что такое электромагнетизм

2. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

В этой части общей физики изучается электричество и то, что всегда ему сопутствует: электрическое и магнитное поле. Электричество − это электрические заряды. Никто никогда не сможет Вам сказать, что такое заряд сам по себе. Но вся естественнонаучная часть программы средней школы позволяет составить представление о том, чем является электрический заряд для нас. Это то, что несут на себе электроны и протоны. Они, как известно, лежат в основе атомного строения. Поскольку атомы соединяются в молекулы, а из молекул состоит всё вокруг нас, то становится ясной роль электрического заряда в мироздании.

Отдельно нужно сказать об электрических и магнитных полях (на самом деле, именно их и их воздействие на заряды в основном-то и изучают). Это физические понятия, которые относятся к классу физических полей. Физическим полем называется особый вид материи, заполняющий пространство вокруг определённых тел − его источников, и благодаря которому осуществляется взаимодействие между этими телами на расстоянии.

Современной физике известно пять физических полей:

·  электромагнитное (объединяет электрическое и магнитное поля);

·  гравитационное, благодаря нему осуществляется гравитационное взаимодействие;

·  сильное;

·  слабое.

Последние два поля связаны с внутриядерными взаимодействиями и в макроскопической жизни не проявляются. Значит, окружающий нас мир макроскопических тел управляется гравитационным, электрическим и магнитным полями.

Традиционно электромагнетизм делится на четыре раздела.

Электростатика изучает электростатическое поле, то есть поле, источниками которого являются любые электрические заряды.

Законы постоянного тока. Этот раздел посвящён упорядоченному движению макроскопического количества заряженных частиц или электрическому току. При этом предполагается, что поток частиц не меняется с течением времени.

Магнетизм изучает неизменное по времени магнитное поле, создаваемое постоянными токами.

Электродинамика изучает переменные по времени электрические и магнитные поля. Оказывается, отдельно электрическое и магнитное поля могут существовать только в статическом (стационарном) случае, когда они не зависят от времени. В динамическом (нестационарном) случае эти два поля неразрывно связаны друг с другом. Переменное магнитное поле порождает переменное электрическое, и наоборот, переменное электрическое порождает переменное магнитное. Поэтому в нестационарном случае речь может идти только об электромагнитном поле.

Полная система дифференциальных уравнений этого вида материи, была выведена Д. Максвеллом. Система уравнений Максвелла явилась венцом развития классической теории электромагнетизма, поскольку все явления электромагнетизма, которые наблюдаются на опыте, можно описать, исходя из них. Но они также явились основой для предсказания существования и свойств электромагнитных волн за десятилетие до их открытия Герцем.

Освоив материал раздела «Электромагнетизм», бакалавр должен знать

— электростатику, законы постоянного тока, магнетизм и элементы электродинамики.

Бакалавр должен уметь

— использовать теорию раздела при решении задач и выполнении лабораторных работ.

Бакалавр должен владеть

— элементами математического анализа функции нескольких переменных и теории поля;

Глава 12. ЭЛЕКТРОСТАТИКА. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД И ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

§12.1. Электрический заряд как источник электрического поля

Для человеческого сознания проще всего воспринимать окружающую действительность как совокупность тел, занимающих место в пространстве. Исходя из этих представлений, естественно думать, что основным предметом электростатики являются электрические заряды, точнее, заряженные тела. На самом деле, это не так. Объектом изучения электростатики является электрическое поле. В рамках курса общей физики сведения непосредственно об электрических зарядах элементарны и не выходят за пределы знаний, полученных ещё в средней школе. Перечислим их.

1)  Электрический заряд — особое свойство некоторых тел, благодаря которому они вступают друг с другом в электростатическое взаимодействие. Понятно, что это определение с точки зрения формальной логики никуда не годится, поскольку нет независимого определения электростатического взаимодействия. Можно дать другое: электрический заряд — особое свойство некоторых тел, благодаря которому сверкает молния и гремит гром.

2)  Существует электрический заряд двух видов. Для математического удобства их назвали положительным (+) и отрицательным (-) зарядами.

3)  Заряд — это скалярная физическая величина, то есть её можно измерять количественно. Единица измерения в СИ — кулон [Кл]. Существует как положительный, так и отрицательный элементарные заряды ±е (е=1,6×10-19 Кл). Это значит, что в природе не встречается зарядов, абсолютная величина которых была бы меньше е.

4)  В окружающем нас мире носителем элементарного отрицательного заряда является электрон е-, масса покоя которого те=9,1×10-31 кг, а носителем элементарного положительного заряда является протон р+, масса покоя которого тр=1,67×10-27 кг. Как известно, протоны входят в атомные ядра химических элементов, обеспечивая их положительный заряд. Электроны в количестве, необходимом для компенсации заряда ядра образуют электронные оболочки электрически нейтральных атомов. Таким образом, из протонов и электронов состоит всё окружающее нас вещество. Но очень редко в нашем мире также встречаются частицы, имеющие массу протона и отрицательный элементарный заряд, и частицы, имеющие массу электрона и положительный элементарный заряд. Те и другие образуют атомы антивещества, ядра которых отрицательны, а атомные оболочки положительны. Соответственно и названия частиц — антиэлектрон и антипротон. По каким-то причинам природа не допустила равноправия частиц и античастиц в нашем мире: античастицы возникают у нас очень редко и их всегда гораздо меньше чем частиц. Если бы было равноправие, то наш мир не смог бы существовать даже доли секунды: при сближении частиц и античастиц их неудержимо тянет друг к другу, и в результате столкновения происходит аннигиляция, то есть обе сталкивающиеся корпускулы превращаются в излучение, которое не имеет массы покоя. Значит, встреча вещества и антивещества должна была бы привести к взрыву, гораздо страшнее ядерного.

5)  Существует закон сохранения электрического заряда:

количество заряда, то есть алгебраическая сумма всех зарядов, электрически изолированной физической системы является величиной инвариантной не только по отношению к переходам из одной СО в другую, но и по отношению к любым физическим процессам.

6)  Точечным зарядом называется заряд, принадлежащий материальной точке. Точечные заряды в вакууме взаимодействуют в соответствии с экспериментально открытым ещё в 1785 году законом Кулона. Согласно этому закону разноимённые заряды притягиваются, а одноимённые — отталкиваются.

Рис.12.1

Кулоновское взаимодействие полностью подчиняется III-му закону Ньютона, поскольку силы взаимодействия и направлены по прямой, соединяющей взаимодействующие заряды, противоположно направлены и равны по модулю.

Последняя формула представляет собой количественное содержание закона Кулона:

сила взаимодействия между точечными зарядами прямо пропорциональна модулю произведения зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

В формулу Кулона входит мировая константа e0=8,85×10-12 единиц СИ, которая называется электрической постоянной вакуума, а выражение , играющее роль коэффициента пропорциональности, называется константой Кулона k. k=9×109 единиц СИ.

7)  Каждый заряд является источником особого вида материи — электростатического поля.

Вот, собственно, и всё, что можно сказать о заряде.

В нашем курсе часто придется сталкиваться с распределённым по пространству зарядом, подобно тому, как в курсе механики мы сталкивались с распределённой массой. В этом случае роль точечного заряда будет играть дифференциал заряда dq, который в дальнейшем будет называться элементарным зарядом (обратите внимание на другой смысл этого слова по сравнению с определением е). В зависимости от способа пространственного распределения возможны три выражения для элементарного заряда:

a)  в случае непрерывного распределения заряда по объёму:

,

где dV − элементарный объём, занятый зарядом dq, а − объёмная плотность заряда.

b)  в случае непрерывного распределения заряда по поверхности: