Fysiske processer, der forekommer i naturen, forklares ikke altid af lovene for molekylær kinetisk teori, mekanik eller termodynamik. Der er også elektromagnetiske kræfter, der virker på afstand og ikke afhænger af kroppens masse.

Deres manifestationer blev først beskrevet i oldtidens græske videnskabsmænds værker, da de tiltrak lette, små partikler af individuelle stoffer med rav gnidet på uld.

Historisk bidrag fra videnskabsmænd til udviklingen af ​​elektrodynamik

Eksperimenter med rav blev undersøgt i detaljer af en engelsk forsker William Gilbert. I de sidste år af det 16. århundrede lavede han en rapport om sit arbejde og udpegede genstande, der var i stand til at tiltrække andre kroppe på afstand, med udtrykket "elektrificeret".

Den franske fysiker Charles Dufay bestemte eksistensen af ​​ladninger med modsatte fortegn: nogle blev dannet ved friktion af glasgenstande på silkestof, og andre af harpiks på uld. Det var, hvad han kaldte dem: glas og harpiks. Efter at have afsluttet undersøgelsen Benjamin Franklin Begrebet negative og positive ladninger blev introduceret.

Charles Coulomb indså muligheden for at måle kraften af ​​ladninger med designet af torsionsbalancer ifølge sin egen opfindelse.

Robert Millikan, baseret på en række eksperimenter, fastslog den diskrete karakter af de elektriske ladninger af ethvert stof, hvilket beviste, at de består af et vist antal elementarpartikler. (Ikke at forveksle med et andet koncept af dette udtryk - fragmentering, diskontinuitet.)

Disse videnskabsmænds værker tjente som grundlaget for moderne viden om de processer og fænomener, der forekommer i elektriske og magnetiske felter skabt af elektriske ladninger og deres bevægelse, studeret af elektrodynamik.

Definition af ladninger og principper for deres interaktion

Elektrisk ladning karakteriserer egenskaberne af stoffer, der giver dem evnen til at skabe elektriske felter og interagere i elektromagnetiske processer. Det kaldes også mængden af ​​elektricitet og defineres som en fysisk skalær størrelse. For at betegne ladning bruges symbolerne "q" eller "Q", og i målinger bruger de "Coulomb"-enheden, opkaldt efter den franske videnskabsmand, der udviklede en unik teknik.

Han skabte en enhed, hvis krop brugte bolde suspenderet på en tynd tråd af kvarts. De var orienteret i rummet på en bestemt måde, og deres position blev registreret i forhold til en gradueret skala med lige store inddelinger.

Gennem et specielt hul i låget blev en anden bold med en ekstra ladning bragt til disse bolde. De nye vekselvirkningskræfter fik boldene til at afbøje og dreje deres vippearm. Størrelsen af ​​forskellen i aflæsninger på skalaen før og efter indførelsen af ​​en ladning gjorde det muligt at estimere mængden af ​​elektricitet i testprøverne.

En ladning på 1 coulomb er karakteriseret i SI-systemet ved, at en strøm på 1 ampere passerer gennem tværsnittet af en leder i en tid svarende til 1 sekund.

Moderne elektrodynamik opdeler alle elektriske ladninger i:

positiv;

negativ.

Når de interagerer med hinanden, udvikler de kræfter, hvis retning afhænger af den eksisterende polaritet.

Ladninger af samme type, positive eller negative, afviser altid i modsatte retninger og forsøger at bevæge sig så langt væk fra hinanden som muligt. Og ladninger af modsatte tegn har kræfter, der har tendens til at bringe dem tættere sammen og forene dem i én helhed.

Superpositionsprincip

Når der er flere ladninger i et bestemt volumen, gælder superpositionsprincippet for dem.

Dens betydning er, at hver ladning på en bestemt måde, ifølge metoden diskuteret ovenfor, interagerer med alle de andre, bliver tiltrukket af dem af forskellige typer og frastødt af dem af samme type. For eksempel påvirkes en positiv ladning q1 af tiltrækningskraften F31 til den negative ladning q3 og frastødningskraften F21 fra q2.

Den resulterende kraft F1, der virker på q1, bestemmes af den geometriske addition af vektorerne F31 og F21. (F1= F31+ F21).

Den samme metode bruges til at bestemme de resulterende kræfter F2 og F3 på ladninger henholdsvis q2 og q3.

Ved hjælp af superpositionsprincippet blev det konkluderet, at for et vist antal ladninger i et lukket system virker stabile elektrostatiske kræfter mellem alle dets legemer, og potentialet på ethvert specifikt punkt i dette rum er lig med summen af ​​potentialerne fra alle individuelt anvendte gebyrer.

Virkningen af ​​disse love bekræftes af de oprettede enheder elektroskop og elektrometer, som har et generelt driftsprincip.

