Свойства заряда, известные из курса общей физики

2012

Введение

Введение. Главные задачи курса: изучение основных физических явлений электромагнетизма, ознакомление с различными методами математического описания этих явлений, формирование практических навыков решения прикладных задач электродинамики.

Свойства электромагнитного (ЭМ) поля, его взаимодействие с другими видами материи (заряженными частицами, телами) обычно изучаются в разделе общей физики под названием “Электричество и магнетизм” или “Электромагнетизм”. В большей степени это изучение основывается на экспериментальном материале. Математические модели электромагнитных явлений разрабатываются и исследуются преимущественно в разделе теоретической физики под названием “Электродинамика”. Отсюда название курса - “Физика. Электродинамика”.

В рамках курса мы ограничимся изучением неквантовых ЭМ явлений, которые будем рассматривать с точки зрения классической физики (механики) и классической электродинамики. Курс предназначен для студентов математических специальностей, поэтому большая часть материала посвящена математическим вопросам описания ЭМ поля.

В первом (классическом) приближении современная атомистическая картина строения материи может выглядеть следующим образом: материя состоит из заряженных и нейтральных элементарных частиц (электронов и нуклонов) и различного вида полей, обусловливающих взаимодействие элементарных частиц. При более детальном (квантовом) описании материи полям также нужно сопоставлять особые частицы – кванты поля (кванты ЭМ поля – фотоны, ядерного – мезоны ). [5, стр. 6].

Существуют фундаментальные взаимодействия, лежащие в основе материального мира, т.е. взаимодействия, без которых природа существовать не может. [4; первая лекция Андр. в тетр. Едаменко].

Тип взаимодействия	R взаимодействия	Сравнительная величина	Краткая характеристика
Гравитационное	∞	10^-40	Универсальное
Слабое	10^-17м	10^-14	Не является универсальным. Имеет квантовую природу. Осуществляется при взаимопревращении определенных сортов частиц. (Слабые взаимодействия «отвечают» за радиоактивный распад.)
Электромагнитное	∞		Не является универсальным. Тела, участвующие в ЭМ взаимодействии, имеют заряд или магнитный момент.
Сильное=ядерное	10^-15м	1	Не является универсальным. Проявляется между определенными частицами при их сближении. Ядерные силы «отвечают» за то, что ядро атома не распадается.

Таблица 1. Фундаментальные взаимодействия

При исследовании взаимодействий используются различные модели.

1). Полевая модель взаимодействия (близкодействие). В соответствии с этой моделью взаимодействие осуществляется посредством поля, т.е. на материальную точку действует поле, создаваемое другими телами, а не сами эти тела. В результате взаимодействия непрерывно изменяется и движение материальных точек, и характеристики поля. Изменение характеристик поля происходит с конечной скоростью.

Материальная точка. Тело, размеры и форма которого не оказывают существенного влияния на характер движения, называют материальной точкой. Материальной точкой заменяют конечное тело, если его размерами можно пренебречь по сравнению с расстоянием до других тел (в противном случае тело представляется системой материальных точек). Материальная точка наделяется массой всего тела.

2) Дальнодействие. Не рассматривается агент, посредством которого осуществляется взаимодействие – физическое поле.

Скорость распространения взаимодействия считается бесконечной (взаимодействие между точками осуществляется на расстоянии и передается мгновенно).

В случае статического поля дальнодействие и близкодействие эквивалентны.

Дальнодействие применяется в определенных физических условиях (если скорость распространения взаимодействия в рассматриваемой задаче можно считать бесконечной) при моделировании гравитационного и электромагнитного взаимодействий:

закон всемирного тяготения ;

Закон Кулона ; .

3) Квантово-релятивистская модель взаимодействия.

Рассматривается уровень микрочастиц (элементарных частиц). Передача взаимодействия между частицами состоит в обмене квантом поля (частицей с нулевой массой покоя, для ЭМ взаимодействия это фотон). В результате такого взаимодействия микрочастицы не только изменяют характеристики своего движения, но и испытывают взаимные превращения (исчезают одни, появляются другие).

В отличие от короткодействующих ядерных и слабых сил ЭМ и гравитационные силы являются далекодействующими, т.е. наиболее медленно убывающими с расстоянием между частицами. Именно это позволяет рассматривать электромагнитное и гравитационное поля как макроскопические объекты и ограничиться лишь классическим (а не квантовым) их описанием.

Классическая теория ЭМ поля. Классическая или максвелловская теория ЭМ поля учитывает только макроскопические свойства вещества. Предполагается, что 1) размеры рассматриваемой области пространства и расстояние от источников поля до рассматриваемой точки (точки наблюдения) велики по сравнению с размерами молекул; 2) характерное для изменения ЭМ поля время (например, период колебаний) велико по сравнению со временем, характерным для внутримолекулярных колебательных процессов.

