Rodzaje ładunków elektrycznych i ich oddziaływanie. Moment magnetyczny i ładunek elektryczny

Procesy fizyczne zachodzące w przyrodzie nie zawsze dają się wytłumaczyć prawami teorii kinetyki molekularnej, mechaniki czy termodynamiki. Istnieją również siły elektromagnetyczne, które działają na odległość i nie zależą od masy ciała.

Ich przejawy zostały po raz pierwszy opisane w pracach starożytnych greckich naukowców, kiedy przyciągały lekkie, drobne cząsteczki poszczególnych substancji za pomocą bursztynu nacieranego na wełnę.

Historyczny wkład naukowców w rozwój elektrodynamiki

Eksperymenty z bursztynem szczegółowo badał angielski badacz Williama Gilberta. W ostatnich latach XVI w. sporządził relację ze swojej pracy, a obiekty zdolne do przyciągania na odległość innych ciał określił mianem „naelektryzowanych”.

Francuski fizyk Charles Dufay stwierdził istnienie ładunków o przeciwnych znakach: niektóre powstały w wyniku tarcia szklanych przedmiotów o jedwabną tkaninę, a inne przez żywice o wełnę. Tak je nazwał: szkło i żywica. Po zakończeniu badań Benjamin Franklin Wprowadzono pojęcie ładunków ujemnych i dodatnich.

Charles Coulomb zrealizował możliwość pomiaru siły ładunków za pomocą konstrukcji wag skrętnych własnego wynalazku.

Robert Millikan na podstawie serii eksperymentów ustalił dyskretny charakter ładunków elektrycznych dowolnej substancji, udowadniając, że składają się one z określonej liczby cząstek elementarnych. (Nie mylić z inną koncepcją tego terminu - fragmentacją, nieciągłością.)

Prace tych naukowców stały się podstawą współczesnej wiedzy o procesach i zjawiskach zachodzących w polach elektrycznych i magnetycznych wytwarzanych przez ładunki elektryczne oraz ich ruchu, badanym metodą elektrodynamiki.

Definicja ładunków i zasady ich oddziaływania

Ładunek elektryczny charakteryzuje właściwości substancji, które zapewniają im zdolność do wytwarzania pól elektrycznych i interakcji w procesach elektromagnetycznych. Nazywa się ją również ilością energii elektrycznej i definiuje się ją jako fizyczną wielkość skalarną. Do oznaczenia ładunku używa się symboli „q” lub „Q”, a w pomiarach używa się jednostki „Coulomb”, nazwanej na cześć francuskiego naukowca, który opracował unikalną technikę.

Stworzył urządzenie, którego korpus wykorzystywał kulki zawieszone na cienkiej nitce kwarcu. Były one w określony sposób zorientowane w przestrzeni, a ich położenie rejestrowano względem stopniowanej skali z równymi podziałkami.

Przez specjalny otwór w wieczku do tych kulek doprowadzono kolejną kulkę z dodatkowym ładunkiem. Pojawiające się siły interakcji spowodowały, że kulki odbiły się i obróciły wahacz. Wielkość różnicy wskazań skali przed i po wprowadzeniu ładunku umożliwiła oszacowanie ilości energii elektrycznej w badanych próbkach.

Ładunek 1 kulomba charakteryzuje się w układzie SI prądem o natężeniu 1 ampera przepływającym przez przekrój przewodnika w czasie 1 sekundy.

Współczesna elektrodynamika dzieli wszystkie ładunki elektryczne na:

pozytywny;

negatywny.

Kiedy wchodzą w interakcję ze sobą, rozwijają siły, których kierunek zależy od istniejącej polaryzacji.

Ładunki tego samego rodzaju, dodatnie lub ujemne, zawsze odpychają się w przeciwnych kierunkach, starając się oddalić od siebie jak najdalej. A ładunki przeciwnych znaków mają siły, które mają tendencję do zbliżania ich do siebie i jednoczenia w jedną całość.

Zasada superpozycji

Gdy w określonej objętości znajduje się kilka ładunków, obowiązuje wobec nich zasada superpozycji.

Znaczenie to polega na tym, że każdy ładunek w określony sposób, zgodnie z opisaną powyżej metodą, oddziałuje ze wszystkimi innymi, przyciągając się do ładunków innego typu i odpychając się od ładunków tego samego typu. Przykładowo na ładunek dodatni q1 oddziałuje siła przyciągania F31 do ładunku ujemnego q3 oraz siła odpychania F21 z q2.

Wynikową siłę F1 działającą na q1 wyznacza się poprzez geometryczne dodanie wektorów F31 i F21. (F1=F31+F21).

W ten sam sposób wyznacza się wypadkowe siły F2 i F3 działające odpowiednio na ładunki q2 i q3.

Korzystając z zasady superpozycji, stwierdzono, że dla pewnej liczby ładunków w układzie zamkniętym pomiędzy wszystkimi jego ciałami działają stałe siły elektrostatyczne, a potencjał w dowolnym punkcie tej przestrzeni jest równy sumie potencjałów ze wszystkich indywidualnie stosowane opłaty.

Działanie tych praw potwierdzają stworzone urządzenia elektroskop i elektrometr, które mają ogólną zasadę działania.