Et elektroskop består af to identiske blade af tynd folie ophængt i et isoleret rum af en ledende tråd fastgjort til en metalkugle. I normal tilstand virker ladninger ikke på denne bold, så kronbladene hænger frit i rummet inde i enhedens pære.

Hvordan kan afgift overføres mellem organer?

Hvis du bringer et ladet legeme, for eksempel en pind, til elektroskopkuglen, vil ladningen passere gennem bolden langs en ledende tråd til kronbladene. De vil modtage den samme ladning og begynder at bevæge sig væk fra hinanden med en vinkel, der er proportional med den anvendte mængde elektricitet.

Elektrometeret har den samme grundlæggende enhed, men det har små forskelle: et kronblad er fastgjort permanent, og det andet strækker sig fra det og er udstyret med en pil, der giver dig mulighed for at tage en læsning fra en gradueret skala.

For at overføre ladning fra et fjerntliggende, stationært og opladet legeme til et elektrometer kan du bruge mellemliggende bærere.

Målinger foretaget med et elektrometer har ikke en høj nøjagtighedsklasse, og på grundlag heraf er det vanskeligt at analysere de kræfter, der virker mellem ladninger. Coulomb torsionsvægte er mere velegnede til deres undersøgelse. De bruger bolde med diametre, der er væsentligt mindre end deres afstand fra hinanden. De har egenskaberne af punktladninger - ladede kroppe, hvis dimensioner ikke påvirker enhedens nøjagtighed.

Målinger udført af Coulomb bekræftede hans gæt om, at en punktladning overføres fra et ladet legeme til et legeme med samme egenskaber og masse, men uladet, på en sådan måde, at det er jævnt fordelt mellem dem, faldende med en faktor 2 ved kilde. På denne måde var det muligt at reducere opladningsmængden med to, tre eller andre gange.

De kræfter, der eksisterer mellem stationære elektriske ladninger, kaldes Coulomb eller statisk interaktion. De studeres af elektrostatik, som er en af ​​grenene af elektrodynamikken.

Typer af elektriske ladningsbærere

Moderne videnskab anser den mindste negativt ladede partikel for at være elektronen, og positronen for at være den mindste positivt ladede partikel. De har samme masse 9,1·10-31 kg. Elementarpartikelprotonen har kun én positiv ladning og en masse på 1,7·10-27 kg. I naturen er antallet af positive og negative ladninger afbalanceret.

I metaller skaber bevægelsen af ​​elektroner, og i halvledere er bærerne af dets ladninger elektroner og huller.

I gasser genereres strøm ved bevægelse af ioner - ladede ikke-elementære partikler (atomer eller molekyler) med positive ladninger, kaldet kationer eller negative ladninger - anioner.

Ioner dannes af neutrale partikler.

En positiv ladning skabes af en partikel, der har mistet en elektron under påvirkning af en kraftig elektrisk udladning, lys eller radioaktiv bestråling, vindstrøm, bevægelse af vandmasser eller en række andre årsager.

Negative ioner dannes af neutrale partikler, der desuden har modtaget en elektron.

Brug af ionisering til medicinske formål og hverdagsliv

Forskere har længe bemærket negative ioners evne til at påvirke den menneskelige krop, forbedre forbruget af ilt i luften, levere det hurtigere til væv og celler og fremskynde oxidationen af ​​serotonin. Alt dette sammen forbedrer immuniteten betydeligt, forbedrer humøret og lindrer smerter.

Den første ionisator, der blev brugt til at behandle mennesker, blev kaldt Chizhevsky lysekroner, til ære for den sovjetiske videnskabsmand, der skabte en enhed, der har en gavnlig effekt på menneskers sundhed.

I moderne elektriske husholdningsapparater kan du finde indbyggede ionisatorer i støvsugere, luftfugtere, hårtørrere, tørretumblere...

Særlige luftionisatorer renser luften og reducerer mængden af ​​støv og skadelige urenheder.

Vandionisatorer kan reducere mængden af ​​kemiske reagenser i dens sammensætning. De bruges til at rense bassiner og damme og mætte vandet med kobber- eller sølvioner, som reducerer væksten af ​​alger og ødelægger vira og bakterier.

Elektrisk ladning er en fysisk størrelse, der bestemmer intensiteten af ​​elektromagnetiske interaktioner. Elektromagnetiske interaktioner er interaktioner mellem ladede partikler eller legemer.

Elektriske ladninger er opdelt i positive og negative. Stabile elementarpartikler har en positiv ladning - protoner Og positroner, samt ioner af metalatomer mv. Stabile negative ladningsbærere er elektron Og antiproton.