На основе классической теории ЭМ поля может быть изучен широкий круг вопросов. Однако классическая теория не охватывает всех свойств поля. За ее пределами остаются такие явления как излучение и поглощение веществом ЭМ волн очень высокой частоты (например, световых), фотоэффект[1] и др. Строгий анализ подобных явлений должен учитывать микроструктуру вещества и, следовательно, должен базироваться на квантовой теории поля. В пределах данного курса изучается классическая теория ЭМ поля, т.е. исследуются только его макроскопические свойства.

Мы будем говорить об ЭМ поле как макроскопическом объекте.

Итак, мы занимаемся классической электродинамикой (ЭД). Для описания ЭМ взаимодействия будем использовать полевую модель (близкодействие) или, в случае статических полей, - дальнодействие.

Основополагающие понятия электродинамики (ЭД) – это взаимосвязанные понятия электрического заряда и электромагнитного (ЭМ) поля.

Заряд, в широком смысле слова, это особое свойство тел порождать электромагнитные поля и взаимодействовать с ними. В узком смысле термин электрический заряд используется для обозначения меры этого свойства (большой заряд - малый, сильное взаимодействие - слабое). В этом смысле электрический заряд - физическая, т.е. измеряемая величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия. Обозначается латинской буквой . Её синоним - количество электричества.

Движение зарядов обусловлено движением их материальных носителей - элементарных частиц или макроскопических тел, в состав которых эти элементарные частицы входят. В большинстве случаев для удобства и общности рассуждений можно говорить просто о движении заряда, не оговаривая его носителей. Если явление зависит не только от заряда, но и от других характеристик носителя, например массы, этого делать нельзя.

Свойства заряда, известные из курса общей физики

1. Носителями электрического заряда являются заряженные элементарные частицы – протон и электрон (а также их античастицы – антипротон и позитрон – и некоторые нестабильные частицы: -мезоны, -мезоны и др.).

2. Все элементарные заряженные частицы обладают одинаковым по величине зарядом Кл, который называют элементарным зарядом и обозначают .

3. Опыт показывает, что заряд элементарных частиц не зависит от скорости. В противном случае, например, не могла бы соблюдаться нейтральность атомов (электроны на разных орбитах атома имеют разную скорость). Заряд тела или частицы выражается одним и тем же числом во всех инерциальных системах отсчета.

4. Заряд элементарных частиц может быть положительным или отрицательным. Одноименно заряженные частицы отталкиваются, разноименно заряженные – притягиваются. За положительный заряд принят заряд протона: . Заряд электрона – отрицательный .

5. Если в состав макроскопического тела входит разное количество электронов и протонов , то оно оказывается заряженным Заряд тела всегда представляется числом, кратным величине элементарного заряда: . Другими словами, электрический заряд, как и многие другие физические величины, квантуется (дискретный характер заряда тел).

6. Заряд – величина аддитивная: заряд любой системы заряженных тел или частиц равен сумме зарядов отдельных тел и частиц. Заряд макроскопического тела равен сумме зарядов его частей.

7. Заряд – величина скалярная выражается действительными числами: может иметь положительные, нулевые и отрицательные значения.

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями, на которых рассматривается его воздействие. Вместо тела рассматривается геометрическая точка, несущая тот же заряд. Положение точечного заряда в пространстве, скорость и ускорение имеют такой же смысл, как и в случае материальных точек5. В рамках изучаемого курса все носители элементарного заряда (т.е. электроны6, протоны) считаются точечными.

Движение точечных зарядов в рамках классической ЭД описывается так же, как движение материальной точки в классической механике, с помощью уравнения Ньютона:

или .

В качестве инертной массы берется масса материальной частицы (тела) – носителя заряда. В случае элементарных заряженных частиц такое приближение оказывается приемлемым лишь тогда, когда эти частицы свободны, т.е. находятся вне вещества и не входят в состав атомов и (или) молекул. Если это не так, модель (идеализация) оказывается слишком грубой, предсказания модели противоречат действительности.

Различают два рода зарядов – свободные и связанные.

Связанными (скомпенсированными) зарядами называют заряды, входящие в состав атомов и молекул, а также заряды ионов в кристаллических веществах с ионной решеткой. Все остальные заряды называют свободными (подвижными, не скомпенсированными). Примерами свободных зарядов могут служить электроны проводимости в металлах, ионы в газах и электролитах.

Ионами называются атомы или молекулы, имеющие либо избыток, либо недостаток электронов по сравнению с нормальным состоянием этих атомов или молекул. (Ж-М, стр.18).

Электроны, оторвавшиеся от атомов при их ионизации, не всегда присоединяются к другим атомам; часто они остаются свободными. Электроны же, входящие в состав атомов, являются связанными.

Очевидно, что разделение на свободные и связанные заряды зависит от масштаба исследуемых явлений и, следовательно, условно.

Электромагнитное (ЭМ) поле – это физический объект, посредством которого взаимодействуют друг с другом все заряженные частицы и тела. ЭМ поле представляет собой особый самостоятельный вид материи, способный распространяться в пространстве с конечной скоростью (в вакууме ЭМ волны распространяются со скоростью с) и оказывать силовое воздействие[2] на заряженные частицы вещества.

