Электричество и магнетизм — лекция

Глава I

Электрическое поле в вакууме

1.   Краткий исторический обзор развития представлений о природе электричества и магнетизма.

2.   Заряд и поле. Закон Кулона. Напряженность поля.

3.   Теорема Остроградского – Гаусса и ее применение.

4.   Работа электрического поля по перемещению заряда. Потенциал. Потенциальный характер электростатического поля.

Краткий исторический обзор развития представлений о природе электричества и магнетизма[11]

1.1. Представления об электричестве и магнетизме в Древнем мире.

1.2. Период 18-19 веков.

1.3. Вклад отечественных учёных.

1.4. Современный этап.

1.1.  Представления об электричестве и магнетизме в Древнем мире.

Первые сведения об электричестве относятся к эпохе древнего мира. Эти сведения дошли до нас в виде многочисленных легенд. Например, такой легендой является сказание о пастухе Магнуме, который пас своих овец на горе, и однажды подошвы его башмаков прилипли к почве, да так, что он не смог оторвать ног от земли. Это произошло потому, что в горе было большое месторождение магнитных руд. Магниты были известны также и в странах Древнего Востока. Например, в Китае он был известен под названием “камень материнской любви”. Магнитам в разное время приписывали различные лечебные свойства – они применялись для лечения расстройств желудка, болезней многих внутренних органов и даже для продления жизни. Как известно из современных источников, не все эти представления были лишены смысла. Магнитотерапия активно применяется сейчас во многих серьезных научно-исследовательских центрах при лечении различных тяжелых заболеваний, таких, например, как гемофилия и сахарный диабет.

Другим известным фактом было то, что янтарные веретена, которыми пользовались древнегреческие ткачи, после использования начинали притягивать к себе кусочки нитей и другие маленькие предметы. По греческому названию янтаря (электрон) впоследствии такие явления стали называться электрическими.

1.2.  Период XVIII—XIX веков.

Основные представления об электричестве сложились уже на рубеже XVIII-XIX веков.

В России изучением электричества занимались Ломоносов и Рихман. Последний погиб при проведении эксперимента с атмосферным электричеством.

Интересен знаменитый спор между Гальвани и Вольта. Гальвани исследовал электрические явления и проделал следующий опыт. К железной решетке балкона на медной проволоке была подвешена лягушачья лапка. Когда лапка касалась решетки, она сокращалась. Это привело Гальвани к мысли о том, что источником электричества являются живые существа. Открытие “живого электричества” привело к попыткам продлить человеческую жизнь с помощью “подзарядки”. Другого мнения придерживался Вольта. Он предположил, что электрический ток возникает при влажном контакте двух различных металлов. Он впервые собрал электрическую батарею, известную впоследствии как вольтов столб, а также изобрел прибор, с помощью которого удалось зафиксировать ту малую разность потенциалов, которую давал этот столб. Именно с этим открытием электричество вышло из стадии забавной игрушки, и начались исследования по практическому применению электрического тока.

В 1802 году академик В. В. Петров открыл, а впоследствии исследовал электрическую дугу.

Проведенные Фарадеем и Ампером опыты показали связь, существующую между электрическими и магнитными явлениями. В 1831 году Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, которое открыло новую эпоху в развитии науки об электричестве.

В 1864 году Максвеллом была разработана электромагнитная теория поля, завершившая этап классических представлений об электричестве.

Далее Лоренц создал классическую теорию проводимости, согласно которой электроны представляют собой идеальный газ.

1.3. Вклад отечественных учёных.

Новые научные учреждения стали организовываться уже в 1918 году. В результате напряженной работы отечественных ученых была создана новая физика с большим диапазоном научных проблем. Достижения в области изучения электрических и магнитных явлений стали основой для развития различных областей физики и техники: в тематике исследований фигурировали современные проблемы атомной физики, радиоактивности, электроники, радиофизики, физики твердого тела и т. д. Особое развитие вначале получили радиофизика и электроника.

В истории радиотехники до второй мировой войны выделяются два этапа. Первый этап – искровой радиотехники – начинается непосредственно с открытия А. С. Попова. Вторая мировая война стимулировала развитие микроволновой радиотехники и полупроводниковой электроники.

Электронные лампы конструкции Михаила Александровича Бонч-Бруевича обеспечили развитие радиотехники и радиофизики в нашей стране, кроме того, радиотехнику в нашей стране развивали И. Г. Фрейман, автор первого отечественного курса радиотехники; В. П. Вологдин, конструктор машин высокой частоты; О. В. Лосев, открывший еще в 20-х годах транзисторный эффект.