Der er elektrisk uladede partikler, det vil sige neutrale: neutron, neutrino. Disse partikler deltager ikke i elektriske vekselvirkninger, da deres elektriske ladning er nul. Der er partikler uden en elektrisk ladning, men en elektrisk ladning eksisterer ikke uden en partikel.

Positive ladninger vises på glas gnidet med silke. Ebonit, der gnides på pels, har negative ladninger. Partikler frastøder, når ladninger har de samme tegn ( sigtelser af samme navn), og med forskellige tegn ( i modsætning til afgifter) partikler tiltrækkes.

Alle legemer er lavet af atomer. Atomer består af en positivt ladet atomkerne og negativt ladede elektroner, der bevæger sig rundt om atomkernen. Atomkernen består af positivt ladede protoner og neutrale partikler - neutroner. Ladningerne i et atom er fordelt på en sådan måde, at atomet som helhed er neutralt, det vil sige, at summen af ​​de positive og negative ladninger i atomet er nul.

Elektroner og protoner er en del af ethvert stof og er de mindste stabile elementarpartikler. Disse partikler kan eksistere i en fri tilstand i ubegrænset tid. Den elektriske ladning af en elektron og en proton kaldes den elementære ladning.

Elementær ladning- dette er den mindste ladning, som alle ladede elementarpartikler har. Den elektriske ladning af en proton er i absolut værdi lig med ladningen af ​​en elektron:

E = 1,6021892(46) * 10-19 C

Interaktionskræfterne mellem stationære ladninger er direkte proportionale med produktet af ladningsmodulerne og omvendt proportional med kvadratet på afstanden mellem dem:

Interaktionskræfter adlyder Newtons tredje lov: De er frastødende kræfter med de samme tegn på ladninger og tiltrækningskræfter med forskellige fortegn (fig. 1.1.3). Interaktionen mellem stationære elektriske ladninger kaldes elektrostatisk eller Coulomb interaktion. Den gren af ​​elektrodynamik, der studerer Coulomb-interaktionen, kaldes elektrostatik .

Coulombs lov er gyldig for punktladede organer. I praksis er Coulombs lov godt tilfreds, hvis størrelsen af ​​ladede legemer er meget mindre end afstanden mellem dem.

Proportionalitetsfaktor k i Coulombs lov afhænger af valget af system af enheder. I det internationale SI-system anses afgiftsenheden for at være vedhæng(Cl).

Vedhæng er en ladning, der passerer gennem tværsnittet af en leder på 1 s ved en strøm på 1 A. Enheden for strøm (ampere) i SI er sammen med enheder for længde, tid og masse grundlæggende måleenhed.

Koefficient k i SI-systemet skrives det normalt som:

Erfaring viser, at Coulomb-interaktionskræfterne adlyder superpositionsprincippet.

Ligesom begrebet gravitationsmasse af et legeme i newtonsk mekanik, er begrebet ladning i elektrodynamik det primære, grundlæggende begreb.

Elektrisk ladning er en fysisk størrelse, der karakteriserer partiklers eller legemers egenskab til at indgå i elektromagnetiske kraftinteraktioner.

Elektrisk ladning er normalt repræsenteret af bogstaverne q eller Q.

Helheden af ​​alle kendte eksperimentelle fakta giver os mulighed for at drage følgende konklusioner:

Der er to typer elektriske ladninger, konventionelt kaldet positive og negative.

Afgifter kan overføres (for eksempel ved direkte kontakt) fra en krop til en anden. I modsætning til kropsmasse er elektrisk ladning ikke en integreret egenskab for en given krop. Den samme krop under forskellige forhold kan have en anden ladning.

Ligesom ladninger frastøder, i modsætning til ladninger tiltrækker. Dette afslører også den grundlæggende forskel mellem elektromagnetiske kræfter og tyngdekraften. Gravitationskræfter er altid tiltrækkende kræfter.

En af de grundlæggende naturlove er den eksperimentelt etablerede loven om bevarelse af elektrisk ladning .

I et isoleret system forbliver den algebraiske sum af ladningerne af alle legemer konstant:

q 1 + q 2 + q 3 + ... +qn= konst.

Loven om bevarelse af elektrisk ladning siger, at i et lukket system af kroppe kan processer med skabelse eller forsvinden af ​​ladninger af kun ét tegn ikke observeres.

Fra et moderne synspunkt er ladningsbærere elementære partikler. Alle almindelige legemer består af atomer, som omfatter positivt ladede protoner, negativt ladede elektroner og neutrale partikler – neutroner. Protoner og neutroner er en del af atomkerner, elektroner danner atomernes elektronskal. De elektriske ladninger af en proton og en elektron er nøjagtig den samme i størrelse og lig med den elementære ladning e.