Elektroskop składa się z dwóch identycznych ostrzy z cienkiej folii zawieszonych w izolowanej przestrzeni za pomocą przewodzącej nici przymocowanej do metalowej kulki. W stanie normalnym na kulkę nie działają żadne ładunki, dlatego płatki zwisają swobodnie w przestrzeni wewnątrz żarówki urządzenia.

W jaki sposób ładunek może być przenoszony pomiędzy ciałami?

Jeśli do kuli elektroskopu przyłożymy naładowane ciało, na przykład patyk, ładunek przejdzie przez kulkę wzdłuż przewodzącej nici do płatków. Otrzymają ten sam ładunek i zaczną się od siebie oddalać o kąt proporcjonalny do przyłożonej ilości prądu.

Elektrometr ma to samo podstawowe urządzenie, ale ma niewielkie różnice: jeden płatek jest przymocowany na stałe, a drugi wystaje z niego i jest wyposażony w strzałkę, która pozwala na dokonanie odczytu ze stopniowanej skali.

Aby przenieść ładunek z odległego, nieruchomego i naładowanego ciała do elektrometru, możesz użyć nośników pośrednich.

Pomiary wykonane elektrometrem nie mają dużej klasy dokładności i na ich podstawie trudno jest analizować siły działające pomiędzy ładunkami. Do ich badań bardziej odpowiednie są wagi skrętne Coulomba. Używają kulek o średnicach znacznie mniejszych niż ich odległość od siebie. Mają właściwości ładunków punktowych – ciał naładowanych, których wymiary nie wpływają na dokładność urządzenia.

Pomiary wykonane przez Coulomba potwierdziły jego przypuszczenie, że ładunek punktowy jest przenoszony z ciała naładowanego na ciało o tych samych właściwościach i masie, ale nienaładowane, w taki sposób, aby rozłożyć się między nimi równomiernie, zmniejszając się 2-krotnie w punkcie źródło. W ten sposób można było zmniejszyć wysokość opłaty o dwa, trzy lub więcej razy.

Siły występujące pomiędzy stacjonarnymi ładunkami elektrycznymi nazywane są oddziaływaniami kulombowskimi lub statycznymi. Bada je elektrostatyka, która jest jedną z gałęzi elektrodynamiki.

Rodzaje nośników ładunku elektrycznego

Współczesna nauka uważa, że najmniejszą cząstką naładowaną ujemnie jest elektron, a pozyton najmniejszą cząstką naładowaną dodatnio. Mają tę samą masę 9,1·10-31 kg. Proton cząstki elementarnej ma tylko jeden ładunek dodatni i masę 1,7·10-27 kg. W naturze liczba ładunków dodatnich i ujemnych jest zrównoważona.

W metalach powstaje ruch elektronów, a w półprzewodnikach nośnikami jego ładunków są elektrony i dziury.

W gazach prąd wytwarzany jest przez ruch jonów – naładowanych cząstek nieelementarnych (atomów lub cząsteczek) o ładunkach dodatnich, zwanych kationami lub ładunkami ujemnymi – anionów.

Jony powstają z cząstek obojętnych.

Ładunek dodatni powstaje w wyniku utraty elektronu przez cząstkę pod wpływem silnego wyładowania elektrycznego, napromieniowania świetlnego lub radioaktywnego, przepływu wiatru, ruchu mas wody lub z wielu innych powodów.

Jony ujemne powstają z cząstek obojętnych, które dodatkowo otrzymały elektron.

Zastosowanie jonizacji w celach leczniczych i życiu codziennym

Naukowcy od dawna zauważyli zdolność jonów ujemnych do oddziaływania na organizm człowieka, poprawiania zużycia tlenu w powietrzu, szybszego dostarczania go do tkanek i komórek oraz przyspieszania utleniania serotoniny. Wszystko to razem znacząco poprawia odporność, poprawia nastrój i łagodzi ból.

Nazwano pierwszy jonizator stosowany w leczeniu ludzi Żyrandole Chiżewskiego, na cześć radzieckiego naukowca, który stworzył urządzenie korzystnie wpływające na zdrowie człowieka.

W nowoczesnych urządzeniach elektrycznych gospodarstwa domowego można spotkać wbudowane jonizatory w odkurzaczach, nawilżaczach, suszarkach do włosów, suszarkach...

Specjalne jonizatory powietrza oczyszczają powietrze i redukują ilość kurzu i szkodliwych zanieczyszczeń.

Jonizatory wody mogą zmniejszać ilość odczynników chemicznych w jej składzie. Służą do czyszczenia basenów i stawów, nasycając wodę jonami miedzi lub srebra, które ograniczają rozwój glonów oraz niszczą wirusy i bakterie.

Ładunek elektryczny jest wielkością fizyczną określającą intensywność oddziaływań elektromagnetycznych. Oddziaływania elektromagnetyczne to oddziaływania pomiędzy naładowanymi cząstkami lub ciałami.

Ładunki elektryczne dzielą się na dodatnie i ujemne. Stabilne cząstki elementarne mają ładunek dodatni - protony I pozytony, a także jony atomów metali itp. Stabilne nośniki ładunku ujemnego są elektron I antyproton.

