Среща се в природата физически процесине винаги се обясняват със законите на молекулярно-кинетичната теория, механиката или термодинамиката. Има и електромагнитни сили, които действат на разстояние и не зависят от масата на тялото.

Техните прояви са описани за първи път в трудовете на древногръцки учени, когато те привличат светлина, малки частици от отделни вещества с кехлибар, втрит върху вълна.

Исторически принос на учените в развитието на електродинамиката

Експериментите с кехлибар бяха подробно проучени от английски изследовател Уилям Гилбърт. IN последните годиниПрез 16-ти век той прави доклад за работата си и обозначава обекти, способни да привличат други тела на разстояние, с термина „електрифицирани“.

Френският физик Шарл Дюфе определя съществуването на заряди с противоположни знаци: някои са образувани от триенето на стъклени предмети върху копринена тъкан, а други от смоли върху вълна. Така ги наричаше: стъкло и смола. След приключване на изследването Бенджамин ФранклинВъведена е концепцията за отрицателни и положителни заряди.

Чарлз Кулон реализира възможността за измерване на силата на зарядите с дизайна на торсионни везни по собствено изобретение.

Робърт Миликан, въз основа на серия от експерименти, установи дискретния характер на електрическите заряди на всяко вещество, доказвайки, че те се състоят от определено количество елементарни частици. (Да не се бърка с друга концепция на този термин - фрагментация, прекъсване.)

Трудовете на тези учени послужиха като основа съвременни знанияза процеси и явления, протичащи в електрически и магнитни полета, създадени от електрически заряди и тяхното движение, изучавани от електродинамиката.

Определение на зарядите и принципите на тяхното взаимодействие

Електрическият заряд характеризира свойствата на веществата, които им осигуряват способността да създават електрически полета и да взаимодействат в електромагнитни процеси. Нарича се още количеството електричество и се определя като физическо скаларно количество. За обозначаване на заряда се използват символите "q" или "Q", а при измерванията използват единицата "Coulomb", кръстена на френския учен, разработил уникална техника.

Той създаде устройство, чието тяло използва топки, окачени на тънка нишка от кварц. Те бяха ориентирани в пространството по определен начин и позицията им беше записана спрямо градуирана скала с равни деления.

Чрез специален отвор в капака към тези топки беше доведена друга топка с допълнителен заряд. Възникващите сили на взаимодействие накараха топките да се отклонят и да завъртят кобилицата си. Големината на разликата в показанията на скалата преди и след въвеждането на заряд позволи да се оцени количеството електроенергия в тестовите проби.

Заряд от 1 кулон се характеризира в системата SI с ток от 1 ампер, преминаващ през напречно сечениепроводник за време равно на 1 секунда.

Съвременната електродинамика разделя всички електрически заряди на:

положителен;

отрицателен.

Когато взаимодействат помежду си, те развиват сили, чиято посока зависи от съществуващата полярност.

Зарядите от един и същи вид, положителни или отрицателни, винаги се отблъскват противоположни страни, опитвайки се да се отдалечат възможно най-далеч един от друг. А зарядите с противоположни знаци имат сили, които се стремят да ги сближат и обединят в едно цяло.

Принцип на суперпозиция

Когато в определен обемАко има няколко заряда, тогава за тях се прилага принципът на суперпозиция.

Значението му е, че всеки заряд по определен начин, според метода, разгледан по-горе, взаимодейства с всички останали, като се привлича от тези от различен тип и се отблъсква от тези от същия тип. Например положителен заряд q1 се влияе от силата на привличане F31 към отрицателния заряд q3 и силата на отблъскване F21 от q2.

Резултантната сила F1, действаща върху q1, се определя от геометричното събиране на векторите F31 и F21. (F1= F31+ F21).

Същият метод се използва за определяне на резултантните сили F2 и F3 върху зарядите q2 и q3, съответно.

Използвайки принципа на суперпозицията, се стигна до заключението, че за определен брой заряди в затворена система действат постоянни електростатични сили между всички нейни тела и потенциалът във всяка конкретна точка в това пространство равно на суматапотенциали от всички отделно приложени заряди.

Действието на тези закони се потвърждава от създадените уреди електроскоп и електрометър, които имат общ принципработа.

