9. Взаимодействие тел на расстоянии. Гравитационное поле.

Взаимодействие тел на расстоянии описывается законами Ньютона.

I закон, или закон инерции. (Фактически, это закон, открытый еще Галилеем, но сформулированный более строго):

всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил.

II закон. Этот закон по праву является ядром механики. Он связывает изменение импульса тела (количества движения)с действующей на него силой , т.е. изменение импульса тела в единицу времени равно действующей на него силе и происходит в направлении ее действия. Так как в механике Ньютона масса не зависит от скорости (в современной физике, как мы впоследствии увидим, это не так), то

, где а – ускорение противодействия равны по величине и противоположны по направлению. Масса в этом выражении предстает как мера инертности. Нетрудно увидеть, что при постоянной силе воздействия ускорение, которое можно придать телу тем меньше, чем больше его масса.

III закон отражает тот факт, что действие тел всегда носит характер взаимодействия, и что силы действия и противодействия равны по величине и противоположны по направлению.

IV закон, сформулированный Ньютоном – это закон всемирного тяготения.

10. Взаимодействие заряженных тел и электрическое поле.

Электрическое поле - форма материи, посредством которой осуществляется электрическое взаимодействие заряженных тел, оно окружает любое заряженное тело и проявляет себя по действию на заряженное тело.

Главное свойство электрического поля заключается в его способности действовать на электрические заряды с некоторой силой. Силу, с которой электрическое поле действует на внесенный в него электрический заряд, называют электрической силой.

Нетрудно показать, что направление сил, действующих в электрическом поле, зависит от знака заряда тела, вокруг которого существует поле, их значение - от расстояния рассматриваемой точки до заряженного тела.

Электродина́мика — раздел физики, изучающий электромагнитное поле в наиболее общем случае (то есть, рассматриваются переменные поля, зависящие от времени) и его взаимодействие с телами, имеющими электрический заряд (электромагнитное взаимодействие). Предмет электродинамики включает связь электрических и магнитных явлений, электромагнитное излучение (в разных условиях, как свободное, так и в разнообразных случаях взаимодействии с веществом), электрический ток (вообще говоря, переменный) и его взаимодействие с электромагнитным полем (электрический ток может быть рассмотрен при этом как совокупность движущихся заряженных частиц). Любое электрическое и магнитное взаимодействие между заряженными телами рассматривается в современной физике как осуществляющееся через посредство электромагнитного поля, и, следовательно, также является предметом электродинамики.

Чаще всего под термином электродинамика по умолчанию понимается классическая (не затрагивающая квантовых эффектов) электродинамика; для обозначения современной квантовой теории электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами обычно используется устойчивый термин квантовая электродинамика.Содержание [убрать]

Основные понятия

Основные понятия, которыми оперирует электродинамика, включают в себя:

Электромагнитное поле — это основной предмет изучения электродинамики, вид материи, проявляющийся при взаимодействии с заряженными телами. Исторически разделяется на два поля:

Электрическое поле — создаётся любым заряженным телом или переменным магнитным полем, оказывает воздействие на любое заряженное тело.

Магнитное поле — создаётся движущимися заряженными телами, заряженными телами, имеющими спин, и переменными электрическими полями, оказывает воздействие на движущиеся заряды и заряженные тела, имеющие спин.

Электрический заряд — это свойство тел, позволяющее им взаимодействовать с электромагнитными полями: создавать эти поля, будучи их источниками, и подвергаться (силовому) действию этих полей.

Частными уравнениями, имеющими особое значение являются:

Закон Кулона — в электростатике — закон, определяющий электрическое поле (напряженность и/или потенциал) точечного заряда; также законом Кулона называется и сходная формула, определяющая электростатическое взаимодействие (силу или потенциальную энергию) двух точечных зарядов.

Основным содержанием классической электродинамики является описание свойств электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными телами (заряженные тела «порождают» электромагнитное поле, являются его «источниками», а электромагнитное поле в свою очередь действует на заряженные тела, создавая электромагнитные силы).

Закон Кулона количественно описывает взаимодействие заряженных тел.

Он является фундаментальным законом, то есть установлен при помощи эксперимента и не следует ни из какого другого закона природы. Он сформулирован для неподвижных точечных зарядов в вакууме. В реальности точечных зарядов не существует, но такими можно считать заряды, размеры которых значительно меньше расстояния между ними. Сила взаимодействия в воздухе почти не отличается от силы взаимодействия в вакууме (она слабее менее чем на одну тысячную).

Шарль Огюстен Кулон использовал для определения силы взаимодействия зарядов крутильные весы, которые состоят из палочки, подвешенной на проволочке. На одном конце палочки был закреплён бузиновый шарик, на другом - противовес; ещё один такой же бузиновый шарик был закреплён на крышке весов. Его достали, зарядили, привели в соприкосновение с первым шариком, врезультате чего оба шарика приобрели заряд одного знака и стали отталкиваться, при этом проволока весов закрутилась на угол α1. После этого шарики сблизили до угла α2= α1/2, при этом верхний конец нити пришлось повернуть на 7/2α1, то есть общий угол закручивания нити составил 4α1. Так как сила, упругости при деформации кручения прямо пропорциональна углу закручивания, то она увеличилась в 4 раза, следовательно, увеличилась в 4 раза и сила отталкивания. Углы закручивания были малыми, поэтому расстояние между шариками уменьшилось во столько же раз, во сколько и угол, то есть в 2 раза. Отсюда следует, что сила взаимодействия зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. После этого одного из шариков касались таким же незаряженным, заряд уменьшался в 2 раза, во столько же раз уменьшалась и сила взаимодействия, следовательно, она прямо пропорциональна произведению зарядов. Обобщив эти выводы, в 1785 году Кулон установил

Закон Кулона: сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

|q1||q2|

F=k —————.

r2

Закон Кулона по форме похож на закон всемирного тяготения. Сила взаимодействия двух тел, обладающих массой, пропорциональна произведению их масс, а сила взаимодействия тел, обладающих зарядом пропорциональна произведению их зарядов. Сила обоих взаимодействий обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами. Но гравитационные силы - всегда силы притяжения, массы всегда положительны, а кулоновские силы могут быть и силами притяжения и силами отталкивания, так как существуют заряды двух видов: положительные и отрицательные - причём заряды одинакового знака отталкиваются.

Вычисления при помощи закона Кулона требуют определения единицы заряда. Но создать эталон заряда невозможно, так как утечка заряда с тела неизбежна. Наиболее разумно было бы принять за единицу измерения заряд электрона, что и сделано в атомной физике, но во времена появления электростатики об элементарных частицах ещё не знали.

Можно установить единицу измерения заряда через закон Кулона, это рационально сделать так, чтобы коэффициент k был равен единице. Именно так определяется единица заряда в абсолютной (гауссовой) системе единиц. Точечный заряд, действующий в вакууме на равный ему заряд, находящийся на расстоянии 10-2 м с силой 10-5 Н равен 1 СГСЭq.

В Международной системе единиц (СИ) единица заряда также является производной. 1 Кулон (Кл) равен заряду, проходящему за 1 секунду через поперечное сечение проводника при силе тока в нём в 1 ампер. Связь между единицами заряда:

1Кл=3*109 СГСЭq.

e=1,6*10-19 Кл = 4,8*10-10 СГСЭq.

В системе СИ коэффициент k в законе Кулона не равен единице и имеет размерность:

k=9*10 9 Н*м2/Кл2.