.4. Конденсаторы и их емкость. 47

2.5. Соединения конденсаторов. 51

2.6. Классификация конденсаторов. 54

Лекция 3. Статическое электрическое поле в веществе.. 55

3.1. Диэлектрики. Полярные и неполярные молекулы. Диполь в однородном и неоднородном электрических полях. 55

3.2. Свободные и связанные (поляризационные) заряды в диэлектриках. Поляризация диэлектриков. Вектор поляризации (поляризованность) 58

3.3. Поле в диэлектриках. Электрическое смещение. Диэлектрическая восприимчивость вещества. Относительная диэлектрическая проницаемость среды. Теорема Остроградского-Гаусса для потока вектора индукции электрического поля. 61

3.4. Условия на границе раздела двух диэлектриков. 63

3.5. Электрострикция. Пьезоэлектрический эффект. Сегнетоэлектрики, их свойства и применение. Электрокалорический эффект. 65

3.6. Основные уравнения электростатики диэлектриков. 72

Лекция 4. Энергия электрического поля.. 75

4.1. Энергия взаимодействия электрических зарядов. 75

4.2. Энергия заряженных проводников, диполя во внешнем электрическом поле, диэлектрического тела во внешнем электрическом поле, заряженного конденсатора. 77

4.3. Энергия электрического поля. Объемная плотность энергии электрического поля 81

4.4. Силы, действующие на макроскопические заряженные тела, помещенные в электрическое поле. 82

Лекция 5. Постоянный электрический ток.. 84

5.1. Постоянный электрический ток. Основные действия и условия существования постоянного тока. 84

5.2. Основные характеристики постоянного электрического тока: величина /сила/ тока, плотность тока. Сторонние силы.. 85

5.3. Электродвижущая сила (ЭДС), напряжение и разность потенциалов. Их физический смысл. Связь между ЭДС, напряжением и разностью потенциалов. 90

Лекция 6. Классическая электронная теория проводимости металлов. Законы постоянного тока.. 92

6.1. Классическая электронная теория электропроводности металлов и ее опытные обоснования. Закон Ома в дифференциальной
и интегральной формах. 92

6.2. Электрическое сопротивление проводников. Изменение сопротивления проводников от температуры и давления. Сверхпроводимость. 98

6.3. Соединения сопротивлений: последовательное, параллельное, смешанное. Шунтирование электроизмерительных приборов. Добавочные сопротивления к электроизмерительным приборам.. 104

6.4. Правила (законы) Кирхгофа и их применение к расчету простейших электрических цепей 108

6.5. Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной и интегральной формах. 110

6.6. Энергия, выделяющаяся в цепи постоянного тока. Коэффициент полезного действия (КПД) источника постоянного тока. 112

Лекция 7. Электрический ток в вакууме, газах и жидкостях.. 115

7.1. Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. 115

7.2. Вторичная и автоэлектронная эмиссия. 122

7.3. Электрический ток в газе. Процессы ионизации и рекомбинации.. 124

7.4. Понятие о плазме. Плазменная частота. Дебаевская длина. Электропроводность плазмы 142

7.5. Электролиты. Электролиз. Законы электролиза. 149

7.6. Электрохимические потенциалы.. 151

7.7. Электрический ток через электролиты. Закон Ома для электролитов. 152

Лекция 8. Электроны в кристаллах.. 161

8.1. Квантовая теория электропроводности металлов. Уровень Ферми. Элементы зонной теории кристаллов. 161

8.2. Явление сверхпроводимости с точки зрения теории Ферми-Дирака. 170

8.3. Электропроводность полупроводников. Понятие о дырочной проводимости. Собственные и примесные полупроводники. Понятие о p-n – переходе. 171

8.4. Электромагнитные явления на границе раздела сред. 178

заключение.. 193

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 195

Настоящее пособие составлено по материалам, наработанным авторами в процессе чтения лекций по общей физике студентам инженерно-технических специальностей, с относительно малым объемом аудиторных занятий, на протяжении длительного промежутка времени.