Istnieją cząstki elektrycznie nienaładowane, czyli neutralne: neutron, neutrino. Cząstki te nie biorą udziału w oddziaływaniach elektrycznych, ponieważ ich ładunek elektryczny wynosi zero. Istnieją cząstki bez ładunku elektrycznego, ale ładunek elektryczny nie istnieje bez cząstki.

Ładunki dodatnie pojawiają się na szkle potartym jedwabiem. Ebonit wcierany w futro ma ładunki ujemne. Cząstki odpychają się, gdy ładunki mają te same znaki ( zarzuty o tej samej nazwie) i z różnymi znakami ( w odróżnieniu od opłat) cząstki są przyciągane.

Wszystkie ciała składają się z atomów. Atomy składają się z dodatnio naładowanego jądra atomowego i ujemnie naładowanych elektronów, które poruszają się wokół jądra atomowego. Jądro atomowe składa się z dodatnio naładowanych protonów i cząstek neutralnych - neutronów. Ładunki w atomie są rozmieszczone w taki sposób, że atom jako całość jest obojętny, to znaczy suma ładunków dodatnich i ujemnych w atomie wynosi zero.

Elektrony i protony są częścią każdej substancji i są najmniejszymi stabilnymi cząstkami elementarnymi. Cząstki te mogą istnieć w stanie wolnym przez nieograniczony czas. Ładunek elektryczny elektronu i protonu nazywany jest ładunkiem elementarnym.

Opłata podstawowa- jest to minimalny ładunek, jaki mają wszystkie naładowane cząstki elementarne. Ładunek elektryczny protonu jest w wartości bezwzględnej równy ładunkowi elektronu:

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

Siły oddziaływania pomiędzy ładunkami stacjonarnymi są wprost proporcjonalne do iloczynu modułów ładunków i odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości między nimi:

Siły oddziaływania podlegają trzeciemu prawu Newtona: są to siły odpychające o tych samych znakach ładunków i siły przyciągające o różnych znakach (rys. 1.1.3). Nazywa się oddziaływaniem stacjonarnych ładunków elektrycznych elektrostatyczny Lub Kulomb interakcja. Dział elektrodynamiki badający oddziaływanie Coulomba nazywa się elektrostatyka .

Prawo Coulomba obowiązuje dla ciał naładowanych punktowo. W praktyce prawo Coulomba jest dobrze spełnione, jeśli rozmiary naładowanych ciał są znacznie mniejsze niż odległość między nimi.

Czynnik proporcjonalności k w prawie Coulomba zależy od wyboru układu jednostek. W międzynarodowym układzie SI za jednostkę ładunku uważa się wisiorek(Cl).

Wisiorek to ładunek przechodzący przez przekrój poprzeczny przewodnika w ciągu 1 s przy prądzie 1 A. Jednostką prądu (ampera) w SI jest wraz z jednostkami długości, czasu i masy podstawowa jednostka miary.

Współczynnik k w układzie SI jest to zwykle zapisywane jako:

Doświadczenie pokazuje, że siły oddziaływania Coulomba podlegają zasadzie superpozycji.

Podobnie jak pojęcie masy grawitacyjnej ciała w mechanice Newtona, pojęcie ładunku w elektrodynamice jest pojęciem pierwotnym, podstawowym.

Ładunek elektryczny jest wielkością fizyczną charakteryzującą właściwość cząstek lub ciał do wchodzenia w interakcje sił elektromagnetycznych.

Ładunek elektryczny jest zwykle reprezentowany przez litery Q Lub Q.

Całość wszystkich znanych faktów eksperymentalnych pozwala nam wyciągnąć następujące wnioski:

Istnieją dwa rodzaje ładunków elektrycznych, umownie nazywane dodatnimi i ujemnymi.

Ładunki mogą być przenoszone (na przykład przez bezpośredni kontakt) z jednego ciała na drugie. W przeciwieństwie do masy ciała, ładunek elektryczny nie jest integralną cechą danego ciała. To samo ciało w różnych warunkach może mieć inny ładunek.

Podobnie jak ładunki odpychają się, w przeciwieństwie do ładunków przyciągają. Ujawnia to również zasadniczą różnicę pomiędzy siłami elektromagnetycznymi i grawitacyjnymi. Siły grawitacyjne są zawsze siłami przyciągającymi.

Jedno z podstawowych praw natury jest ustalone eksperymentalnie prawo zachowania ładunku elektrycznego .

W układzie izolowanym suma algebraiczna ładunków wszystkich ciał pozostaje stała:

Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... +QN= stała

Prawo zachowania ładunku elektrycznego mówi, że w zamkniętym układzie ciał nie można zaobserwować procesów powstawania lub zaniku ładunków tylko jednego znaku.

Z współczesnego punktu widzenia nośniki ładunku są cząstkami elementarnymi. Wszystkie zwykłe ciała składają się z atomów, do których zaliczają się dodatnio naładowane protony, ujemnie naładowane elektrony i cząstki neutralne - neutrony. Protony i neutrony są częścią jąder atomowych, elektrony tworzą powłokę elektronową atomów. Ładunki elektryczne protonu i elektronu są dokładnie tej samej wielkości i równe ładunkowi elementarnemu mi.