Електроскопът се състои от две еднакви остриета от тънко фолио, окачени в изолирано пространство чрез проводима нишка, прикрепена към метална топка. В нормално състояние зарядите не действат върху тази топка, така че венчелистчетата висят свободно в пространството вътре в крушката на устройството.

Как може да се прехвърля заряд между телата?

Ако донесете заредено тяло, например пръчка, към топката на електроскопа, зарядът ще премине през топката по проводяща нишка към венчелистчетата. Те ще получат еднакъв заряд и ще започнат да се отдалечават един от друг под ъгъл, пропорционален на приложеното количество електричество.

Електрометърът има същото основно устройство, но има малки разлики: едното венчелистче е фиксирано постоянно, а второто се простира от него и е снабдено със стрелка, която ви позволява да вземете показания от градуирана скала.

За да прехвърлите заряд от отдалечено, неподвижно и заредено тяло към електромер, можете да използвате междинни носители.

Измерванията, направени с електрометър, нямат висок класточност и на тяхна основа е трудно да се анализират силите, действащи между зарядите. Торсионните везни на Кулон са по-подходящи за тяхното изследване. Те използват топки с диаметри, значително по-малки от разстоянието им една от друга. Те имат свойствата на точкови заряди - заредени тела, чиито размери не влияят на точността на устройството.

Измерванията, извършени от Кулон, потвърдиха предположението му, че точковият заряд се прехвърля от заредено тяло към тяло със същите свойства и маса, но без заряд, по такъв начин, че да бъде равномерно разпределен между тях, намалявайки с коефициент 2 при източник. По този начин беше възможно да се намали количеството на таксата два, три или друг път.

Силите, които съществуват между неподвижни електрически заряди, се наричат ​​кулонови или статични взаимодействия. Те се изучават от електростатиката, която е един от клоновете на електродинамиката.

Видове носители на електрически заряд

Съвременната наука смята, че най-малката отрицателно заредена частица е електронът, а позитронът е най-малката положително заредена частица. Те имат еднаква маса 9,1·10-31 кг. Елементарната частица протон има само един положителен заряд и маса 1,7·10-27 kg. В природата броят на положителните и отрицателните заряди е балансиран.

В металите движението на електроните създава, а в полупроводниците носителите на неговите заряди са електрони и дупки.

В газовете токът се генерира от движението на йони - заредени неелементарни частици (атоми или молекули) с положителни заряди, наречени катиони или отрицателни заряди - аниони.

Йоните се образуват от неутрални частици.

Положителен заряд се създава от частица, която е загубила електрон под въздействието на мощен електрически разряд, светлина или излагане на радиация, вятър, движение на водни маси или редица други причини.

Отрицателните йони се образуват от неутрални частици, които допълнително са получили електрон.

Използване на йонизация в медицински целии ежедневието

Изследователите отдавна са забелязали способността отрицателни йонивлияят върху човешкото тяло, подобряват консумацията на кислород от въздуха, доставят го по-бързо до тъканите и клетките, ускоряват окисляването на серотонина. Всичко това заедно значително повишава имунитета, подобрява настроението и облекчава болката.

Първият йонизатор, използван за лечение на хора, се нарича Чижевски полилеи, в чест на съветския учен, създал устройство, което има благоприятен ефект върху човешкото здраве.

В съвременните домакински електроуреди можете да намерите вградени йонизатори в прахосмукачки, овлажнители, сешоари, сушилни...

Специални йонизатори за въздух пречистват въздуха и намаляват количеството прах и вредни примеси.

Йонизаторите на водата могат да намалят количеството на химическите реагенти в нейния състав. Използват се за почистване на басейни и езера, като насищат водата с медни или сребърни йони, които намаляват растежа на водорасли и унищожават вируси и бактерии.

Електрически заряд- Това физическо количество, което определя интензивността на електромагнитните взаимодействия. Електромагнитните взаимодействия са взаимодействия между заредени частици или тела.

Електрическите заряди се делят на положителни и отрицателни. Стабилните елементарни частици имат положителен заряд - протониИ позитрони, както и йони на метални атоми и др. Стабилни носители на отрицателен заряд са електронИ антипротон.

Има електрически незаредени частици, тоест неутрални: неутрон, неутрино. Тези частици не участват в електрически взаимодействия, тъй като техният електрически заряд равно на нула. Има частици без електрически заряд, но електрически заряд не съществува без частица.