Наличие у студентов инженерно-технических специальностей данного конспекта лекций позволит им и лектору более эффективно использовать лекционное время, уделить больше внимания трудным для понимания вопросам, облегчить студентам процесс подготовки к экзамену.

Особо нуждаются в таком пособии, на наш взгляд, студенты заочной, ускоренной и дистанционной форм обучения, которые, приступая к изучению физики, имеют недостаточные навыки адекватного восприятия физических понятий, определений и законов.

Изложение материала в данной работе предусматривает знание студентами физики и математики в объеме школьной программы, поэтому многие понятия в нем не раскрываются в подробностях, а используются как достаточно известные. Кроме того, в данной работе предполагается, что студенты уже изучили или изучают параллельно читаемому курсу соответствующий математический аппарат (дифференциальное и интегральное исчисление, анализ функций, дифференциальные уравнения, векторную алгебру, ряды).

Особенностью пособия является то, что материал представлен в нем в определенной, нетрадиционной последовательности, содержит необходимые рисунки и пояснения.

Несмотря на небольшой объем, предлагаемое пособие содержит изложение вопросов, знание которых необходимо для изучения дисциплин, фундаментом которых являются законы и основные положения физики.

Сокращение объема достигнуто главным образом за счет отказа от рассмотрения отдельных непринципиальных вопросов, а также за счет вынесения некоторых вопросов на их изучение в процессе практических и лабораторных занятий.

Достаточно подробно изложены такие вопросы как зонная теория металлов и полупроводников, ток в вакууме, газах и электролитах.

В основу изложения материала, за редким исключением, обусловленными методическими соображениями, положен эксперимент. Фундаментальные опыты, послужившие основой современного учения об электромагнетизме, описаны достаточно подробно.

Кроме того, уделено определенное внимание разъяснению принципов измерения основных электрических величин, которое, по возможности, следует непосредственно за введением соответствующих физических понятий. Однако описание различных опытов не претендует на полноту и, кроме того, касается лишь только принципов этих опытов, так как студенты слушают лекционный курс с демонстрациями и работают в физических лабораториях. По этой же причине большинство рисунков выполнено в виде простых схем и отражает только качественные для данного случая зависимости без указания единиц измерения и численных значений рассматриваемых величин, что способствует лучшему восприятию студентами изучаемого материала.

Так как в настоящее время имеются задачники, соответствующие университетскому курсу физики, то включение конкретных задач и упражнений по изучаемому разделу не предусмотрено. Поэтому в конспекте лекций приведены только сравнительно немногочисленные примеры, иллюстрирующие применение наиболее важных законов.

Изложение ведется в Международной системе единиц (СИ). Обозначения единиц измерения физических величин даны через основные и производные единицы системы, в соответствии с их определениями в системе СИ.

Пособие может быть использовано аспирантами и преподавателями, имеющими недостаточный опыт работы в вузе.

Авторы будут благодарны всем, кто внимательно просмотрит данное пособие и выскажет определенные замечания по существу. Кроме того, они постараются учесть все рациональные замечания со стороны коллег-физиков, аспирантов, студентов и внести соответствующие исправления и дополнения.

Введение

Настоящий конспект лекций посвящен одному из разделов общего курса физики, разделу "Электричество", который читается студентам тех специальностей и форм обучения, в учебных планах которых этот курс предусмотрен.

В нем акцентируется внимание на то, что электрическая энергия играет большую роль в технике по следующим причинам:

1. Чрезвычайная легкость, с которой электроэнергия преобразуется в другие виды энергии: механическую, тепловую, световую и химическую.

2. Возможность передачи электроэнергии на значительные расстояния.

3. Высокий КПД электромашин и электроаппаратов.

4. Чрезвычайно высокая чувствительность электроизмерительных и регистрирующих приборов и развитие электрических методов измерения различных неэлектрических величин.

5. Исключительные возможности, предоставляемые электрическими приборами и устройствами для автоматики, телемеханики и контроля производства.

6. Развитие электрических, электротермических, электрохимических, электромеханических и электромагнитных методов обработки материалов.

Учение об электричестве имеет свою историю, органически связанную с историей развития производительных сил общества и других областей естествознания. В истории учения об электричестве можно выделить три этапа:

1. Период накопления опытных фактов и установления основных понятий и законов.