W atomie obojętnym liczba protonów w jądrze jest równa liczbie elektronów na powłoce. Ten numer się nazywa Liczba atomowa . Atom danej substancji może stracić jeden lub więcej elektronów lub zyskać dodatkowy elektron. W takich przypadkach neutralny atom zamienia się w jon naładowany dodatnio lub ujemnie.

Ładunek może być przenoszony z jednego ciała na drugie tylko w porcjach zawierających całkowitą liczbę ładunków elementarnych. Zatem ładunek elektryczny ciała jest wielkością dyskretną:

Nazywa się wielkości fizyczne, które mogą przyjmować tylko dyskretny szereg wartości skwantowany . Opłata podstawowa mi jest kwantem (najmniejszą częścią) ładunku elektrycznego. Należy zaznaczyć, że we współczesnej fizyce cząstek elementarnych zakłada się istnienie tzw. kwarków – cząstek o ładunku ułamkowym i nie zaobserwowano dotychczas jednak kwarków w stanie swobodnym.

W typowych eksperymentach laboratoryjnych a elektrometr ( lub elektroskop) - urządzenie składające się z metalowego pręta i wskazówki, które może obracać się wokół osi poziomej (ryc. 1.1.1). Pręt strzały jest odizolowany od metalowego korpusu. Kiedy naładowane ciało styka się z prętem elektrometru, ładunki elektryczne o tym samym znaku rozkładają się na pręt i wskazówkę. Elektryczne siły odpychania powodują obrót igły o pewien kąt, na podstawie którego można ocenić ładunek przeniesiony na pręt elektrometru.

Elektrometr jest raczej prymitywnym instrumentem; nie pozwala na badanie sił oddziaływania pomiędzy ładunkami. Prawo oddziaływania ładunków stacjonarnych po raz pierwszy odkrył francuski fizyk Charles Coulomb w 1785 r. W swoich eksperymentach Coulomb mierzył siły przyciągania i odpychania naładowanych kulek za pomocą zaprojektowanego przez siebie urządzenia - wagi skrętnej (ryc. 1.1.2). , który wyróżniał się wyjątkowo dużą czułością. Przykładowo, równoważnię obrócono o 1° pod wpływem siły rzędu 10 -9 N.

Idea pomiarów opierała się na genialnym przypuszczeniu Coulomba, że jeśli naładowana kula zetknie się z dokładnie tą samą nienaładowaną, to ładunek pierwszej zostanie równo rozdzielony pomiędzy nimi. Wskazano zatem sposób na zmianę ładunku piłki dwa, trzy itd. razy. W doświadczeniach Coulomba mierzono oddziaływanie pomiędzy kulkami, których wymiary były znacznie mniejsze niż odległość między nimi. Takie naładowane ciała są zwykle nazywane opłaty punktowe.

Opłata punktowa zwane ciałem naładowanym, którego wymiary można pominąć w warunkach tego problemu.

Na podstawie licznych eksperymentów Coulomb ustalił następujące prawo:

Siły oddziaływania pomiędzy ładunkami stacjonarnymi są wprost proporcjonalne do iloczynu modułów ładunków i odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości między nimi:

Siły interakcji podlegają trzeciemu prawu Newtona:

Są to siły odpychające o tych samych znakach ładunków i siły przyciągające o różnych znakach (rys. 1.1.3). Nazywa się oddziaływaniem stacjonarnych ładunków elektrycznych elektrostatyczny Lub Kulomb interakcja. Dział elektrodynamiki badający oddziaływanie Coulomba nazywa się elektrostatyka .

Czynnik proporcjonalności k w prawie Coulomba zależy od wyboru układu jednostek. W międzynarodowym układzie SI za jednostkę ładunku uważa się wisiorek(Cl).

Wisiorek to ładunek przechodzący w ciągu 1 s przez przekrój poprzeczny przewodnika przy natężeniu prądu 1 A. Jednostką prądu (amper) w SI jest wraz z jednostkami długości, czasu i masy podstawowa jednostka miary.

Współczynnik k w układzie SI jest to zwykle zapisywane jako:

Gdzie - stała elektryczna .

W układzie SI ładunek elementarny mi równy:

Doświadczenie pokazuje, że siły oddziaływania Coulomba podlegają zasadzie superpozycji:

Jeżeli naładowane ciało oddziałuje jednocześnie z kilkoma naładowanymi ciałami, wówczas powstała siła działająca na dane ciało jest równa sumie wektorów sił działających na to ciało ze wszystkich innych naładowanych ciał.

Ryż. 1.1.4 wyjaśnia zasadę superpozycji na przykładzie oddziaływania elektrostatycznego trzech naładowanych ciał.

Zasada superpozycji jest podstawowym prawem natury. Jednak jego użycie wymaga pewnej ostrożności, gdy mówimy o oddziaływaniu naładowanych ciał o skończonych rozmiarach (na przykład dwie przewodzące naładowane kule 1 i 2). Jeśli trzecia naładowana kula zostanie doprowadzona do układu dwóch naładowanych kul, wówczas interakcja pomiędzy 1 i 2 ulegnie zmianie ze względu na redystrybucję opłat.