На стъкло, протрито с коприна, положителни заряди. Ебонитът, натрит върху козината, има отрицателни заряди. Частиците се отблъскват, когато зарядите имат еднакви знаци ( обвинения със същото име), и кога различни знаци (за разлика от таксите) частиците се привличат.

Всички тела са изградени от атоми. Атомите се състоят от положително заредено атомно ядро ​​и отрицателно заредени електрони, които се движат около атомното ядро. Атомното ядро ​​се състои от положително заредени протони и неутрални частици - неутрони. Зарядите в атома са разпределени по такъв начин, че атомът като цяло е неутрален, тоест сумата от положителните и отрицателните заряди в атома е нула.

Електроните и протоните са част от всяко вещество и са най-малките стабилни елементарни частици. Тези частици могат да съществуват в свободно състояние неограничено време. Електрическият заряд на електрона и протона се нарича елементарен заряд.

Елементарно зареждане- Това минимално зареждане, което притежават всички заредени елементарни частици. Електрическият заряд на протона е равен на абсолютна стойностелектронен заряд:

E = 1,6021892(46) * 10 -19 С

Силите на взаимодействие между неподвижните заряди са право пропорционални на произведението на зарядните модули и обратно пропорционални на квадрата на разстоянието между тях:

Силите на взаимодействие се подчиняват на третия закон на Нютон: те са сили на отблъскване при идентични знацизаряди и сили на привличане с различни знаци (фиг. 1.1.3). Взаимодействието на неподвижни електрически заряди се нарича електростатичен или Кулон взаимодействие. Клонът на електродинамиката, който изучава взаимодействието на Кулон, се нарича електростатика .

Законът на Кулон е валиден за точково заредени тела. На практика законът на Кулон е добре изпълнен, ако размерите на заредените тела са много по-малки от разстоянието между тях.

Фактор на пропорционалност кв закона на Кулон зависи от избора на система от единици. IN Международна системаВзета е таксова единица SI висулка(Cl).

Висулкае заряд, преминаващ през напречното сечение на проводник за 1 s при ток от 1 A. Единицата за ток (ампер) в SI е, заедно с единиците за дължина, време и маса основна мерна единица.

Коефициент кв системата SI обикновено се записва като:

Опитът показва, че силите Кулоново взаимодействиесе подчиняват на принципа на суперпозицията.

Подобно на концепцията гравитационна масатяло в Нютоновата механика, концепцията за заряд в електродинамиката е първичната, основна концепция.

Електрически заряд е физическа величина, която характеризира свойството на частиците или телата да влизат в електромагнитни силови взаимодействия.

Електрическият заряд обикновено се представя с букви рили Q.

Съвкупността от всички известни експериментални факти ни позволява да направим следните изводи:

Има два вида електрически заряди, условно наречени положителни и отрицателни.

Зарядите могат да се прехвърлят (например чрез директен контакт) от едно тяло на друго. За разлика от телесната маса, електрическият заряд не е интегрална характеристика на дадено тяло. Същото тяло различни условияможе да има различен заряд.

Еднаквите заряди отблъскват, за разлика от зарядите привличат. Това също разкрива фундаментална разлика електромагнитни силиот гравитационните. Гравитационни силивинаги са сили на привличане.

Един от основните закони на природата е експериментално установеният закон за запазване на електрическия заряд .

В изолирана система алгебрична сумазарядите на всички тела остават постоянни:

р 1 + р 2 + р 3 + ... +рп= конст.

Законът за запазване на електрическия заряд гласи, че в затворена система от тела не могат да се наблюдават процеси на създаване или изчезване на заряди само с един знак.

СЪС модерна точкаОт наша гледна точка носителите на заряд са елементарни частици. Всички обикновени тела се състоят от атоми, които включват положително заредени протони, отрицателно заредени електрони и неутрални частици - неутрони. Протоните и неутроните са част от атомни ядра, образуват електрони електронна обвивкаатоми. Електрическите заряди на протона и електрона са напълно еднакви по големина и равни на елементарния заряд д.

В неутрален атом броят на протоните в ядрото е равен на броя на електроните в обвивката. Този номер се нарича атомно число . атом от това веществоможе да загуби един или повече електрони или да получи допълнителен електрон. В тези случаи неутралния атом се превръща в положително или отрицателно зареден йон.