2. Период формирования учения об электромагнитном поле.

3. Период формирования атомистической теории электричества.

Истоки представлений об электричестве уходят в Древнюю Грецию. Притяжение легких тел натертым янтарем и другими предметами было известно людям давно. Однако электрические силы были совершенно неясны, возможность их практического применения не чувствовалась, поэтому не было стимула к систематическим исследованиям в этой области.

Только открытия первой половины XYIII в. заставляют резко изменить отношение к электрическим явлениям. Несомненно, этому способствовало изобретение электрической машины (вторая половина XYII в.), на базе которой значительно расширились возможности экспериментирования.

К середине XYIII в. интерес к электричеству возрастает, в исследования включаются естествоиспытатели многих стран. Наблюдение сильных электрических разрядов не могло не навести на аналогию электрической искры и молнии. Электрическая природа молнии была доказана непосредственными опытами В. Франклина, М.В. Ломоносова, Г.В. Рихмана (1752 – 1753). Изобретение громоотвода было первым практическим применением учения об электричестве. Это способствовало развитию общего интереса к электричеству, привлечению в эту область новых исследователей.

Английский естествоиспытатель Р. Симмер (1759) выдвинул плодотворную гипотезу о природе электричества. Развивая идеи Дюфе, Симмер сделал заключение, что тела в обычных состояниях содержат два рода электричества в равных количествах, нейтрализующих действие друг друга. Электризация вызывает избыток в теле одного электричества над другим. Прекрасным подтверждением этой гипотезы было открытие русским академиком Ф. Эпинусом электростатической индукции (1759).

Установленный Ломоносовым закон сохранения энергии и материи был величайшим достижением в физике XYIII в. Содержание открытого Ломоносовым закона сохранения раскрывалось постепенно и сыграло большую роль в развитии учения об электричестве. Так, открытый позднее закон сохранения электрических зарядов является частным проявлением всеобщего закона сохранения материи и движения.

До середины XYIII в. эксперименты по электричеству продолжали быть чисто качественными. Первый шаг на пути к количественному эксперименту был сделан Рихманом, который предложил первый прибор для измерений, названный электрометром (1745). Важнейшим этапом в развитии экспериментальной техники было изобретение в 1784 г. Ш. Кулоном очень чувствительных крутильных весов, сыгравших важную роль в изучении сил различной природы. Этот прибор позволил Кулону установить закон взаимодействия магнитов и электрических зарядов (1785). Законы Кулона послужили основой для развития математической теории электростатики и магнитостатики.

Далее, благодаря опытам Л. Гальвани (1789) и А. Вольта (1792) были открыты контактные электрические явления, что, в свою очередь, привело к изобретению гальванических элементов и к обнаружению электрического тока (1800).

Английские исследователи А. Карлейль и В. Никольсон обнаружили, что гальванический ток, проходя через воду, разлагает ее на водород и кислород. Между физикой и химией установилась взаимообогащающая связь. Электричество приобретает громадное практическое значение, что стимулирует дальнейшее развитие этой отрасли науки.

Улучшение конструкции вольтова столба приводит к открытию новых действий электрического тока. В 1802 г. В.В. Петров с помощью мощного вольтова столба получает электрическую дугу. Дуга Петрова дала начало ряду новых применений тепловых действий тока.

Открытием действия тока на магнитную стрелку Х. Эрстед (1820) положил начало новой главе в теории электричества – учению о магнитных свойствах тока, позволившему включить магнетизм в единую теорию электромагнитных явлений.

Изучение электрического тока продолжало идти в нарастающем темпе. Было установлено, что магнитное действие тока усиливается, если проводник свертывается в спираль. Это открыло возможность конструирования электромагнитных измерителей тока.