I et neutralt atom er antallet af protoner i kernen lig med antallet af elektroner i skallen. Dette nummer kaldes Atom nummer . Et atom af et givet stof kan miste en eller flere elektroner eller få en ekstra elektron. I disse tilfælde bliver det neutrale atom til en positivt eller negativt ladet ion.

Ladning kan kun overføres fra en krop til en anden i portioner, der indeholder et helt antal elementære ladninger. Således er den elektriske ladning af et legeme en diskret størrelse:

Fysiske størrelser, der kun kan tage en diskret række af værdier, kaldes kvantiseret . Elementær ladning e er en kvante (mindste del) af elektrisk ladning. Det skal bemærkes, at i moderne fysik af elementarpartikler antages eksistensen af ​​såkaldte kvarker - partikler med en fraktioneret ladning og kvarker er dog endnu ikke blevet observeret i en fri tilstand.

I almindelige laboratorieforsøg, en elektrometer ( eller elektroskop) - en anordning bestående af en metalstang og en viser, der kan dreje rundt om en vandret akse (fig. 1.1.1). Pilestangen er isoleret fra metallegemet. Når et ladet legeme kommer i kontakt med elektrometerstangen, fordeles elektriske ladninger af samme tegn over stangen og viseren. Elektriske frastødningskræfter får nålen til at rotere gennem en bestemt vinkel, hvorved man kan bedømme ladningen, der overføres til elektrometerstangen.

Elektrometeret er et ret råt instrument; det tillader ikke, at man studerer kræfterne i samspil mellem ladninger. Loven om vekselvirkning af stationære ladninger blev først opdaget af den franske fysiker Charles Coulomb i 1785. I sine eksperimenter målte Coulomb tiltræknings- og frastødningskræfterne af ladede kugler ved hjælp af et apparat, han designede - en torsionsbalance (fig. 1.1.2). , som var kendetegnet ved ekstrem høj følsomhed. For eksempel blev balancestrålen roteret 1° under påvirkning af en kraft af størrelsesordenen 10 -9 N.

Ideen med målingerne var baseret på Coulombs geniale gæt om, at hvis en ladet bold bringes i kontakt med nøjagtig den samme uladede, så vil ladningen af ​​den første blive delt ligeligt mellem dem. Der blev således angivet en måde at ændre boldens ladning med to, tre osv. gange. I Coulombs eksperimenter blev interaktionen mellem kugler, hvis dimensioner var meget mindre end afstanden mellem dem, målt. Sådanne ladede kroppe kaldes normalt punktafgifter.

Punktafgift kaldet et ladet legeme, hvis dimensioner kan negligeres under betingelserne for dette problem.

Baseret på adskillige eksperimenter etablerede Coulomb følgende lov:

Interaktionskræfterne mellem stationære ladninger er direkte proportionale med produktet af ladningsmodulerne og omvendt proportional med kvadratet på afstanden mellem dem:

Interaktionskræfter adlyder Newtons tredje lov:

De er frastødende kræfter med de samme tegn på ladninger og tiltrækningskræfter med forskellige fortegn (fig. 1.1.3). Interaktionen mellem stationære elektriske ladninger kaldes elektrostatisk eller Coulomb interaktion. Den gren af ​​elektrodynamik, der studerer Coulomb-interaktionen, kaldes elektrostatik .

Coulombs lov er gyldig for punktladede organer. I praksis er Coulombs lov godt tilfreds, hvis størrelsen af ​​ladede legemer er meget mindre end afstanden mellem dem.

Proportionalitetsfaktor k i Coulombs lov afhænger af valget af system af enheder. I det internationale SI-system anses afgiftsenheden for at være vedhæng(Cl).

Vedhæng er en ladning, der passerer på 1 s gennem tværsnittet af en leder ved en strømstyrke på 1 A. Enheden for strøm (Ampere) i SI er sammen med enheder for længde, tid og masse grundlæggende måleenhed.

Koefficient k i SI-systemet skrives det normalt som:

Hvor - elektrisk konstant .

I SI-systemet er den elementære ladning e svarende til:

Erfaring viser, at Coulomb-interaktionskræfterne adlyder superpositionsprincippet:

Hvis et ladet legeme interagerer samtidigt med flere ladede legemer, så er den resulterende kraft, der virker på et givet legeme, lig med vektorsummen af ​​de kræfter, der virker på dette legeme fra alle andre ladede legemer.

Ris. 1.1.4 forklarer superpositionsprincippet ved hjælp af eksemplet med den elektrostatiske vekselvirkning mellem tre ladede legemer.

Superpositionsprincippet er en grundlæggende naturlov. Dens brug kræver dog en vis forsigtighed, når vi taler om samspillet mellem ladede legemer af endelige størrelser (for eksempel to ledende ladede kugler 1 og 2). Hvis en tredje ladet bold bringes til et system af to ladede bolde, så vil samspillet mellem 1 og 2 ændre sig pga. afgiftsomfordeling.