Zasada superpozycji mówi, że kiedy zadany (stały) rozkład ładunku na wszystkich ciałach siły oddziaływania elektrostatycznego między dowolnymi dwoma ciałami nie zależą od obecności innych naładowanych ciał.

Zawieszając lekkie kulki folii na dwóch nitkach i dotykając każdej z nich szklanym prętem potartym o jedwab, można zobaczyć, że kulki będą się odpychać. Jeśli następnie dotkniesz jednej kulki szklanym prętem potartym o jedwab, a drugiej ebonitowym prętem potartym o futro, kulki przyciągną się do siebie. Oznacza to, że pręty szklane i ebonitowe po potarciu nabywają się ładunki różnych znaków , tj. istnieją w naturze dwa rodzaje ładunków elektrycznych, mający przeciwne znaki: dodatni i ujemny. Zgodziliśmy się przyjąć, że szklany pręt potarty o jedwab nabywa ładunek dodatni i laska ebonitowa nacierana futrem ładunek ujemny .

Z opisanego doświadczenia wynika również, że ciała naładowane współdziałać ze sobą. To oddziaływanie ładunków nazywa się elektrycznym. W której opłaty o tej samej nazwie, te. ładunki tego samego znaku , odpychają się i w przeciwieństwie do ładunków przyciągają się.

Urządzenie opiera się na zjawisku odpychania ciał o podobnym ładunku elektroskop- urządzenie pozwalające określić, czy dane ciało jest naładowane, oraz elektrometr, urządzenie pozwalające oszacować wartość ładunku elektrycznego.

Jeśli dotkniesz pręta elektroskopu naładowanym ciałem, listki elektroskopu rozproszą się, ponieważ uzyskają ładunek o tym samym znaku. To samo stanie się z igłą elektrometru, jeśli dotkniesz jej pręta naładowanym ciałem. W tym przypadku im większy ładunek, tym większy kąt odchylenia strzały od pręta.

Z prostych eksperymentów wynika, że siła oddziaływania pomiędzy naładowanymi ciałami może być większa lub mniejsza w zależności od wielkości nabytego ładunku. Można zatem powiedzieć, że ładunek elektryczny z jednej strony charakteryzuje zdolność organizmu do oddziaływania elektrycznego, z drugiej zaś jest wielkością określającą intensywność tego oddziaływania.

Opłata jest oznaczona literą Q , traktowany jako jednostka ładunku wisiorek: [Q ] = 1 kl.

Jeśli dotkniesz jednego elektrometru naładowanym prętem, a następnie połączysz ten elektrometr metalowym prętem z innym elektrometrem, wówczas ładunek na pierwszym elektrometrze zostanie podzielony pomiędzy dwa elektrometry. Można wtedy podłączyć elektrometr do kilku kolejnych elektrometrów, a ładunek zostanie rozdzielony pomiędzy nimi. Zatem ładunek elektryczny ma własność podzielności . Granica podzielności ładunku, tj. najmniejszy ładunek istniejący w przyrodzie to ładunek elektron. Ładunek elektronu jest ujemny i równy 1,6*10 -19 kl. Każdy inny ładunek jest wielokrotnością ładunku elektronu.

I. V. Jakowlew | Materiały fizyczne | MathUs.ru

Elektrodynamika

Niniejsza instrukcja poświęcona jest trzeciej części „Elektrodynamika” kodyfikatora Unified State Examination z fizyki. Obejmuje następujące tematy.

Elektryfikacja ciał. Interakcja ładunków. Dwa rodzaje opłat. Prawo zachowania ładunku elektrycznego. Prawo Coulomba.

Wpływ pola elektrycznego na ładunki elektryczne. Siła pola elektrycznego. Zasada superpozycji pól elektrycznych.

Potencjał pola elektrostatycznego. Potencjał pola elektrycznego. Napięcie (różnica potencjałów).

Przewodniki w polu elektrycznym. Dielektryki w polu elektrycznym.

Pojemność elektryczna. Kondensator. Energia pola elektrycznego kondensatora.

Stały prąd elektryczny. Aktualna siła. Napięcie. Opór elektryczny. Prawo Ohma dla odcinka obwodu.

Równoległe i szeregowe łączenie przewodów. Mieszane połączenie przewodów.

Praca prądu elektrycznego. Prawo Joule’a-Lenza. Moc prądu elektrycznego.

Siła elektromotoryczna. Rezystancja wewnętrzna źródła prądu. Prawo Ohma dla kompletnego obwodu elektrycznego.

Nośniki swobodnych ładunków elektrycznych w metalach, cieczach i gazach.

Półprzewodniki. Przewodnictwo wewnętrzne i domieszkowe półprzewodników.

Oddziaływanie magnesów. Pole magnetyczne przewodnika z prądem. Moc amperowa. Siła Lorentza.

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Strumień magnetyczny. Prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya. Reguła Lenza.

Samoindukcja. Indukcyjność. Energia pola magnetycznego.

Swobodne oscylacje elektromagnetyczne. Obwód oscylacyjny. Wymuszone oscylacje elektromagnetyczne. Rezonans. Harmoniczne oscylacje elektromagnetyczne.

Prąd przemienny. Produkcja, przesyłanie i zużycie energii elektrycznej.