В 1820 г. А. Ампер установил закон, по которому определялась сила взаимодействия двух элементарных токов. Опираясь на этот опытный факт, А. Ампер делает предположение об электрической природе магнетизма. Он предполагает, что "электрические токи… существуют вокруг частичек в железе, никеле и кобальте уже до намагничивания. Будучи, однако, направлены во всевозможные стороны, они не могут вызвать никакого результирующего внешнего действия, так как одни из них стремятся притянуть то, что другие отталкивают…". Так появилась в физике гипотеза молекулярных токов, глубина которой вскрылась только в XX в.

В дальнейших исследованиях по электричеству эффективным орудием стал закон, установленный в 1827 г. немецким физиком Г. Омом и получивший название закона Ома.

В этот период началась научная деятельность М. Фарадея. Особенно большое значение в истории физики имеют два открытия Фарадея: явление электромагнитной индукции (1831) и законы электролиза (1834). Фарадей этими открытиями дал теоретическую основу многим техническим применениям электричества. Исследования Э.Х. Ленца по электромагнитной индукции (правило Ленца) и установление закона для теплового действия тока (закон Джоуля-Ленца) способствовали дальнейшему практическому применению электричества.

Экспериментально было установлено, что электрические силы действую через среду, заполняющую пространство между взаимодействующими телами. Исследуя взаимодействие заряженных тел, Фарадей ввел понятие об электрических силовых линиях и дал идею о магнитных и электрических полях – пространствах, где обнаруживается действие электрических сил. Фарадей полагал, что электрические и магнитные поля представляют деформированные состояния некоторой всепроникающей невесомой среды – эфира.

Согласно Фарадею, не электрический заряд действует на окружающие тела, а связанные с зарядом силовые линии. Этим самым Фарадей выдвигал идею теории близкодействия, согласно которой действие одних тел на другие передаются через окружающую среду с определенной скоростью.

В 60-х годах XIX века Д. Максвелл обобщил учение Фарадея об электрических и магнитных полях и создал единую теорию электромагнитного поля. Основное содержания этой теории заключено в уравнениях Максвелла, которые в электромагнетизме играют такую же роль как законы Ньтона в механике.

Следует отметить большое значение работ ряда русских физиков конца XIX в. по экспериментальному подтверждению теории Максвелла. Среди такого рода исследований особо важное имели значение опыты П.Н. Лебедева по обнаружению и измерению давления света (1901).

Почти до конца XIX в. электричество представляли как невесомую жидкость. Вопрос о том, является ли электричество дискретным или сплошным, требовал анализа опытного материала и постановки новых экспериментов. Идею дискретности электричества можно усмотреть в открытых Фарадеем законах электролиза. Основываясь на этих законах, немецкий физик Г. Гельмгольц (1881) высказал предположение о существовании наименьших порций электрического заряда. С этого времени начинается развитие электронной теории, которая объяснила такие явления, как термоэлектронная эмиссия, возникновение катодных лучей. Заслуга создания электронной теории принадлежит, в основном, голландскому физику Г.А. Лоренцу, который в труде "Теория электронов" (1909) органически связал максвелловскую теорию электромагнитного поля с электрическими свойствами вещества, рассматриваемого как совокупность элементарных электрических зарядов.

На базе электронных представлений в первой четверти XX в. была развита теория диэлектриков и магнетиков. В настоящее время развивается теория полупроводников. Исследование электрических явлений привело к современной теории строения вещества. Успехи физики в этом направлении завершились открытием способов освобождения ядерной энергии, что качественным образом подняло науку и технику человечества на новую ступень развития.

Надо особо отметить, что во многих технических применениях электричества, в учении об электричестве и магнетизме первенство принадлежит русским деятелям науки и техники. Так, например, русскими учеными и инженерами были изобретены и использованы для практики гальванопластика и гальваностегия, электросварка, электрическое освещение, электродвигатели, радио. Ими разработаны многие вопросы, представляющие не только большой теоретический интерес, но и имеющие огромное практическое значение. Сюда относятся вопросы физики диэлектриков, полупроводников, магнетиков, физики газового разряда, термоэлектронной эмиссии, фотоэффекта, электромагнитных колебаний и радиоволн и т. д. В последнее время разрабатываются проблемы непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, создания магнитогидродинамических источников электроэнергии, "топливных элементов". Ученые России играют ведущую роль в исследованиях, направленных на решение важнейшей научно-технической проблемы современности – проблемы создания управляемых термоядерных реакций путем использования магнитных и электромагнитных полей для термоизоляции и нагревания сильно ионизованного газа – плазмы.