Superpositionsprincippet siger, at når givet (fast) afgiftsfordeling på alle legemer afhænger kræfterne af elektrostatisk interaktion mellem to legemer ikke af tilstedeværelsen af ​​andre ladede legemer.

Ved at hænge lette kugler af folie på to tråde og røre ved hver af dem med en glasstang gnidet på silke, kan man se, at kuglerne vil frastøde hinanden. Hvis man så rører ved den ene kugle med en glasstang, der er gnidet på silke, og den anden med en ebonitstang, der er gnedet på pels, vil kuglerne tiltrække hinanden. Det betyder, at glas- og ebonitstænger, når de gnides, får afgifter af forskellige tegn , dvs. findes i naturen to typer elektriske ladninger, der har modsatte fortegn: positive og negative. Vi blev enige om at antage, at en glasstang gnidet på silke får positiv ladning , og en ebonitpind, gnedet på pels, erhverver negativ ladning .

Af det beskrevne eksperiment følger også, at ladede kroppe interagere med hinanden. Denne vekselvirkning af ladninger kaldes elektrisk. Hvori sigtelser af samme navn, de der. afgifter af samme tegn , frastøder hinanden, og i modsætning til ladninger tiltrækker hinanden.

Enheden er baseret på fænomenet frastødning af lignende ladede kroppe elektroskop- en enhed, der giver dig mulighed for at bestemme, om en given krop er opladet, og elektrometer, en enhed, der giver dig mulighed for at estimere værdien af ​​elektrisk ladning.

Hvis du rører ved stangen på et elektroskop med en ladet krop, vil elektroskopets blade spredes, da de får en ladning af samme tegn. Det samme vil ske med nålen på et elektrometer, hvis du rører dens stang med en ladet krop. I dette tilfælde, jo større ladning, jo større vinkel vil pilen afvige fra stangen.

Fra simple eksperimenter følger det, at vekselvirkningskraften mellem ladede legemer kan være større eller mindre afhængig af størrelsen af ​​den erhvervede ladning. Således kan vi sige, at den elektriske ladning på den ene side kendetegner kroppens evne til at interagere elektrisk, og på den anden side er en størrelse, der bestemmer intensiteten af ​​denne interaktion.

Afgiften er angivet med bogstavet q , taget som en afgiftsenhed vedhæng: [q ] = 1 Cl.

Hvis du rører ved et elektrometer med en ladet stang, og derefter forbinder dette elektrometer med en metalstang til et andet elektrometer, så vil ladningen på det første elektrometer blive delt mellem de to elektrometre. Man kan så forbinde elektrometret med flere elektrometre, og ladningen bliver delt mellem dem. Således har den elektriske ladning egenskab om delelighed . Afgiftsdelelighedsgrænsen, dvs. den mindste ladning, der findes i naturen, er ladningen elektron. Elektronladningen er negativ og lig med 1,6*10-19 Cl. Enhver anden ladning er et multiplum af elektronladningen.

I. V. Yakovlev | Fysiske materialer | MathUs.ru

Elektrodynamik

Denne manual er helliget det tredje afsnit "Elektrodynamik" i Unified State Examination-kodifikatoren i fysik. Den dækker følgende emner.

Elektrificering af kroppe. Interaktion mellem afgifter. To typer afgift. Loven om bevarelse af elektrisk ladning. Coulombs lov.

Effekten af ​​et elektrisk felt på elektriske ladninger. Elektrisk feltstyrke. Princippet om superposition af elektriske felter.

Elektrostatisk feltpotentiale. Elektrisk feltpotentiale. Spænding (potentialeforskel).

Ledere i et elektrisk felt. Dielektrik i et elektrisk felt.

Elektrisk kapacitet. Kondensator. Elektrisk feltenergi af en kondensator.

Konstant elektrisk strøm. Nuværende styrke. Spænding. Elektrisk modstand. Ohms lov for en del af et kredsløb.

Parallel- og serieforbindelse af ledere. Blandet tilslutning af ledere.

Arbejde med elektrisk strøm. Joule-Lenz lov. Elektrisk strøm.

Elektromotorisk kraft. Intern modstand af strømkilden. Ohms lov for et komplet elektrisk kredsløb.

Bærere af gratis elektriske ladninger i metaller, væsker og gasser.

Halvledere. Iboende og urenhedskonduktivitet af halvledere.

Interaktion mellem magneter. Magnetisk felt af en strømførende leder. Ampere effekt. Lorentz kraft.

Fænomenet elektromagnetisk induktion. Magnetisk flux. Faradays lov om elektromagnetisk induktion. Lenz' regel.