Зарядът може да се прехвърля от едно тяло на друго само на части, съдържащи цяло число елементарни заряди. По този начин електрическият заряд на тялото е дискретна величина:

Физически величини, които могат да вземат само дискретна сериястойностите се наричат квантувано . Елементарно зареждане де квант ( най-малката порция) електрически заряд. Трябва да се отбележи, че в съвременна физикаелементарни частици се допуска съществуването на т. нар. кварки - частици с дробен заряд и Все още обаче кварките не са наблюдавани в свободно състояние.

В обикновени лабораторни опитиизползвани за откриване и измерване на електрически заряди електромер ( или електроскоп) - устройство, състоящо се от метален прът и показалец, който може да се върти около хоризонтална ос (фиг. 1.1.1). Прътът на стрелата е изолиран от металното тяло. Когато заредено тяло влезе в контакт с пръта на електрометъра, електрическите заряди от същия знак се разпределят върху пръта и показалеца. Електрическите сили на отблъскване карат иглата да се завърти под определен ъгъл, по който може да се прецени зарядът, прехвърлен към пръта на електрометъра.

Електрометърът е доста груб инструмент; не позволява да се изследват силите на взаимодействие между зарядите. Законът за взаимодействие на стационарни заряди е открит за първи път от френския физик Чарлз Кулон през 1785 г. В своите експерименти Кулон измерва силите на привличане и отблъскване на заредени топки с помощта на проектирано от него устройство - торсионна везна (фиг. 1.1.2) , което беше изключително различно висока чувствителност. Например везната се завърта на 1° под въздействието на сила от порядъка на 10 -9 N.

Идеята за измерванията се основава на брилянтното предположение на Кулон, че ако заредена топка бъде поставена в контакт с точно същата незаредена, тогава зарядът на първата ще бъде разделен поравно между тях. Така беше посочен начин за промяна на заряда на топката два, три и т.н. пъти. В експериментите на Кулон е измерено взаимодействието между топки, чиито размери са много по-малки от разстоянието между тях. Такива заредени тела обикновено се наричат точкови такси.

Точков заряд наречено заредено тяло, чиито размери могат да бъдат пренебрегнати в условията на тази задача.

Въз основа на множество експерименти Кулон установява следния закон:

Силите на взаимодействие между неподвижните заряди са право пропорционални на произведението на зарядните модули и обратно пропорционални на квадрата на разстоянието между тях:

Силите на взаимодействие се подчиняват на третия закон на Нютон:

Те са сили на отблъскване с еднакви знаци на зарядите и сили на привличане с различни знаци (фиг. 1.1.3). Взаимодействието на неподвижни електрически заряди се нарича електростатичен или Кулон взаимодействие. Клонът на електродинамиката, който изучава взаимодействието на Кулон, се нарича електростатика .

Законът на Кулон е валиден за точково заредени тела. На практика законът на Кулон е добре изпълнен, ако размерите на заредените тела са много по-малки от разстоянието между тях.

Фактор на пропорционалност кв закона на Кулон зависи от избора на система от единици. В Международната система SI единицата за такса се приема за висулка(Cl).

Висулка е заряд, преминаващ за 1 s през напречното сечение на проводник при сила на тока от 1 A. Единицата за ток (ампер) в SI е, заедно с единиците за дължина, време и маса основна мерна единица.

Коефициент кв системата SI обикновено се записва като:

Къде - електрическа константа .

В системата SI, елементарният заряд дравно на:

Опитът показва, че силите на взаимодействие на Кулон се подчиняват на принципа на суперпозицията:

Ако заредено тяло взаимодейства едновременно с няколко заредени тела, тогава резултантната сила, действаща върху това тяло, е равна на векторна сумасили, действащи на това тяло от всички други заредени тела.

ориз. 1.1.4 обяснява принципа на суперпозицията на примера на електростатичното взаимодействие на три заредени тела.

Принципът на суперпозицията е основен закон на природата. Използването му обаче изисква известна предпазливост, когато ние говорим заза взаимодействието на заредени тела с крайни размери (например две проводящи заредени топки 1 и 2). Ако трета заредена топка се доведе до система от две заредени топки, тогава взаимодействието между 1 и 2 ще се промени поради преразпределение на заряда.

Принципът на суперпозицията гласи, че когато дадено (фиксирано) разпределение на зарядана всички тела, силите на електростатично взаимодействие между които и да е две тела не зависят от наличието на други заредени тела.