За большой вклад в развитии мировой науки российским ученым – физикам И.Е. Тамму, И.М. Франку и П.А. Черенкову (1958), Л.Д. Ландау (1962), Н.Г. Басову и А.М. Прохорову (1964), П.Л. Капице (1978), Ж. И. Алферову (2000 г.), В.Л. Гинзбургу и А.А. Абрикосову (2003) присуждены Нобилиевские премии.

Лекция 1. Электростатика в вакууме
и веществе. Электрическое поле

Предмет классической электродинамики. Электрический заряд и его дискретность. Теория близкодействия. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей. Электрическое поле диполя. Поток вектора напряженности электростатического поля. Теорема Остроградского-Гаусса для электрического поля в вакууме. Работа электрического поля по перемещению электрического заряда. Циркуляция вектора напряженности электрического поля. Энергия электрического заряда в электрическом поле. Потенциал и разность потенциалов электрического поля. Напряженность электрического поля как градиент его потенциала. Эквипотенциальные поверхности. Основные уравнения электростатики в вакууме. Некоторые примеры электрических полей, порождаемых простейшими системами электрических зарядов.

Предмет классической электродинамики

Классическая электродинамика – это теория, объясняющая поведение электромагнитного поля, осуществляющего электромагнитное взаимодействие между электрическими зарядами.

Законы классической макроскопической электродинамики сформулированы в уравнениях Максвелла, которые позволяют определять значения характеристик электромагнитного поля - напряженности электрического поля Е и магнитной индукции В - в вакууме и в макроскопических телах в зависимости от распределения в пространстве электрических зарядов и токов.

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов описывается уравнениями электростатики, которые можно получить как следствие уравнений Максвелла.

Микроскопическое электромагнитное поле, создаваемое отдельными заряженными частицами, в классической электродинамике определяется уравнениями Лоренца-Максвелла, которые лежат в основе классической статистической теории электромагнитных процессов в макроскопических телах. Усреднение этих уравнений приводит к уравнениям Максвелла.

Среди всех известных видов взаимодействия электромагнитное взаимодействие занимает первое место по широте и разнообразию проявлений. Это связано с тем, что все тела построены из электрически заряженных (положительных и отрицательных) частиц, электромагнитное взаимодействие между которыми, с одной стороны, на много порядков интенсивнее гравитационного и слабого, а с другой – является дальнодействующим в отличие от сильного взаимодействия.

Электромагнитным взаимодействием определяется строение атомных оболочек, сцепление атомов в молекулы (силы химической связи) и образование конденсированного вещества (межатомное взаимодействие, межмолекулярное взаимодействие).

Законы классической электродинамики неприменимы при больших частотах и, соответственно, малых длинах электромагнитных волн, т.е. для процессов, протекающих на малых пространственно-временных интервалах. В этом случае справедливы законы квантовой электродинамики.

1.2. Электрический заряд и его дискретность.
Теория близкодействия

Развитие физики показало, что физические и химические свойства вещества во многом определяются силами взаимодействия, обусловленными наличием и взаимодействием электрических зарядов молекул и атомов различных веществ.

Известно, что в природе существуют два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные. Они могут существовать в виде элементарных частиц: электронов, протонов, позитронов, положительных и отрицательных ионов и др., а также "свободного электричества", но только в виде электронов. Поэтому положительно заряженное тело представляет собой совокупность электрических зарядов с недостатком электронов, а отрицательно заряженное тело – с их избытком. Заряды различных знаков компенсируют друг друга, следовательно, в незаряженных телах всегда имеются заряды обеих знаков в таких количествах, что их суммарное действие скомпенсировано.

Процесс перераспределения положительных и отрицательных зарядов незаряженных тел, или среди отдельных частей одного и того же тела, под влиянием различных факторов называется электризацией .

Так как при электризации происходит перераспределение свободных электронов, то электризуются, например, оба взаимодействующих тела, причем одно из них положительно, а другое – отрицательно. Количество же зарядов (положительных и отрицательных) при этом остается неизменным.

Отсюда следует вывод, что заряды не создаются и не исчезают, а лишь перераспределяются между взаимодействующими телами и частями одного и того же тела, в количественном отношении оставаясь неизменными.

В этом заключается смысл закона сохранения электрических зарядов, который математически можно записать так:

т.е. в электрически изолированной системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается величиной постоянной.

Под электрически изолированной системой понимают такую систему, через границы которой не могут проникать никакие другие электрические заряды.

Надо иметь в виду, что полный электрический заряд изолированной системы является релятивистки инвариантным, т.к. наблюдатели, находящиеся в любой заданной инерциальной системе координат, измеряя заряд, получают одно и то же значение.

Ряд экспериментов, в частности законы электролиза, опыт Милликена с каплей масла, показали, что в природе электрические заряды дискретны заряду электрона. Любой заряд кратен целому числу заряда электрона.

В процессе электризации заряд изменяется дискретно (квантуется) на величину заряда электрона. Квантование заряда является универсальным законом природы.

В электростатике изучаются свойства и взаимодействия зарядов, неподвижных в той системе отсчета, в которой они находятся.

Наличие у тел электрического заряда вызывает взаимодействие их с другими заряженными телами. При этом тела, заряженные одноименно, отталкиваются, а заряженные разноименно – притягиваются.

Под взаимодействием в физике понимают всякое воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения или к изменению их положения в пространстве. Существуют различные виды взаимодействий.

В механике Ньютона взаимное действие тел друг на друга количественно характеризуется силой. Более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия.

Первоначально в физике утвердилось представление о том, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействия. Передача взаимодействия происходит мгновенно. Так, считалось, что перемещение Земли должно сразу же приводить к изменению силы тяготения, действующей на Луну. В этом состоял смысл так называемой теории взаимодействия, получившей название теория дальнодействия. Однако эти представления были оставлены как не соответствующие действительности после открытия и исследования электромагнитного поля.

Было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно и перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а лишь спустя конечное время.

Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие частицы, т.е. взаимодействие передается через "посредника" – электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости распространения света в вакууме. Возникла новая теория взаимодействия теория близкодействия.

Согласно данной теории, взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение посредством гравитационного поля), непрерывно распределенных в пространстве.

После появления квантовой теории поля представление о взаимодействиях существенно изменилось.

Согласно квантовой теории, любое поле является не непрерывным, а имеет дискретную структуру.

Вследствие корпускулярно-волнового дуализма, каждому полю соответствуют определенные частицы. Заряженные частицы непрерывно испускают и поглощают фотоны, которые и образуют окружающее их электромагнитное поле. Электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами (квантами) электромагнитного поля, т.е. фотоны являются переносчиками такого взаимодействия. Аналогично другие виды взаимодействий возникают в результате обмена частиц квантами соответствующих полей.

Несмотря на многообразие воздействий тел друг на друга (зависящих от взаимодействия слагающих их элементарных частиц), в природе, по современным данным, имеется лишь четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное (в порядке возрастания интенсивности взаимодействия). Интенсивности взаимодействий определяются константами связи (в частности, электрический заряд для электромагнитного взаимодействия является константой связи).

Современная квантовая теория электромагнитного взаимодействия превосходно описывает все известные электромагнитные явления.

В 60 – 70-х годах века в основном построена единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий (так называемое электрослабое взаимодействие) лептонов и кварков.

Современной теорией сильного взаимодействия является квантовая хромодинамика.

Делаются попытки объединения электрослабого и сильного взаимодействий в так называемое "Великое объединение", а также включения их в единую схему гравитационного взаимодействия.

Лекция 1

Предмет классической электродинамики. Электрическое поле. Напряженность электрического поля.

Предмет электродинамики. Электродинамика - раздел физики, изучающий взаимодействие электрически заряженных частиц и особый вид материи, порождаемый этими частицами – электромагнитное поле .