Определение «самостоятельный» следует здесь понимать как возможность существования поля в свободном состоянии, когда отсутствует непосредственная (одномоментная) связь поля и породивших его зарядов. В свободном состоянии ЭМ поле существует в виде ЭМ волн.

Почему дается именно такое определение? Почему бы нам не сказать, что в ЭМ взаимодействии участвуют тела, обладающие электрическим зарядом или магнитным моментом? Дело в том, что наличие магнитного момента тела обусловлено микроскопическими токами. Токи же представляют собой упорядоченное движение электрических зарядов в пространстве.

Терминологическое замечание о связи поля с зарядами. Принято говорить, что заряды создают или порождают поле. Однако заряды никогда не существуют без поля: заряды неразрывно связаны с полем, так что указанное выражение имеет условный смысл. Тем не менее, в отдельных случаях (неравномерное движение) заряды порождают ЭМ волны – возмущение поля (его характеристик), которое распространяется в пространстве с конечной скоростью. Возникает излучение – движущееся поле, существующее далее самостоятельно. Это обстоятельство в известной мере оправдывает выражение «заряды создают поле».

Общие свойства ЭМ поля. (См Зуев, 05).Всякая электрически заряженная частица окружена ЭМ полем, составляющим с ней единое целое. Но ЭМ поле может существовать и в свободном, отделенном от заряженных частиц состоянии в виде ЭМ волн. Возникновение волн и способность ЭМ поля в течение некоторого времени существовать вне связи с источником обусловлены конечностью скорости распространения ЭМ взаимодействия.

Подобно веществу ЭМ поле обладает энергией, массой, импульсом (количеством движения) и моментом импульса [5; 6, с.18]. ЭМ поле обладает энергией, так как при взаимодействии с заряженными частицами их энергия изменяется и, следовательно, передается ЭМ полю. Масса, импульс, момент импульса характерны только для распространяющегося ЭМ поля (ЭМ волн). В отличие от вещества, ЭМ поле не обладает массой покоя. ЭМ волны испытывают воздействие гравитационных сил. Известно, что путь распространения световых волн заметно искривляется под влиянием гравитационных сил больших масс вещества, например, Солнца. Импульс ЭМ волн проявляется в давлении, которое они оказывают на материальные тела. Впервые давление света было экспериментально доказано П.Н. Лебедевым в 1900 г.

В макроскопической теории ЭМ поля указанные величины (энергия, масса, импульс, момент импульса) считаются непрерывно распределенными с определенной плотностью по всему объему, занимаемому полем.

Источники ЭМ поля. Электрическое и магнитное поля. ЭМ поле обычно разделяют на два взаимосвязанных поля: электрическое и магнитное.

Источниками ЭМ поля являются электрические заряды. Неподвижные заряды создают только электрическое поле. Движущиеся заряды создают и электрическое, и магнитное поля. Токи представляют собой движущиеся электрические заряды и также создают ЭМ поле. Поэтому не будет ошибкой сказать, что источники ЭМ поля – заряды и токи.

Разделение единого электромагнитного поля на электрическое и магнитное имеет относительный характер: оно зависит от выбранной системы отсчета. Например, движущийся прямолинейно с постоянной скоростью электрический заряд создает вокруг себя как электрическое, так и магнитное поле. Однако для наблюдателя, движущегося в том же направлении с той же скоростью, этот заряд является неподвижным и, следовательно, создает только электрическое поле.

Проявления ЭМ поля. Энергия ЭМ поля способна преобразовываться в другие виды энергии – химическую, тепловую, энергию механического движения и т.п. В соответствии с видом преобразования можно назвать различные действия ЭМ поля на тела: нагрев при поглощении света, волн СВЧ, при протекании тока; перемещение тел в пространстве в различных электрических двигателях (механическое воздействие), химическое действие (примеры: электролиз, солнечный загар) и многое другое.

Силовое воздействие на заряженные частицы. Отличительным (фундаментальным) свойством ЭМ поля является его силовое (механическое, пондеромоторное, электродинамическое) действие на электрические заряды (точнее, на материальные носители электрического заряда).

Итак, оба поля (электрическое и магнитное) проявляются в виде механических или, как их принято называть, «пондеромоторных» сил. Если в электрическое поле внести пробный электрический заряд, то под действием этих сил он будет перемещаться. Аналогично магнитное поле изменяет направление движения пробного электрического заряда, а также ориентирует пробный постоянный магнит (магнитную стрелку).

Электрическое поле действует и на неподвижные, и на движущиеся заряды, магнитное – только на движущиеся. (Магнитное поле (МП) действует на проводники с током и намагниченные тела в силу своего действия на движущиеся заряды. Действительно, ток проводимости представляет собой упорядоченно движущиеся заряды; действие МП на намагниченные тела обусловлено наличием молекулярных токов).

Дата добавления: 2018-10-27; просмотров: 225; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!