Като окачите леки топки от фолио на две нишки и докоснете всяка от тях със стъклена пръчка, натъркана върху коприна, можете да видите, че топките ще се отблъскват. Ако след това докоснете едната топка със стъклена пръчка, натъркана върху коприна, а другата с ебонитна пръчка, натъркана върху козина, топките ще се привличат една друга. Това означава, че стъклените и ебонитните пръчки, когато се трият, придобиват заряди с различни знаци , т.е. съществуват в природата два вида електрически зарядиимайки противоположни знаци: положителни и отрицателни. Съгласихме се да приемем, че стъклена пръчка, натрита върху коприна, придобива положителен заряд , и ебонитова пръчка, натъркана върху козина, придобива отрицателен заряд .

От описания опит следва още, че заредените тела взаимодействат помежду си. Това взаимодействие на зарядите се нарича електрическо. В същото време такси със същото име, тези. заряди с еднакъв знак , отблъскват се взаимно и за разлика от зарядите се привличат.

Устройството се основава на явлението отблъскване на еднакво заредени тела електроскоп- устройство, което ви позволява да определите дали дадено тяло е заредено и електрометър, устройство, което ви позволява да оцените стойността на електрическия заряд.

Ако докоснете пръта на електроскоп със заредено тяло, листата на електроскопа ще се разпръснат, тъй като ще придобият заряд със същия знак. Същото ще се случи и със стрелката на електрометър, ако докоснете пръчката му със заредено тяло. В този случай, колкото по-голям е зарядът, толкова по-голям е ъгълът, под който стрелката ще се отклони от пръта.

от прости експериментиот това следва, че силата на взаимодействие между заредените тела може да бъде по-голяма или по-малка в зависимост от количеството придобит заряд. По този начин можем да кажем, че електрическият заряд, от една страна, характеризира способността на тялото да електрическо взаимодействие, а от друга страна, е величина, която определя интензивността на това взаимодействие.

Таксата се обозначава с буквата р , взети като единица заряд висулка: [р ] = 1 Cl.

Ако докоснете един електрометър със заредена пръчка и след това свържете този електрометър с метална пръчка към друг електрометър, тогава зарядът на първия електрометър ще бъде разделен между двата електрометъра. След това можете да свържете електрометъра към още няколко електрометъра и зарядът ще бъде разделен между тях. По този начин електрическият заряд има свойство на делимост . Границата на делимост на заряда, т.е. най-малкият заряд, съществуващ в природата, е зарядът електрон. Зарядът на електрона е отрицателен и равен на 1.6*10 -19 Cl. Всеки друг заряд е кратен на заряда на електрона.

И. В. Яковлев | Материали по физика | MathUs.ru

Електродинамика

Това ръководство е посветено на третия раздел „Електродинамика“ на кодификатора на Единния държавен изпит по физика. Той обхваща следните теми.

Електрификация на тела. Взаимодействие на зарядите. Два вида заряд. Закон за запазване на електрическия заряд. Закон на Кулон.

Действие електрическо полекъм електрически заряди. Сила на електрическото поле. Принципът на суперпозиция на електрическите полета.

Потенциалност електростатично поле. Потенциал на електрическото поле. Напрежение (потенциална разлика).

Проводници в електрическо поле. Диелектрици в електрическо поле.

Електрически капацитет. Кондензатор. Енергия на електрическото поле на кондензатор.

Постоянен електрически ток. Текуща сила. Напрежение. Електрическо съпротивление. Закон на Ом за участък от верига.

Паралелно и последователно свързване на проводници. Смесено свързване на проводници.

работа електрически ток. Закон на Джаул-Ленц. Сила на електрически ток.

Електродвижеща сила. Вътрешно съпротивление на източника на ток. Законът на Ом за пълен електрическа верига.

Носители на свободни електрически заряди в метали, течности и газове.

полупроводници. Собствена и примесна проводимост на полупроводниците.

Взаимодействие на магнитите. Магнитно поле на проводник с ток. Амперна мощност. Сила на Лоренц.

Феномен електромагнитна индукция. Магнитен поток. Законът на Фарадей за електромагнитната индукция. Правилото на Ленц.

Самоиндукция. Индуктивност. енергия магнитно поле.

Наличен електромагнитни вибрации. Осцилаторна верига. Принудени електромагнитни трептения. Резонанс. Хармонични електромагнитни трептения.

