Ті, що відбуваються в природі фізичні процесине завжди пояснюються дією законів молекулярно-кінетичної теорії, механіки чи термодинаміки. Існують електромагнітні сили, які діють на відстані і не залежать від маси тіла.

Їхні прояви вперше описані в працях древніх вчених Греції, коли вони бурштином, потертим вовну, притягували легкі, маленькі частинки окремих речовин.

Історичний внесок вчених у розвиток електродинаміки

Досліди з бурштином докладно вивчали англійський дослідник. Вільямом Гільбертом. У останніх роках XVI століття він зробив звіт про свою роботу, а предмети, здатні притягувати інші тіла з відривом, позначив терміном «наелектризовані».

Французьким фізиком Шарлем Дюфе було визначено існування зарядів із протилежними знаками: одні утворювалися при терті скляних предметів об шовкову тканину, інші - смол по шерсті. Він так і назвав їх: скляні та смоляні. Після завершення досліджень Бенджаміна Франклінабуло введено поняття негативних та позитивних зарядів.

Шарль Кулон реалізував можливість виміру сили зарядів конструкцією крутильних ваг власного винаходу.

Роберт Міллікен на основі серії проведених дослідів встановив дискретний характер електричних зарядів будь-якої речовини, довівши, що вони складаються з певної кількості. елементарних частинок. (Не плутати з іншим поняттям цього терміну – дробовості, уривчастості.)

Праці перерахованих вчених послужили фундаментом сучасних знаньпро процеси та явища, що відбуваються в електричних та магнітних полях, створюваних електричними зарядами та їх рухом, що вивчаються електродинамікою.

Визначення зарядів та принципи їх взаємодії

Електричним зарядом характеризують властивості речовин, які забезпечують можливість створювати електричні поля та взаємодіяти в електромагнітних процесах. Ще його називають кількістю електрики та визначають як фізичну скалярну величину. Для позначення заряду прийнято символи «q» або «Q», а при вимірах використовують одиницю «Кулон», названу на честь французького вченого, який розробив унікальну методику.

Ним було створено прилад, у корпусі якого використовувалися підвішені на тонкій нитці з кварцу кульки. Вони орієнтувалися у просторі певним чином, які положення реєструвалося щодо проградуированной шкали з рівними поділами.

Через спеціальний отвір у кришці до цих кульок підводилася інша куля, що має додатковий заряд. Виникаючі сили взаємодії змушували відхилятися кульки, повертали їх коромисло. Величина різниці відліків на шкалі до введення заряду і після нього дозволяла оцінювати кількість електрики у випробуваних зразках.

Заряд 1 кулон характеризується в системі СІ силою струму в 1 ампер, що проходить через поперечний перерізпровідника за час, що дорівнює 1 секунді.

Усі електричні заряди сучасна електродинаміка поділяє на:

позитивні;

негативні.

При взаємодії їх між собою вони виникають сили, напрям яких залежить від існуючої полярності.

Однакового типу заряди, позитивні чи негативні, завжди відштовхуються в протилежні сторони, прагнучи, якнайдалі відійти один від одного. А у зарядів протилежних знаків діють сили, які прагнуть зблизити їх і поєднати в одне ціле.

Принцип суперпозиції

Коли в певному обсязізнаходиться кілька зарядів, то їм діє принцип суперпозиції.

Його сенс у тому, що кожен заряд певним чином за розглянутим вище способом взаємодіє з рештою, притягуючись до різноїменних і відштовхуючись від однотипних. Наприклад, позитивний заряд q1 діє сила тяжіння F31 до негативного заряду q3 і відштовхування F21 - від q2.

Результуюча сила F1, що діє q1, визначається геометричним додаванням векторів F31 і F21. (F1 = F31 + F21).

Таким же методом визначаються результуючі сили F2 і F3 на заряди q2 і q3 відповідно.

За допомогою принципу суперпозиції зроблено висновок про те, що при певній кількості зарядів у замкнутій системі між усіма її тілами діють електростатичні сили, що встановилися, а потенціал у будь-якій певній точці цього простору. дорівнює суміпотенціалів від усіх окремо доданих зарядів.

Дія цих законів підтверджують створені прилади електроскоп та електрометр, що мають загальний принципроботи.

Електроскоп складається з двох однакових пелюсток тонкої фольги, підвішених в ізольованому просторі на струмопровідній нитці, приєднаній до металевої кульки. У звичайному стані на цю кульку заряди не діють, тому пелюстки вільно висять у просторі всередині колби приладу.