В 1950 г. Лев Андреевич Арцимович возглавил экспериментальные исследования по управляемому термоядерному синтезу, проводившиеся в основном в Институте атомной энергии им. И. В.Курчатова, где Арцимович работал с 1944 г. В 1952 г. он открыл (совместно с сотрудниками) нейтронное излучение высокотемпературной плазмы, руководил работами на термоядерных установках «ТОКАМАК», результатами которых стало получение физической термоядерной реакции в устойчивой квазистационарной плазме.

ТОКАМАК – устройство для осуществления реакции термоядерного синтеза в горячей плазме в квазистационарном режиме, причем плазма создается в тороидальной камере и стабилизируется магнитным полем. Предназначение установки состоит в преобразовании внутриядерной энергии в тепловую и далее – в электрическую. Слово «ТОКАМАК» является аббревиатурой от названия «тороидальная камера магнитная», однако создатели установки заменили в конце «Г» на «К», чтобы не вызывать ассоциаций с чем-то магическим.

Первая работа (1913 г.) Абрама Федоровича Иоффе, составившая предмет его магистерской диссертации, была посвящена элементарному фотоэлектрическому эффекту и относилась к кругу классических исследований по определению заряда электрона. Он доказал реальность существования электрона независимо от остальной материи, определил абсолютную величину его заряда, исследовал магнитное действие катодных лучей, представляющих собой поток электронов, доказал статистический характер вылета электронов при внешнем фотоэффекте. Следующим обширным исследованием А. И. Иоффе было продолжение его работы (1905 г.), выполненной в лаборатории Рентгена. Оно было посвящено изучению упругих и электрических свойств кварца и легло в основу его докторской диссертации.

Еще одна область исследований А. И. Иоффе, – физика кристаллов. В 1916–1923 гг. он изучал механизм проводимости ионных кристаллов.

В начале 1930-х годов по инициативе А. И. Иоффе начались систематические исследования новых в то время материалов – полупроводников.

Игорь Васильевич Курчатов до 1932 г. занимался изучением электрических свойств твердых тел, а после 1932 г. – вопросами излучения атомного ядра. Он исследовал электропроводность твердых тел, механизм пробоя твердых диэлектриков; заложил основы учения о сегнетоэлектричестве; внес большой вклад в изучение электрических свойств кристаллов. В 1931–1932 гг. вместе с К. Д.Синельниковым И. В.Курчатов осуществил исследования по физике полупроводников. В 1932 г. научные интересы И. В. Курчатова перемещаются в сферу ядерной физики. В 1933 г. была построена высоковольтная установка и ускорительная трубка для ускорения протонов до энергии 350 кэВ, сконструированы высоковольтные установки в Харьковском ФТИ. В 1937 г. при прямом руководстве И. В. Курчатова был запущен крупный циклотрон.

В 1954 г. вступила в строй первая в мире атомная электростанция. В начале 1950-х в нашей стране были начаты исследования по проблеме управляемого термоядерного синтеза, которые тоже находились под постоянным контролем И. В. Курчатова.

Циклотрон — циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц, в котором частота ускоряющего поля и управляющее магнитное поле постоянны во времени. В циклотроне ускоряющее переменное электрическое поле создается между двумя полями электродами (дуантами). Дуанты помещены в замкнутую камеру, расположенную между полюсами сильного магнита.

1.4.  Современный этап.

Хотя в последние тридцать лет в физике наблюдается некоторое затишье, уже намечаются некоторые открытия. Так, например, проводятся попытки сравнить скорости распространения гравитационного и электромагнитного взаимодействия, которые, по предсказаниям теории относительности, совпадают. В ЦЕРНе построен Большой адронный коллайдер высоких энергий, который должен помочь проверить две фундаментальные теории: Суперсимметрия и бозон Хиггса.

В январе 2003 года исследователь Университета штата Миссури Сергей Копейкин и астрофизик Эд Фомалонт измерили скорость распространения гравитации. Она оказалась 0.95 скорости света с погрешностью в 20 % в полном соответствии с теорией относительности Эйнштейна.

Всё большее внимание отводится рассмотрению вопросов, связанных с устройством вещества на субэлементарном уровне (бесконечная вложенность материи).

Крупнейшая АЭС в мире Касивадзаки-Карива по установленной мощности (на 2008 год) находится в Японском городе Касивадзаки префектуры Ниигата — в эксплуатации находятся ядерные реакторы, суммарная мощность которых составляет 8,212 ГигаВатт.

В настоящее время при участии России на юге Франции ведётся строительство международного экспериментального термоядерного реактора ITER.

Без успехов в разработке и исследовании новых материалов для микроэлектроники было бы невозможно создание современных электронных вычислительных машин.