1. ЭЛЕКТРОСТАТИКА

Электростатика – раздел электродинамики, изучающий взаимодействие неподвижных заряженных тел . Электрическое поле, осуществляющее это взаимодействие, называется электростатическим .

1.1. Электрические заряды.

Способы получения зарядов. Закон сохранения электрического заряда.

В природе имеется два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными. Исторически положительными принято называть заряды, подобные тем, которые возникают при натирании стекла о шелк; отрицательными – заряды, подобные тем, которые возникают при натирании янтаря о мех. Заряды одного знака отталкиваются друг от друга, заряды разных знаков – притягиваются (рис.1.1).

По своей сути электрические заряды атомистичны (дискретны). Это означает, что в природе существует мельчайший, далее не делимый заряд, получивший название элементарного. Величина элементарного заряда по абсолютной величине в СИ:

Электрические заряды присущи многим элементарным частицам, в частности, электронам и протонам, входящим в состав различных атомов, из которых построены все тела в природе. Следует, однако, отметить, что согласно современным представлениям сильновзаимодействующие частицы – адроны (мезоны и барионы) – построены из так называемых кварков – особых частиц, несущих дробный заряд. В настоящее время известно шесть видов кварков - u, d, s, t, b и c – по первым буквам слов: up -верхний, down -нижний, side-way -боковой (или strange -странный), top -вершинный, bottom - крайний и charm -очарованный. Эти кварки разбиваются на пары: (u,d), (c,s), (t,b). Кварки u, c, t имеют заряд +2/3, а заряд кварков d, s, b равен – 1/3. Каждому кварку соответствует свой антикварк . Кроме того, каждый из кварков может находиться в одном из трех цветных состояний (красном, желтом и синем). Мезоны состоят из двух кварков, барионы – из трех. В свободном состоянии кварки не наблюдаются . Это позволяет считать, что элементарным зарядом в природе является все же целочисленный заряд е , а не дробный заряд кварков. Заряд макроскопических тел образуется совокупностью элементарных зарядов и является, таким образом, целым кратным е .

Для проведения опытов с электрическими зарядами используют различные способы их получения. Самый простой и самый древний способ – натирание одних тел другими. При этом само по себе трение здесь не играет принципиальной роли. Электрические заряды всегда возникают при плотном контакте поверхностей соприкасающихся тел. Трение (притирание) помогает лишь устранить неровности на поверхности соприкасающихся тел, мешающих их плотному прилеганию друг к другу, при котором создаются благоприятные условия для перехода зарядов от одного тела к другому. Этот способ получения электрических зарядов лежит в основе действия некоторых электрических машин, например, электростатического генератора Ван де Графа (Van de Graaff R., 1901-1967), применяемого в физике высоких энергий.

Другой способ получения электрических зарядов основан на использовании явления электростатической индукции . Суть его иллюстрируется рис.1.2. Поднесем к разделенному на две половины незаряженному металлическому телу (не касаясь его) другое тело, заряженное, скажем, положительно. Благодаря смещению некоторой доли имеющихся в металле свободных отрицательно заряженных электронов, левая половина исходного тела приобретет избыточный отрицательный заряд, а правая - такой же по величине, но противоположный по знаку положительный заряд. Если теперь в присутствии внешнего заряженного тела развести обе половины в разные стороны и удалить заряженное тело, то каждая из них окажется заряженной . В результате мы получим два новых тела, заряженных равными по величине и противоположными по знаку зарядами.

В нашем конкретном случае полный заряд исходного тела до и после опыта не изменился – остался равным нулю:

q = q - + q + = 0

1.2. Взаимодействие электрических зарядов.

Закон Кулона. Применение закона Кулона для расчета сил взаимодействия протяженных заряженных тел.

