Г Л А В А 6

КОНЦЕПЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА

Электромагнитные взаимодействия играют чрезвычайно важную роль в природе. Благодаря электрическим взаимодействиям ядер и электронов образуются атомы, электрические взаимодействия электронных оболочек атомов приводят к образованию молекул и всего многообразия вещества. Без действия сил электромагнитной природы немыслима и жизнедеятельность биологических систем. В развитии представлений об электромагнитных явлениях можно выделить ряд этапов, среди которых открытие существования электрических зарядов и особенностей их взаимодействия; обнаружение магнитного поля движущихся зарядов; создание электромагнитной теории, описывающей с единых позиций как электрические, так и магнитные явления. Рассмотрение концепции электромагнетизма начнём с анализа взаимодействия неподвижных зарядов.

В VII веке до н. э. древнегреческий философ Фалес Милетский описал замеченную ткачихами способность янтаря, потёртого о шерстяную материю, притягивать к себе некоторые лёгкие предметы. Это открытие было расширено лишь две с лишним тысячи лет спустя, в 1600 году, английским врачом В.Гильбертом (1540–1603), который нашёл, что аналогичное свойство приобретают стекло и ряд других веществ, если их потереть о шёлк. Тела,

приведённые в такое состояние, были названы наэлектризованными или дословно «наянтаренными», так как по-гречески «электрон» означает янтарь.

В процессе электризации происходит перераспределение электрических зарядов, которым присущи следующие фундаментальные свойства:

1)электрический заряд существует в двух видах: положительный заряд и отрицательный заряд;

2)электрический заряд квантован. Минимальная порция заряда равна заряду электрона по абсолютной

величине. Следовательно, произвольный заряд q определяется как q = ±Ne , где e = 1,6·10–19 Кл – заряд электрона; N – целое число;

3)электрический заряд является релятивистски инвариантным: его величина одинакова во всех инерциальных системах отсчета;

4)в любой электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов не изменяется. Это утверждение выражает закон сохранения электрического заряда.

Закон, которому подчиняется сила взаимодействия точечных зарядов, был установлен экспериментально в 1785 году французским учёным Ш.Кулоном (1736–1806). Точечным зарядом называется заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями от этого тела до других тел, несущих электрический заряд.

В соответствии с законом Кулона сила взаимодействия между двумя точечными зарядами пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

взаимодействия двух одноимённо заряженных

Взаимодействие между покоящимися зарядами осуществляется через электрическое поле. Всякий заряд изменяет свойства окружающего его пространства – создаёт в нём электрическое поле. Это поле проявляет себя в том, что помещённый в какую-либо его точку электрический заряд оказывается под действием силы. По величине силы, действующей на данный заряд, можно судить об «интенсивности» поля.

Для исследования электрического поля заряда q воспользуемся пробным зарядом qпр . Тогда сила, действующая на заряд, может быть записана в виде

к заряду qпр ; r – расстояние между зарядами.

Из формулы (6.2) следует, что отношение силы F к величине пробного заряда qпр не зависит от пробного

заряда и характеризуется целиком зарядом q :

Эту векторную величину E называют

напряжённостью электрического поля точечного заряда.

Напряжённость – силовая характеристика электрического поля. Она численно равна силе, действующей на единичный положительный заряд, находящийся в данной точке.

Направление вектора E совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд. В системе СИ напряжённость электрического поля имеет размерность ньютон/кулон (Н/Кл) или вольт/метр (В/м). Очевидно, что на всякий точечный заряд q в точке поля с напряжённостью

E будет действовать сила F = qE .

Напряжённость поля системы зарядов равна векторной сумме напряжённостей полей, которые создавал бы каждый из зарядов системы в отдельности. Это утверждение носит название принципа суперпозиции (наложения) электрических полей.

Кроме силовой характеристики электрического поля существует ещё и энергетическая характеристика, называемая потенциалом. Потенциал – это скалярная величина, численно равная потенциальной энергии единичного положительного заряда, находящегося в данной точке поля:

Потенциал численно равен работе, которую совершают силы поля над единичным положительным зарядом при удалении его из данной точки на бесконечность. Такую же по величине работу необходимо совершить против сил поля для того, чтобы переместить единичный положительный заряд из бесконечности в данную точку поля. В системе СИ за единицу потенциала, называемую вольтом (В), принимается потенциал в такой точке, для перемещения в которую из бесконечности заряда, равного 1 кулону, нужно совершить работу в 1 джоуль: 1Дж = 1Кл·1В (1В =1Дж/1Кл). Потенциал точечного заряда записывается в виде