Pole elektromagnetyczne.

Właściwości fal elektromagnetycznych. Różne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego i ich zastosowania.

Podręcznik zawiera także dodatkowe materiały, które nie są uwzględnione w kodyfikatorze Unified State Examination (ale są zawarte w szkolnym programie nauczania!). Materiał ten pozwala lepiej zrozumieć poruszane tematy.

1.2 Elektryfikacja ciał . . . . . . . 7

2.1 Zasada superpozycji . 11

2.2 Prawo Coulomba w dielektrykach . . 12

3.1 Dalekiego i krótkiego zasięgu 13

3.2 Pole elektryczne . . 13

3.3 Siła pola ładunku punktowego 14

3.4 Zasada superpozycji pól elektrycznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.5 Pole równomiernie naładowanej płaszczyzny. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.6 Linie pola elektrycznego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.1 Siły konserwatywne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.2 Potencjał pola elektrostatycznego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.3 Energia potencjalna ładunku w polu jednorodnym. . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.6 Potencjalna różnica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.7 Zasada superpozycji potencjałów. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.8 Pole jednorodne: związek napięcia i natężenia. . . . . . . . . . . . . . . . 24

5.2 Ładunek wewnątrz przewodnika. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.1 Stała dielektryczna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6.2 Dielektryki polarne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6.3 Dielektryki niepolarne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

7.1 Pojemność pojedynczego przewodnika. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

7.2 Pojemność kondensatora płytkowego równoległego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7.3 Energia naładowanego kondensatora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

7.4 Energia pola elektrycznego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

8.1 Kierunek prądu elektrycznego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

8.2 Działanie prądu elektrycznego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

8.5 Stacjonarne pole elektryczne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Prawo 9 Ohma

9.1 Prawo Ohma dla odcinka obwodu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

9.2 Opór elektryczny. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

		Oporność. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Połączenia przewodów
		Rezystory i przewody doprowadzające. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Połączenie szeregowe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Połączenie równoległe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Mieszany związek. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Praca i moc aktualna

11.1 Bieżąca praca. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

11.2 Aktualna moc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

11.3 Prawo Joule'a-Lenza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

12.3 Sprawność obwodu elektrycznego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

12.4 Prawo Ohma dla obszaru niejednorodnego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

13.1 Wolne elektrony. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

13.2 Eksperyment Rikkego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

14.1 Dysocjacja elektrolityczna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

14.2 Przewodność jonowa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

14.3 Elektroliza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

15.1 Bezpłatne opłaty za gaz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

15.2 Wyładowanie niesamopodtrzymujące. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

16.1 Wiązanie kowalencyjne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

16.2 Struktura krystaliczna krzemu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

16.3 Przewodnictwo własne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

16.4 Przewodność zanieczyszczeń. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Złącze p-n 16,5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

17.1 Interakcja magnesu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

17.2 Linie pola magnetycznego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

17.5 Pole magnetyczne cewki z prądem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

17.6 Pole magnetyczne cewki prądowej. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

		Hipoteza Ampera. Prądy elementarne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Pole magnetyczne. Uprawnienie
		Siła Lorentza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Moc amperowa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Rama z prądem w polu magnetycznym. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Indukcja elektromagnetyczna
		Strumień magnetyczny. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19.2 Indukcja emf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

19.3 Prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

19.4 Reguła Lenza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

19.7 Wirowe pole elektryczne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

19.8 Indukcja SEM w poruszającym się przewodniku. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

	Samoindukcja
		Indukcyjność. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
		Analogia elektromechaniczna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Energia pola magnetycznego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
	Wibracje elektromagnetyczne
		Obwód oscylacyjny. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Przemiany energii w obwodzie oscylacyjnym. . . . . . . . . . . . . . .
		Analogie elektromechaniczne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21.4 Harmoniczne prawo drgań w obwodzie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

21.5 Wymuszone oscylacje elektromagnetyczne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

	Prąd przemienny. 1
		Stan quasi-stacjonarny. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Rezystor w obwodzie prądu przemiennego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
		Kondensator w obwodzie prądu przemiennego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Cewka w obwodzie prądu przemiennego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
	Prąd przemienny. 2
		Metoda kąta pomocniczego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Obwód oscylacyjny z rezystorem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Rezonans w obwodzie oscylacyjnym. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Zasilanie sieciowe

24.1 Aktualna moc przez rezystor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

24.2 Aktualna moc przez kondensator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

24.3 Moc prądu przez cewkę. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

26.1 Hipoteza Maxwella. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

26.2 Pojęcie pola elektromagnetycznego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

27.1 Otwarty obwód oscylacyjny. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

27.2 Właściwości fal elektromagnetycznych. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

27.3 Gęstość strumienia promieniowania. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

27.4 Rodzaje promieniowania elektromagnetycznego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

1 Ładunek elektryczny

Oddziaływania elektromagnetyczne należą do najbardziej podstawowych oddziaływań w przyrodzie. Siły sprężystości i tarcia, ciśnienie cieczy i gazu i wiele innych można sprowadzić do sił elektromagnetycznych pomiędzy cząsteczkami materii. Same interakcje elektromagnetyczne nie są już redukowane do innych, głębszych typów interakcji.