AC. Производство, пренос и потребление на електрическа енергия.

Електромагнитно поле.

Свойства електромагнитни вълни. Различни видовеелектромагнитно излъчване и неговото приложение.

Ръководството също съдържа някои допълнителен материал, не са включени в Кодификатор за единен държавен изпит(но включен в училищна програма!). Този материал ви позволява да разберете по-добре разглежданите теми.

1.2 Електрификация на тела . . . . . . . 7

2.1 Принцип на суперпозиция . 11

2.2 Закон на Кулон в диелектриците . . 12

3.1 Далечни и къси разстояния 13

3.2 Електрическо поле . . 13

3.3 Сила на полето на точков заряд 14

3.4 Принципът на суперпозиция на електрическите полета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.5 Поле на равномерно заредена равнина. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.6 Линии на електрическо поле. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.1 Консервативни сили. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.2 Потенциал на електростатичното поле. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.3 Потенциална енергия на заряд в еднородно поле. . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.6 Потенциална разлика. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.7 Принцип на суперпозиция за потенциали. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.8 Хомогенно поле: връзката между напрежение и интензитет. . . . . . . . . . . . . . . . 24

5.2 Заряд вътре в проводник. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.1 Диелектрична проницаемост. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6.2 Полярни диелектрици. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6.3 Неполярни диелектрици. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

7.1 Капацитет на отделен проводник. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

7.2 Капацитет на кондензатор с паралелни пластини. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7.3 Енергия на зареден кондензатор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

7.4 Енергия на електрическото поле. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

8.1 Посока на електрическия ток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

8.2 Действие на електрически ток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

8.5 Стационарно електрическо поле. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

9 Закон на Ом

9.1 Закон на Ом за участък от верига. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

9.2 Електрическо съпротивление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

		Съпротивление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Свързване на проводници
		Резистори и проводници. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Серийна връзка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Паралелна връзка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Смесена връзка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Работна и текуща мощност

11.1 Текуща работа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

11.2 Текуща мощност. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

11.3 Закон на Джаул-Ленц. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

12.3 Ефективност на електрическата верига. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

12.4 Закон на Ом за разнородна област. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

13.1 Свободни електрони. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

13.2 Експериментът на Rikke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

14.1 Електролитна дисоциация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

14.2 Йонна проводимост. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

14.3 Електролиза. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

15.1 Безплатни такси за газ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

15.2 Несамостоятелно изпразване. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

16.1 Ковалентна връзка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

16.2 Кристална структура на силиций. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

16.3 Самопроводимост. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

16.4 Примесна проводимост. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

16.5 p–n преход. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

17.1 Магнитно взаимодействие. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

17.2 Линии на магнитното поле. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

17.5 Магнитно поле на намотка с ток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

17.6 Магнитно поле на токова намотка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

		Хипотезата на Ампер. Елементарни токове . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Магнитно поле. правомощия
		Сила на Лоренц. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Амперна мощност. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Рамка с ток в магнитно поле. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Електромагнитна индукция
		Магнитен поток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19.2 Едс на индукция. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

19.3 Законът на Фарадей за електромагнитната индукция. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

19.4 Правилото на Ленц. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

19.7 Вихрово електрическо поле. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

19.8 ЕДС на индукция в движещ се проводник. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

	Самоиндукция
		Индуктивност. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
		Електромеханична аналогия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Енергия на магнитното поле. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
	Електромагнитни вибрации
		Осцилаторна верига. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Енергийни трансформации в колебателен кръг. . . . . . . . . . . . . . .
		Електромеханични аналогии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21.4 Хармоничен закон на трептенията във верига. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

21.5 Принудени електромагнитни трептения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

	AC. 1
		Квазистационарно състояние. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Резистор във верига AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
		Кондензатор в AC верига. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Намотка в AC верига. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
	AC. 2
		Метод спомагателен ъгъл . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Осцилационен кръг с резистор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Резонанс в колебателния кръг. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	AC захранване

24.1 Текуща мощност през резистор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

24.2 Токова мощност през кондензатора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

24.3 Текуща мощност през бобината. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

26.1 Хипотезата на Максуел. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

26.2 Концепция електромагнитно поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

27.1 Отворете колебателен кръг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

27.2 Свойства на електромагнитните вълни. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

27.3 Плътност на радиационния поток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

27.4 Видове електромагнитно излъчване. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

1 Електрически заряд

Електромагнитните взаимодействия са сред най-много фундаментални взаимодействияв природата. Силите на еластичност и триене, налягането на течността и газа и много други могат да бъдат сведени до електромагнитни сили между частиците на материята. Самите електромагнитни взаимодействия вече не се свеждат до други, по-дълбоки видове взаимодействия.

