4.4. Электромагнитная концепция

Еще в глубокой древности было известно, что янтарь, потертый о шерсть притягивает легкие предметы. Тела, способные после натирания притягивать легкие предметы называют наэлектризованными. Мы говорим, что тела при этом приобретают электрические заряды. Несмотря на огромное разнообразие веществ, в природе существуют, только два вида электрических зарядов: заряды, подобные возникающим на стекле, потертом о кожу (их назвали положительными), и заряды, подобные возникающим на эбоните, потертом о мех (их назвали отрицательными); одноименные заряды друг от друга отталкиваются, разноименные -притягиваются. Опытным путем американский физик Р. Милликен показал, что электрический заряд дискретен, т.е. заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда .

Наименьшей по массе покоя устойчивой частицей, имеющей отрицательный элементарный заряд, является электрон. Кроме того, существует устойчивая частица с положительным элементарным зарядом – протон. Электроны и протоны входят в состав всех химических элементов.

Из обобщения опытных данных был установлен фундаментальный закон природы – закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих изолированную систему, не изменяется при любых обстоятельствах, происходящих в этой системе.

Закон взаимодействия неподвижных точечных зарядов экспериментально установлен Ш. Кулоном с помощью крутильных весов.

Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстояниями до других заряженных тел, с которыми он взаимодействует.

Закон Кулона: сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядами, и обратно пропорциональна квадрату расстояниямежду ними:, где-коэффициент пропорциональности , зависящая от выбора системы единиц. Силанаправлена по прямой, соединяющей взаимодействующие заряды и соответствует притяжению в случае разноименных зарядов и отталкиванию в случае одноименных.

Если в пространство, окружающее электрический заряд, внести другой заряд, то на него будет действовать кулоновская сила, следовательно, в пространстве, окружающем электрические заряды, существует силовое поле – электрическое поле (одна из форм существования материи, посредством которого осуществляется взаимодействия между заряженными телами). В электростатике – в разделе электромагнетизма, изучающей взаимодействия между неподвижными электрическими зарядами (заряженными телами) говорят об электростатических полях – полях, которые создаются неподвижными электрическими зарядами. Для характеристики электростатических полей вводят физические величины: напряженность (силовой характеристикой поля) и потенциал (энергетической характеристикой поля).

Для обнаружения и опытного исследования электростатического поля используется пробный точечный положительный заряд – такой заряд, который не искажает исследуемое поле (не вызывает перераспределение зарядов вызывающих поле).

Напряженность электростатического поля в данной точке есть физическая величина, определяемая силой, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля:, где-кулоновская сила, действующая на пробный положительный зарядв данной точке поля.

Потенциал в какой либо точке электростатического поля есть физическая величина, определяемая потенциальной энергией единичного положительного заряда, помещенного в данную точку:, где- потенциальная энергия пробного положительного зарядав данной точке поля.

Разностью потенциалов (напряжением) между точками 1 и 2– называется работа совершаемая силами поля при перемещении единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2:, где-пробный положительный точечный заряд.,

Принцип суперпозиции:

1) напряженность результирующего поля, создаваемого системой зарядов, равна геометрической сумме напряженностей полей, создаваемых в данной точке каждым из зарядов в отдельности.

2) потенциал поля системы зарядов равен алгебраической сумме потенциалов полей всех этих зарядов.

Для графического изображения электростатических полей применяются силовые линии (линии напряженности) и эквипотенциальные поверхности.

Силовыми линиями (линиями напряженности) называются линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности поля , им приписывается направление, совпадающее с направлением вектора напряженности. Силовые линии электростатического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.

Эквипотенциальными поверхностями называют поверхности, во всех точках которых потенциал имеет одно и то же значение. Их проводят так, чтобы, разности потенциалов между соседними эквипотенциальными поверхностями были одинаковы.

В точках пересечения силовых линий и эквипотенциальных поверхностей линии напряженности перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на диэлектрики, проводники и полупроводники.

Проводниками называются тела, в котором концентрация свободных зарядов велика и электрические заряды могут свободно перемещаться по всему объему тела. В металлах свободными зарядами являются электроны, в электролитах – положительные и отрицательные ионы, в газах- электроны и ионы и.т.д.

Металлических проводники представляют собой кристаллическую решетку в узлах которой находятся положительные ионы, при этом валентные электроны обобществлены и образуется своеобразный электронный газ. В отсутствии внешнего электростатического поля электрические поля электронов проводимости и положительных ионов взаимно компенсируют друг друга. Если металлическому проводнику сообщить отрицательный заряд (избыток электронов), то благодаря взаимному отталкиванию элементов этого заряда (электронов) они сосредоточатся на его поверхности, при этом наступит электростатическое равновесие при котором поле внутри проводника станет равным нулю. Если металлический проводник поместить в электростатическое поле, то внутри него возникает перераспределение электронов проводимости зарядов до тех пор, пока результирующее поле внутри проводника не станет равным нулю. Мы, для примера, рассмотрели металлические проводники, но эти же выводы справедливы для любых проводников.