Закон взаимодействия электрических зарядов был установлен в 1785 г. Шарлем Кулоном (CoulombSh., 1736-1806). Кулон измерял силу взаимодействия двух небольших заряженных шариков в зависимости от величины зарядов и расстояния между ними с помощью специально сконструированных им крутильных весов (рис.1.3). В результате своих опытов Кулон установил, что сила взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна величине каждого из зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, при этом направление действия силы совпадает с прямой, проходящей через оба заряда :

Другими словами, можем написать:

Коэффициент пропорциональности k зависит от выбора единиц измерения входящих в эту формулу величин:

В общепринятой сейчас Международной системе единиц измерения (СИ) закон Кулона записывается, следовательно, в виде:

Необходимо еще раз подчеркнуть, что в таком виде закон Кулона формулируется только для точечных зарядов, то есть таких заряженных тел, размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием между ними. Если это условие не выполняется, то закон Кулона должен быть записан в дифференциальной форме для каждой пары элементарных зарядов dq1 и dq2, на которые «разбиваются» заряженные тела:

Тогда полная сила взаимодействия двух макроскопических заряженных тел будет представлена в виде:

Интегрирование в этой формуле производится по всем зарядам каждого тела.
Пример. Найти силу F, действующую на точечный заряд Q со стороны бесконечно протяженной прямолинейной заряженной нити (рис.1.4). Расстояние от заряда до нити a, линейная плотность заряда нити τ.

Искомая сила F = Fx= Qτ/(2πε0a).

1.3. Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей.
Взаимодействие электрических зарядов осуществляется через особый вид материи, порождаемой заряженными частицами - электрическое поле. Электрические заряды изменяют свойства окружающего их пространства. Проявляется это в том, что на помещенный вблизи заряженного тела другой заряд (назовем его пробным) действует сила (рис.1.5). По величине этой силы можно судить об «интенсивности» поля, созданного зарядом q. Для того, чтобы сила, действующая на пробный заряд, характеризовала электрическое поле именно в данной точке пространства, пробный заряд, очевидно, должен быть точечным.

Рис.1.5. К определению напряженности электрического поля.
Поместив пробный заряд qпр на некотором расстоянии r от заряда q (рис.1.5), мы обнаружим, что на него действует сила, величина которой

зависит от величины взятого пробного заряда qпр. Легко, однако, видеть, что для всех пробных зарядов отношение F/ qпр будет одно и тоже и зависит лишь от величин q и r , определяющих поле заряда q в данной точке r. Естественно, поэтому, принять это отношение за величину, характеризующую «интенсивность» или, как говорят, напряженность электрического поля (в данном случае поля точечного заряда):
.
Таким образом, напряженность электрического поля является его силовой характеристикой. Численно она равна силе, действующий на пробный заряд qпр = +1, помещенный в данное поле.
Напряженность поля – вектор. Его направление совпадает с направлением вектора силы, действующей на точечный заряд, помещенный в это поле. Следовательно, если в электрическое поле напряженностью поместить точечный заряд q, то на него будет действовать сила:

Размерность напряженности электрического поля в СИ: .
Электрическое поле удобно изображать с помощью силовых линий. Силовая линия – линия, вектор касательной к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряженности электрического поля в этой точке. Принято считать, что силовые линии начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных (или уходят на бесконечность) и нигде не прерываются. Примеры силовых линий некоторых электрических полей приведены на рис.1.6.
Рис.1.6. Примеры изображения электрических полей с помощью силовых линий: точечного заряда (положительного и отрицательного), диполя, однородного электрического поля.
Электрическое поле подчиняется принципу суперпозиции (сложения), который можно сформулировать следующим образом: напряженность электрического поля, созданного в некоторой точке пространства системой зарядов, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, созданных в этой же точке пространства каждым из зарядов в отдельности:

Пример. Найти напряженность электрического поля Е диполя (системы двух жестко связанных точечных зарядов противоположного знака) в точке, находящейся на расстоянии r1 от заряда - q и на расстоянии r2 от заряда +q (рис.1.7). Расстояние между зарядами (плечо диполя) равно l.

Рис.1.7. К расчету напряженности электрического поля системы двух точечных зарядов.

Предмет классической электродинамики

Законы классической макроскопической электродинамики сформулированы в уравнениях Максвелла, которые позволяют определять значения характеристик электромагнитного поля: напряженности электрического поля Е и магнитной индукции В в вакууме и в макроскопических телах в зависимости от распределения в пространстве электрических зарядов и токов.