17

Лекция 1

Электромагнетизм.

Введение. Электромагнитное взаимодействие

Мир состоит из взаимодействующих частиц. Всё, что мы видим, построено из элементарных частиц, есть такие кирпичики мироздания. На макроскопическом уровне много взаимодействий, на самом деле, в основании всего лежит четыре типа фундаментальных взаимодействия. Они называются:

1) сильное,

2) электромагнитное,

3) слабое,

4) гравитационное.

Они перечислены в порядке убывания силы взаимодействия.

Электромагнитное взаимодействие играет важную роль в физической картине мира на всех его уровнях. (На уровне микромира – это электрическое взаимодействие электронов и протонов в атомах и молекулах; в быту - микроэлектронные приборы, радио и электричество; в масштабах планеты Земля - атмосферное электричество, магнитное поле Земли, в космических масштабах – это существование радиогалактик, пульсаров, магнитных бурь и т. д.). Начнем с простейших опытных фактов и явлений.

Основные эксперименты и положения теории в электромагнетизме были проделаны и внесены следующими физиками (ученые, внесшие наибольший вклад в развитие представлений об электромагнитных явлениях):

Шарль О. Кулон (французский физик, 1736-1806),

Пьер С. Лаплас (французский астроном, физик и математик, 1749-1827),

Андре М. Ампер (французский физик и математик, 1775-1836),

Ханс К. Эрстед (датский физик, 1777-1851),

Жан Б. Био (французский физик, 1774 - 1862),

Симеон Д. Пуассон (французский механик, математик и физик, 1781-1840),

Карл Ф. Гаусс (немецкий математик, астроном и физик, 1777-1855),

Феликс Савар (французский физик, 1791 – 1841),

Михаил Васильевич Остроградский (русский математик и механик, 1801-1862),

Генрих Р. Герц (немецкий физик, 1857-1894)

и другие. Однако и на их фоне выделяются гиганты:

Майкл Фарадей (английский физик, 1791-1867) и

Джеймс К. Максвелл (английский физик, 1831-1879).

I. Электростатика.

Электростатика изучает законы, определяющие поведение и взаимодействие неподвижных зарядов.

1. Закон Кулона. (1785г.)

Итак, утверждается следующее: если у нас есть два небольших тела, линейный размер самого большого из которыхмного меньшеrрасстояния между ними, и мы разместим эти два тела на некотором расстоянии друг от друга, предварительно сообщив им заряды, у одного заряду другого, то, если ониодноименные, то тела будут отталкиваться.

То есть, на каждое из них, будет действовать силы, равные друг другу в соответствии с третьим законом Ньютона. Обозначим силу, действующую на первый со стороны второго,силу, действующую на второй со стороны первого. Вот силы отталкивания.

Введем радиус вектор, который начинается на первом теле и заканчивается на втором - .

Так вот закон Кулона утверждает, что для вот этой силы в системе СИ( о которой поговорим чуть ниже)вектор можно записать как.

Формулировка закона Кулона: сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов пропорциональна величине каждого из зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой, соединяющей заряды.

Понятие заряда вводится неявно через закон Кулона.

Электрическим зарядомназывается физическая величина, которая характеризуется следующими свойствами:

1. Взаимодействие описывается законом Кулона или, как говорят, законом обратных квадратов.

2. Существуют в двух видах, положительные и отрицательные, это связано, конечно, с разным характером взаимодействия.

3. Он квантуется, то есть существует в виде порций. Заряд любого тела можно представить в виде , гдеe– самая маленькая порция заряда, которую на сегодня человек экспериментально сумел получить. ЗдесьN= 1,2,… а

Замечание. Есть такие частицы - кварки, заряд которых дробный: ,и т.д. То, что их заряд дробный не противоречит 3-му пункту, так как кварки самостоятельно не наблюдаются.

4. Подчиняется закону сохранения. Алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы остается неизменной, какие бы процессы не происходили внутри данной системы.

Под замкнутой системой в данном случае понимают систему, которая не обменивается зарядами с внешним миром.

5. Заряд – релятивистский инвариант. То есть, заряд одинаково оценивается во всех системах отсчета.

Совокупности этих пяти свойств нам будет достаточно, чтобы иметь некое представление об электрическом заряде, которое мы будем дальше использовать.