Еднакво основен типвзаимодействието е гравитацията, гравитационното привличане на всеки две тела. Има обаче няколко важни разлики между електромагнитните и гравитационните взаимодействия.

1. Не всеки може да участва в електромагнитни взаимодействия, а само заредените.

тела (имащи електрически заряд).

2. Гравитационното взаимодействие винаги е привличане на едно тяло към друго. Електромагнитните взаимодействия могат да бъдат или привлекателни, или отблъскващи.

3. Електромагнитното взаимодействие е много по-интензивно от гравитационното взаимодействие. Например силата на електрическо отблъскване на два електрона е 10 42 пъти тяхната сила гравитационно привличанеедин към друг.

Всяко заредено тяло има определен електрически заряд q. Електрическият заряд е физична величина, която определя силата електромагнитно взаимодействиемежду природни обекти. Единицата за заряд е кулон (C)1.

1.1 Два вида заряд

Тъй като гравитационно взаимодействиевинаги е привличане, масите на всички тела са неотрицателни. Но това не е вярно за таксите. Удобно е да се опишат два вида електромагнитно взаимодействие, привличане и отблъскване, като се въведат два вида електрически заряди: положителни и отрицателни.

Зарядите с различни знаци се привличат, а зарядите с един и същи знак се отблъскват. Това е илюстрирано на фиг. 1 ; Топките, окачени на нишки, получават заряди с един или друг знак.

ориз. 1. Взаимодействие на два вида заряди

Широкото проявление на електромагнитните сили се обяснява с факта, че атомите на всяко вещество съдържат заредени частици: ядрото на атома съдържа положително заредени протони, а отрицателно заредените електрони се движат по орбити около ядрото. Зарядите на протона и електрона са равни по големина, а броят на протоните в ядрото е равен на броя на електроните в орбитите и следователно се оказва, че атомът като цяло е електрически неутрален. Ето защо в нормални условияне забелязваме електромагнитно влияниеот другите

1 Таксовата единица се определя чрез текущата единица. 1 C е зарядът, преминаващ през напречното сечение на проводник за 1 s при ток 1 A.

тела: общият заряд на всяко от тях е нула, а заредените частици са равномерно разпределени в целия обем на тялото. Но ако електрическата неутралност е нарушена (например в резултат на електрификация), тялото веднага започва да действа върху околните заредени частици.

Защо има точно два вида електрически заряди, а не някакъв друг брой от тях в моментане е известно. Можем само да твърдим, че приемането на този факт като основен дава адекватно описание на електромагнитните взаимодействия.

Зарядът на протона е 1,6 10 19 C. Зарядът на електрона е с противоположен знак и е равен на

1;6 10 19 Кл. величина

e = 1;6 10 19 Cl

наречен елементарен заряд. Това е минималният възможен заряд: в експериментите не са открити свободни частици с по-малък заряд. Физиката все още не може да обясни защо природата има най-малкия заряд и защо неговата величина е точно такава.

Зарядът на всяко тяло q винаги се състои от цяло число елементарни заряди:

Ако q< 0, то тело имеет избыточное количество N электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же q >0, тогава напротив, на тялото липсват електрони: има още N протона.

1.2 Електрификация на тела

За да упражнява едно макроскопично тяло електрическо влияниекъм други тела, той трябва да бъде електрифициран. Електрификацията е нарушение на електрическата неутралност на тялото или неговите части. В резултат на наелектризирането тялото става способно на електромагнитни взаимодействия.

Един от начините за наелектризиране на тялото е да му се даде електрически заряд, тоест да се постигне излишък в това тялозаряди с еднакъв знак. Това е лесно да се направи с помощта на триене.

И така, когато стъклена пръчка се натърка с коприна, част от нейните отрицателни заряди отива към коприната. В резултат пръчката става положително заредена, а коприната – отрицателно. Но при триене на ебонитна пръчка с вълна част от отрицателните заряди се прехвърлят от вълната на пръчката: пръчката се зарежда отрицателно, а вълната се зарежда положително.