Równie podstawowym rodzajem interakcji jest grawitacja – przyciąganie grawitacyjne dowolnych dwóch ciał. Istnieje jednak kilka istotnych różnic między oddziaływaniami elektromagnetycznymi i grawitacyjnymi.

1. Nie każdy może brać udział w oddziaływaniach elektromagnetycznych, ale tylko naładowanych.

ciała (posiadające ładunek elektryczny).

2. Oddziaływanie grawitacyjne to zawsze przyciąganie jednego ciała do drugiego. Oddziaływania elektromagnetyczne mogą być przyciągające lub odpychające.

3. Oddziaływanie elektromagnetyczne jest znacznie intensywniejsze niż oddziaływanie grawitacyjne. Na przykład elektryczna siła odpychania dwóch elektronów wynosi 10 42 razy większa niż siła ich wzajemnego przyciągania grawitacyjnego.

Każde naładowane ciało ma pewną ilość ładunku elektrycznego q. Ładunek elektryczny to wielkość fizyczna określająca siłę oddziaływania elektromagnetycznego pomiędzy obiektami naturalnymi. Jednostką ładunku jest kulomb (C)1.

1.1 Dwa rodzaje opłat

Ponieważ oddziaływanie grawitacyjne jest zawsze przyciąganiem, masy wszystkich ciał są nieujemne. Nie dotyczy to jednak opłat. Wygodnie jest opisać dwa rodzaje oddziaływań elektromagnetycznych, przyciąganie i odpychanie, wprowadzając dwa rodzaje ładunków elektrycznych: dodatnie i ujemne.

Ładunki różnych znaków przyciągają się, a ładunki tego samego znaku odpychają się. Jest to zilustrowane na ryc. 1 ; Kulkom zawieszonym na nitkach nadawane są ładunki tego czy innego znaku.

Ryż. 1. Oddziaływanie dwóch rodzajów ładunków

Powszechną manifestację sił elektromagnetycznych tłumaczy się faktem, że atomy dowolnej substancji zawierają naładowane cząstki: jądro atomu zawiera dodatnio naładowane protony, a ujemnie naładowane elektrony poruszają się po orbitach wokół jądra. Ładunki protonu i elektronu są równe pod względem wielkości, a liczba protonów w jądrze jest równa liczbie elektronów na orbitach, a zatem okazuje się, że atom jako całość jest elektrycznie obojętny. Dlatego w normalnych warunkach nie zauważamy wpływu elektromagnetycznego ze strony innych osób

1 Jednostka opłaty jest określana na podstawie jednostki bieżącej. 1 C to ładunek przechodzący przez przekrój przewodnika w ciągu 1 s przy prądzie 1 A.

ciała: całkowity ładunek każdego z nich wynosi zero, a naładowane cząstki są równomiernie rozmieszczone w całej objętości ciała. Ale jeśli naruszona zostanie neutralność elektryczna (na przykład w wyniku elektryfikacji), ciało natychmiast zaczyna oddziaływać na otaczające naładowane cząstki.

Dlaczego istnieją dokładnie dwa rodzaje ładunków elektrycznych, a nie inna liczba, nie jest obecnie znane. Można jedynie stwierdzić, że przyjęcie tego faktu jako pierwotnego daje adekwatny opis oddziaływań elektromagnetycznych.

Ładunek protonu wynosi 1,6 10 19 C. Ładunek elektronu ma przeciwny znak i jest równy

1;6 10 19 Kl. Ogrom

e = 1;6 10 19 kl

zwany ładunkiem elementarnym. Jest to minimalny możliwy ładunek: w eksperymentach nie wykryto swobodnych cząstek o mniejszym ładunku. Fizyka nie potrafi jeszcze wyjaśnić, dlaczego natura ma najmniejszy ładunek i dlaczego jego wielkość jest dokładnie taka.

Ładunek dowolnego ciała q zawsze składa się z całkowitej liczby ładunków elementarnych:

Jeśli q< 0, то тело имеет избыточное количество N электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же q >0, to wręcz przeciwnie, ciału brakuje elektronów: jest N więcej protonów.

1.2 Elektryfikacja ciał

Aby ciało makroskopowe mogło wywierać wpływ elektryczny na inne ciała, musi zostać naelektryzowane. Elektryfikacja to naruszenie neutralności elektrycznej ciała lub jego części. W wyniku elektryfikacji ciało staje się zdolne do oddziaływań elektromagnetycznych.

Jednym ze sposobów naelektryzowania ciała jest nadanie mu ładunku elektrycznego, czyli osiągnięcie w danym ciele nadmiaru ładunków tego samego znaku. Można to łatwo zrobić za pomocą tarcia.

Tak więc, gdy szklany pręt pociera się jedwabiem, część jego ładunków ujemnych trafia do jedwabiu. W rezultacie sztyft zostaje naładowany dodatnio, a jedwab ujemnie. Ale podczas pocierania patyka ebonitowego wełną część ładunków ujemnych zostaje przeniesiona z wełny na patyk: kij jest naładowany ujemnie, a wełna – dodatnio.