Selvinduktion. Induktans. Magnetisk feltenergi.

Gratis elektromagnetiske svingninger. Oscillerende kredsløb. Forcerede elektromagnetiske svingninger. Resonans. Harmoniske elektromagnetiske svingninger.

Vekselstrøm. Produktion, transmission og forbrug af elektrisk energi.

Elektromagnetisk felt.

Egenskaber ved elektromagnetiske bølger. Forskellige typer af elektromagnetisk stråling og deres anvendelser.

Manualen indeholder også noget yderligere materiale, som ikke er inkluderet i Unified State Examination-kodifikatoren (men er inkluderet i skolens læseplan!). Dette materiale giver dig mulighed for bedre at forstå de dækkede emner.

1.2 Elektrificering af kroppe . . . . . . . 7

2.1 Superpositionsprincip . 11

2.2 Coulombs lov i dielektrik . . 12

3.1 Lang rækkevidde og kort rækkevidde 13

3.2 Elektrisk felt . . 13

3.3 Punktladningsfeltstyrke 14

3.4 Princippet om superposition af elektriske felter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.5 Feltet af et ensartet ladet fly. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.6 Elektriske feltlinjer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.1 Konservative kræfter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.2 Elektrostatisk feltpotentiale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.3 Potentiel energi af en ladning i et ensartet felt. . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.6 Potentiel forskel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.7 Superpositionsprincip for potentialer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.8 Homogent felt: forholdet mellem spænding og intensitet. . . . . . . . . . . . . . . . 24

5.2 Oplad inde i en leder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.1 Den dielektriske konstant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6.2 Polær dielektrik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6.3 Ikke-polære dielektrika. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

7.1 Kapacitans af en solitær leder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

7.2 Kapacitans af en parallelpladekondensator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7.3 Energi af en opladet kondensator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

7.4 Elektrisk feltenergi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

8.1 Retning af elektrisk strøm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

8.2 Virkning af elektrisk strøm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

8.5 Stationært elektrisk felt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

9 Ohms lov

9.1 Ohms lov for en kredsløbssektion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

9.2 Elektrisk modstand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

		Resistivitet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Lederforbindelser
		Modstande og blytråde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Seriel forbindelse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Parallel forbindelse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Blandet sammensætning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Arbejde og strømstyrke

11.1 Løbende arbejde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

11.2 Nuværende effekt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

11.3 Joule-Lenz lov. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

12.3 Effektivitet i elektriske kredsløb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

12.4 Ohms lov for et heterogent område. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

13.1 Frie elektroner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

13.2 Rikkes eksperiment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

14.1 Elektrolytisk dissociation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

14.2 Ionisk ledningsevne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

14.3 Elektrolyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

15.1 Gratis afgifter i gas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

15.2 Ikke-selvbærende udledning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

16.1 Kovalent binding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

16.2 Krystalstruktur af silicium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

16.3 Selvledningsevne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

16.4 Urenheds ledningsevne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

16,5 p–n kryds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

17.1 Magnetinteraktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

17.2 Magnetiske feltlinjer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

17.5 Magnetisk felt af en spole med strøm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

17.6 Magnetisk felt af en strømspole. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

		Amperes hypotese. Elementære strømme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Et magnetfelt. Beføjelser
		Lorentz kraft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Ampere effekt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Ramme med strøm i et magnetfelt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Elektromagnetisk induktion
		Magnetisk flux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19.2 Induktion emf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

19.3 Faradays lov om elektromagnetisk induktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

19.4 Lenz' regel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

19.7 Vortex elektrisk felt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

19.8 Induktion emk i en bevægelig leder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

	Selvinduktion
		Induktans. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
		Elektromekanisk analogi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Magnetisk feltenergi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
	Elektromagnetiske vibrationer
		Oscillerende kredsløb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Energitransformationer i et oscillerende kredsløb. . . . . . . . . . . . . . .
		Elektromekaniske analogier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21.4 Harmonisk lov om svingninger i et kredsløb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

21.5 Forcerede elektromagnetiske svingninger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

	Vekselstrøm. 1
		Kvasi-stationær tilstand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Modstand i AC-kredsløb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
		Kondensator i AC kredsløb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Spole i AC kredsløb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
	Vekselstrøm. 2
		Hjælpevinkelmetode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Oscillerende kredsløb med modstand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Resonans i oscillerende kredsløb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	AC strøm

24.1 Nuværende effekt gennem modstand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

24.2 Strømstyrke gennem kondensatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

24.3 Nuværende effekt gennem spolen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

26.1 Maxwells hypotese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

26.2 Begrebet elektromagnetisk felt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

27.1 Åbent oscillerende kredsløb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

27.2 Egenskaber ved elektromagnetiske bølger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

27.3 Strålingsfluxtæthed. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

27.4 Typer af elektromagnetisk stråling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

1 Elektrisk ladning

Elektromagnetiske interaktioner er blandt de mest fundamentale interaktioner i naturen. Elasticitets- og friktionskræfterne, væske- og gastrykket og meget mere kan reduceres til elektromagnetiske kræfter mellem stofpartikler. Elektromagnetiske interaktioner i sig selv er ikke længere reduceret til andre, dybere typer af interaktioner.