Този метод за наелектризиране на телата се нарича наелектризиране чрез триене. Срещате наелектризирано триене всеки път, когато свалите пуловер през главата си ;-)

Друг вид наелектризиране се нарича електростатична индукция или наелектризиране чрез влияние. В този случай общият заряд на тялото остава равно на нула, но се преразпределя така, че положителните заряди се натрупват в някои части на тялото, а отрицателните заряди в други.

ориз. 2. Електростатична индукция

Нека да разгледаме фиг. 2. На известно разстояние от металното тяло има положителен заряд q. Той привлича отрицателни заряди на метала ( свободни електрони), които се натрупват върху областите от повърхността на тялото, които са най-близо до заряда. включено далечни областиостават некомпенсирани положителни заряди.

Въпреки факта, че общият заряд на металното тяло остава равен на нула, в тялото настъпва пространствено разделяне на зарядите. Ако сега разделим тялото по пунктираната линия, тогава дясната половина ще бъде заредена отрицателно, а лявата половина ще бъде заредена положително.

Можете да наблюдавате наелектризирането на тялото с помощта на електроскоп. Прост електроскоп е показан2 на фиг.3.

ориз. 3. Електроскоп

Какво се случва в в този случай? Положително заредена пръчка (например, предварително натъркана) се довежда до диска на електроскопа и събира отрицателен заряд върху него. Отдолу, върху движещите се листа на електроскопа, остават некомпенсирани положителни заряди; отблъсквайки се един от друг, листата се разделят на различни страни. Ако премахнете пръчката, зарядите ще се върнат на мястото си и листата ще паднат обратно.

Феномен електростатична индукциянаблюдавани в голям мащаб по време на гръмотевични бури. На фиг. 4 виждаме гръмотевичен облак, преминаващ над земята3.

ориз. 4. Електрификация на земята от гръмотевичен облак

В облака има парчета лед различни размери, които се смесват от издигащи се въздушни течения, сблъскват се помежду си и се наелектризират. Оказва се, че в дъното на облака се натрупва отрицателен заряд, а в горната - положителен.

Отрицателно зареден долна частоблаците предизвикват положителни заряди на повърхността на земята под тях. Появява се гигантски кондензатор с колосално напрежение

2 Изображение от en.wikipedia.org.

3 Изображение от elementy.ru.

между облака и земята. Ако това напрежение е достатъчно, за да разруши въздушната междина, тогава ще се получи добре познатото мълниеносно разреждане.

1.3 Закон за запазване на заряда

Нека се върнем към примера за наелектризиране чрез триене чрез триене на пръчка с кърпа. В този случай пръчката и парчето плат придобиват еднакви по големина и противоположни по знак заряди. Общият им заряд е бил равен на нула преди взаимодействието и остава равен на нула след взаимодействието.

Тук виждаме закона за запазване на заряда, който гласи: в затворена система от тела алгебричната сума на зарядите остава непроменена по време на всички процеси, протичащи с тези тела:

q1 + q2 + : : : + qn = const:

Затвореността на система от тела означава, че тези тела могат да обменят заряди само помежду си, но не и с други обекти, външни за тази система.

Когато електрифицирате пръчка, няма нищо изненадващо в запазването на заряда: колкото заредени частици са напуснали пръчката, толкова са дошли до парчето плат (или обратното). Изненадващо е, че в повече сложни процеси, придружено от взаимни трансформации на елементарни частици и промяна в броя на заредените частици в системата, общият заряд все още се запазва!

Например на фиг. 5 показва процеса! e + e+ , при което частта електромагнитно излъчване(така нареченият фотон) се превръща в две заредени частици електрон e и позитрон e+. Такъв процес се оказва възможен при определени условия, например в електрическото поле на атомното ядро.

ориз. 5. Раждане на двойка електрон-позитрон

Зарядът на позитрона е равен по големина на заряда на електрона и е противоположен по знак. Законът за запазване на заряда е изпълнен! Наистина, в началото на процеса имахме фотон, чийто заряд беше нула, а в края получихме две частици с общ заряд нула.

Законът за запазване на заряда (заедно със съществуването на най-малкия елементарен заряд) в момента е основният научен факт. Физиците все още не са успели да обяснят защо природата се държи по този начин, а не по друг начин. Можем само да кажем, че тези факти се потвърждават от множество физически експерименти.