Ta metoda elektryzowania ciał nazywana jest elektryzacją przez tarcie. Za każdym razem, gdy ściągasz sweter przez głowę, napotykasz tarcie elektryczne ;-)

Inny rodzaj elektryfikacji nazywany jest indukcją elektrostatyczną lub elektryfikacją przez wpływ. W tym przypadku całkowity ładunek ciała pozostaje równy zeru, ale jest redystrybuowany w taki sposób, że w niektórych częściach ciała gromadzą się ładunki dodatnie, a w innych ładunki ujemne.

Ryż. 2. Indukcja elektrostatyczna

Spójrzmy na rys. 2. W pewnej odległości od metalowego korpusu znajduje się ładunek dodatni q. Przyciąga ujemne ładunki metali (wolne elektrony), które gromadzą się na obszarach powierzchni ciała położonych najbliżej ładunku. Nieskompensowane ładunki dodatnie pozostają w odległych obszarach.

Pomimo tego, że całkowity ładunek metalowego ciała pozostawał równy zeru, w ciele nastąpiło przestrzenne rozdzielenie ładunków. Jeśli teraz podzielimy ciało wzdłuż linii przerywanej, wówczas prawa połowa będzie naładowana ujemnie, a lewa połowa będzie naładowana dodatnio.

Za pomocą elektroskopu można obserwować elektryfikację ciała. Prosty elektroskop pokazano2 na rys.3.

Ryż. 3. Elektroskop

Co się dzieje w tym przypadku? Dodatnio naładowany sztyft (na przykład wcześniej potarty) przykłada się do dysku elektroskopu i zbiera na nim ładunek ujemny. Poniżej, na ruchomych listkach elektroskopu, pozostają nieskompensowane ładunki dodatnie; Odsuwając się od siebie, liście poruszają się w różnych kierunkach. Jeśli usuniesz patyk, ładunki wrócą na swoje miejsce, a liście opadną.

Podczas burzy obserwuje się zjawisko indukcji elektrostatycznej na wielką skalę. Na ryc. 4 widzimy chmurę burzową przelatującą nad ziemią3.

Ryż. 4. Elektryfikacja ziemi przez chmurę burzową

Wewnątrz chmury znajdują się kawałki lodu różnej wielkości, które mieszają się pod wpływem wznoszących się prądów powietrza, zderzają się ze sobą i ulegają elektryzowaniu. Okazuje się, że na dole chmury gromadzi się ładunek ujemny, a na górze ładunek dodatni.

Ujemnie naładowana dolna część chmury indukuje ładunki dodatnie znajdujące się pod nią na powierzchni ziemi. Pojawia się gigantyczny kondensator o kolosalnym napięciu

2 Obraz z en.wikipedia.org.

3 Zdjęcie z elementy.ru.

pomiędzy chmurą a ziemią. Jeśli to napięcie wystarczy do przebicia szczeliny powietrznej, nastąpi dobrze znane wyładowanie atmosferyczne.

1.3 Prawo zachowania ładunku

Wróćmy do przykładu elektryzacji poprzez tarcie poprzez pocieranie patyka szmatką. W tym przypadku kij i kawałek materiału uzyskują ładunki o jednakowej wartości i przeciwnym znaku. Ich całkowity ładunek był równy zeru przed interakcją i pozostaje równy zeru po interakcji.

Widzimy tu prawo zachowania ładunku, które głosi: w zamkniętym układzie ciał algebraiczna suma ładunków pozostaje niezmieniona podczas wszelkich procesów zachodzących z tymi ciałami:

q1 + q2 + : : : + qn = stała:

Zamknięcie układu ciał oznacza, że ciała te mogą wymieniać ładunki tylko między sobą, a nie z innymi obiektami zewnętrznymi w stosunku do tego układu.

Podczas elektryzowania kija nie ma nic dziwnego w zachowaniu ładunku: tyle naładowanych cząstek opuściło kij, ile dotarło do kawałka materiału (lub odwrotnie). Zaskakujące jest to, że w procesach bardziej złożonych, którym towarzyszą wzajemne przekształcenia cząstek elementarnych i zmiana liczby cząstek naładowanych w układzie, ładunek całkowity jest nadal zachowany!

Na przykład na ryc. 5 pokazuje proces! e + e+, w którym część promieniowania elektromagnetycznego (tzw. foton) zamienia się w dwie naładowane cząstki: elektron e i pozyton e+. Proces taki okazuje się możliwy pod pewnymi warunkami, na przykład w polu elektrycznym jądra atomowego.

Ryż. 5. Narodziny pary elektron-pozyton

Ładunek pozytonu jest równy ładunkowi elektronu i ma przeciwny znak. Prawo zachowania ładunku jest spełnione! Rzeczywiście, na początku procesu mieliśmy foton, którego ładunek wynosił zero, a na końcu otrzymaliśmy dwie cząstki o całkowitym ładunku zero.

Prawo zachowania ładunku (wraz z istnieniem najmniejszego ładunku elementarnego) jest dziś podstawowym faktem naukowym. Fizycy nie byli jeszcze w stanie wyjaśnić, dlaczego przyroda zachowuje się w ten, a nie inny sposób. Możemy jedynie stwierdzić, że fakty te potwierdzają liczne eksperymenty fizyczne.