En lige så fundamental type interaktion er tyngdekraften - tyngdekraftens tiltrækning af to kroppe. Der er dog flere vigtige forskelle mellem elektromagnetiske og gravitationelle interaktioner.

1. Ikke alle kan deltage i elektromagnetiske interaktioner, men kun ladede.

legemer (som har en elektrisk ladning).

2. Gravitationsinteraktion er altid en krops tiltrækning til en anden. Elektromagnetiske interaktioner kan enten være attraktive eller frastødende.

3. Elektromagnetisk interaktion er meget mere intens end gravitationsinteraktion. For eksempel er den elektriske frastødningskraft af to elektroner 10 42 gange kraften af ​​deres tyngdekraft tiltrækning til hinanden.

Hvert ladet legeme har en vis mængde elektrisk ladning q. Elektrisk ladning er en fysisk størrelse, der bestemmer styrken af ​​elektromagnetisk interaktion mellem naturlige genstande. Ladningsenheden er coulomb (C)1.

1.1 To typer af afgift

Da gravitationsinteraktion altid er tiltrækning, er masserne af alle legemer ikke-negative. Men dette gælder ikke for afgifter. Det er praktisk at beskrive to typer elektromagnetisk interaktion, tiltrækning og frastødning, ved at introducere to typer elektriske ladninger: positive og negative.

Ladninger af forskellige tegn tiltrækker hinanden, og ladninger af samme tegn frastøder hinanden. Dette er illustreret i fig. 1; Kuglerne ophængt på tråde får ladninger af et eller andet tegn.

Ris. 1. Interaktion mellem to typer ladninger

Den udbredte manifestation af elektromagnetiske kræfter forklares ved, at atomerne af ethvert stof indeholder ladede partikler: kernen i et atom indeholder positivt ladede protoner, og negativt ladede elektroner bevæger sig i baner omkring kernen. Ladningerne af en proton og en elektron er lige store, og antallet af protoner i kernen er lig med antallet af elektroner i baner, og derfor viser det sig, at atomet som helhed er elektrisk neutralt. Det er derfor, vi under normale forhold ikke bemærker elektromagnetisk påvirkning fra andre

1 Ladningsenheden bestemmes gennem den aktuelle enhed. 1 C er ladningen, der passerer gennem tværsnittet af en leder på 1 s ved en strøm på 1 A.

legemer: den samlede ladning af hver af dem er nul, og ladede partikler er jævnt fordelt over hele kroppens volumen. Men hvis den elektriske neutralitet krænkes (for eksempel som følge af elektrificering), begynder kroppen straks at virke på de omgivende ladede partikler.

Hvorfor der er præcis to typer elektriske ladninger, og ikke et andet antal, vides i øjeblikket ikke. Vi kan kun hævde, at accept af dette faktum som primært giver en fyldestgørende beskrivelse af elektromagnetiske interaktioner.

Ladningen af ​​en proton er 1,6 10 19 C. Ladningen af ​​en elektron er modsat fortegn og er lig med

1;6 1019 Cl. Størrelse

e = 1;6 1019 Cl

kaldet den elementære ladning. Dette er den mindst mulige ladning: frie partikler med en mindre ladning blev ikke påvist i eksperimenter. Fysikken kan endnu ikke forklare, hvorfor naturen har den mindste ladning, og hvorfor dens størrelse er præcis den.

Ladningen af ​​ethvert legeme q består altid af et helt antal elementære ladninger:

Hvis q< 0, то тело имеет избыточное количество N электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же q >0, så mangler kroppen tværtimod elektroner: der er N flere protoner.

1.2 Elektrificering af kroppe

For at et makroskopisk legeme kan udøve en elektrisk indflydelse på andre kroppe, skal det være elektrificeret. Elektrificering er en krænkelse af den elektriske neutralitet af kroppen eller dens dele. Som et resultat af elektrificering bliver kroppen i stand til elektromagnetiske interaktioner.

En af måderne at elektrificere et legeme på er at give det en elektrisk ladning, det vil sige at opnå et overskud af ladninger af samme tegn i en given krop. Dette er nemt at gøre ved hjælp af friktion.

Når en glasstang gnides med silke, går en del af dens negative ladninger til silken. Som et resultat bliver pinden positivt ladet og silken negativt ladet. Men når man gnider en ebonitpind med uld, overføres nogle af de negative ladninger fra ulden til pinden: pinden lades negativt, og ulden lades positivt.

Denne metode til at elektrificere legemer kaldes elektrificering ved friktion. Man møder elektrificeret friktion hver gang man tager en sweater af over hovedet ;-)

En anden type elektrificering kaldes elektrostatisk induktion eller elektrificering ved påvirkning. I dette tilfælde forbliver kroppens samlede ladning lig med nul, men omfordeles således, at positive ladninger akkumuleres i nogle dele af kroppen, og negative ladninger i andre.

Ris. 2. Elektrostatisk induktion

Lad os se på fig. 2. I nogen afstand fra metallegemet er der en positiv ladning q. Det tiltrækker negative metalladninger (frie elektroner), som akkumuleres på de områder af kropsoverfladen, der er tættest på ladningen. Ukompenserede positive ladninger forbliver i fjerne områder.

På trods af at den samlede ladning af metallegemet forblev lig nul, skete der en rumlig adskillelse af ladninger i kroppen. Hvis vi nu deler kroppen langs den stiplede linje, så bliver højre halvdel negativt ladet, og venstre halvdel positivt ladet.

Du kan observere elektrificeringen af ​​kroppen ved hjælp af et elektroskop. Et simpelt elektroskop er vist2 i Fig.3.

Ris. 3. Elektroskop

Hvad sker der i dette tilfælde? En positivt ladet pind (for eksempel tidligere gnidet) bringes til elektroskopskiven og samler en negativ ladning på den. Nedenfor, på elektroskopets bevægelige blade, forbliver ukompenserede positive ladninger; Når de skubber væk fra hinanden, bevæger bladene sig i forskellige retninger. Hvis du fjerner pinden, vil ladningerne vende tilbage til deres plads, og bladene vil falde tilbage.

Fænomenet elektrostatisk induktion i stor skala observeres under et tordenvejr. I fig. 4 ser vi en tordensky passere over jorden3.

Ris. 4. Elektrificering af jorden ved en tordensky

Inde i skyen er der isstykker af forskellig størrelse, som blandes af stigende luftstrømme, kolliderer med hinanden og bliver elektrificeret. Det viser sig, at en negativ ladning akkumuleres i bunden af ​​skyen, og en positiv ladning i toppen.

Den negativt ladede nedre del af skyen inducerer positive ladninger under den på jordens overflade. En kæmpe kondensator med kolossal spænding dukker op

2 Billede fra en.wikipedia.org.

3 Billede fra elementy.ru.

mellem skyen og jorden. Hvis denne spænding er tilstrækkelig til at nedbryde luftgabet, vil den velkendte lynudladning forekomme.

1.3 Loven om bevarelse af ladning

Lad os vende tilbage til eksemplet med elektrificering ved friktion ved at gnide en pind med en klud. I dette tilfælde får stokken og stofstykket ladninger af samme størrelse og modsatte fortegn. Deres samlede ladning var lig nul før interaktionen og forbliver lig med nul efter interaktionen.

Vi ser her loven om bevarelse af ladning, som siger: i et lukket system af legemer forbliver den algebraiske sum af ladninger uændret under alle processer, der forekommer med disse legemer:

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

Lukketheden af ​​et system af organer betyder, at disse organer kun kan udveksle ladninger indbyrdes, men ikke med andre objekter uden for dette system.

Når man elektrificerer en pind, er der intet overraskende i bevarelsen af ​​ladning: så mange ladede partikler forlod pinden, så mange kom til stofstykket (eller omvendt). Det overraskende er, at i mere komplekse processer, ledsaget af gensidige transformationer af elementarpartikler og en ændring i antallet af ladede partikler i systemet, er den samlede ladning stadig bevaret!

For eksempel i fig. 5 viser processen! e + e+, hvor en del af elektromagnetisk stråling (den såkaldte foton) bliver til to ladede partikler elektron e og positron e+. En sådan proces viser sig at være mulig under visse forhold, for eksempel i atomkernens elektriske felt.

Ris. 5. Fødsel af et elektron-positron-par

Ladningen af ​​en positron er lig med ladningen af ​​en elektron og modsat i fortegn. Loven om bevarelse af ladning er opfyldt! Faktisk havde vi i begyndelsen af ​​processen en foton, hvis ladning var nul, og i slutningen fik vi to partikler med en total ladning på nul.

Loven om bevarelse af ladning (sammen med eksistensen af ​​den mindste elementære ladning) er et primært videnskabeligt faktum i dag. Fysikere har endnu ikke været i stand til at forklare, hvorfor naturen opfører sig sådan og ikke på anden måde. Vi kan kun konstatere, at disse kendsgerninger bekræftes af adskillige fysiske eksperimenter.