Як можна передавати заряд між тілами

Якщо до кульки електроскопа піднести заряджене тіло, наприклад, паличку, то заряд пройде через кульку струмопровідною ниткою до пелюсток. Вони отримають однойменний заряд і відсуватимуться один від одного на кут, пропорційний доданій кількості електрики.

У електрометра такий же важливий пристрій, але він має невеликі відмінності: один пелюстка закріплений стаціонарно, а другий відходить від нього і забезпечений стрілкою, яка дозволяє знімати відлік з шкали, що прогороджує.

Для перенесення заряду від віддаленого стаціонарно закріпленого та зарядженого тіла на електрометр можна скористатися проміжними носіями.

Вимірювання, зроблені електрометром, не мають високим класомточності та на їх основі складно аналізувати сили, що діють між зарядами. Для їхнього дослідження більше пристосовані крутильні ваги Кулона. У них використані кульки з діаметрами, значно меншими, ніж їхнє видалення один від одного. Вони мають властивості точкових зарядів - заряджених тіл, розміри яких не впливають на точність приладу.

Вимірювання, виконані Кулоном, підтвердили його здогад про те, що точковий заряд передається від зарядженого тіла до такого ж за властивостями і масою, але незарядженим таким чином, щоб рівномірно розподілитися між ними, зменшуючись на джерелі в 2 рази. Таким способом вдалося зменшувати величину заряду в два, три та іншу кількість разів.

Сили, що існують між нерухомими електричними зарядами, називають кулонівським або статичним взаємодією. Їх вивчає електростатика, що є одним із розділів електродинаміки.

Види носіїв електричних зарядів

Сучасна наука вважає найменшою негативно зарядженою частинкою електрон, а позитивною - позитрон. Вони мають однакову масу 9,1 10-31 кг. Елементарна частка протон має всього один позитивний заряд і масою 1,7 · 10-27 кг. У природі кількість позитивних та негативних зарядів врівноважена.

У металах рух електронів створює , а напівпровідниках носіями його зарядів є електрони і дірки.

У газах струм утворюється пересуванням іонів - заряджених неелементарних частинок (атомів чи молекул) з позитивними зарядами, званими катіонами чи негативними - аніонами.

Іони утворюються із нейтральних частинок.

Позитивний заряд створюється у частинки, що втратила електрон під дією потужного електричного розряду, світлового або радіоактивного опромінення, потоку вітру, руху мас води або інших причин.

Негативні іони утворюються з нейтральних частинок, які додатково отримали електрон.

Використання іонізації в медичних ціляхі побуті

Дослідники давно помітили здатність негативних іоніввпливати на організм людини, покращувати споживання кисню повітря, швидше доставляти його до тканин та клітин, прискорювати процес окиснення серотоніну. Це все у комплексі значно підвищує імунітет, покращує настрій, знімає біль.

Перший іонізатор, який використовується для лікування людей, отримав назву люстри Чижевського, на честь радянського вченого, який створив прилад, що благотворно впливає на здоров'я людини.

У сучасних електроприладах для роботи в побутових умовах можна зустріти вбудовані іонізатори в пилососи, зволожувачі повітря, фени, сушарки.

Спеціальні іонізатори повітря очищають його склад, зменшують кількість пилу та шкідливих домішок.

Іонізатори води здатні знижувати кількість хімічних реагентів у її складі. Їх використовують для очищення басейнів та водойм, насичуючи воду іонами міді чи срібла, які зменшують зростання водоростей, знищують віруси та бактерії.

Електричний заряд– це фізична величина, Що визначає інтенсивність електромагнітних взаємодій. Електромагнітні взаємодії – це взаємодії між зарядженими частинками чи тілами.

Електричні заряди поділяються на позитивні та негативні. Позитивним зарядом мають стабільні елементарні частинки - протониі позитрониа також іони атомів металів і т.д. Стабільними носіями негативного заряду є електроні антипротон.

Існують електрично незаряджені частинки, тобто нейтральні: нейтрон, нейтрино. В електричних взаємодіях ці частки не беруть участь, оскільки їхній електричний заряд дорівнює нулю. Бувають частинки без заряду, але електричний заряд не існує без частки.

На склі, потертому об шовк, виникають позитивні заряди. На ебоніті, потертому про хутро – негативні заряди. Частинки відштовхуються при зарядах однакових знаків ( однойменні заряди), а при різних знаках (різноіменні заряди) частинки притягуються.

Усі тіла складаються з атомів. Атоми складаються з позитивно зарядженого атомного ядра та негативно заряджених електронів, що рухаються довкола ядра атома. Атомне ядро ​​складається з позитивно заряджених протонів та нейтральних частинок – нейтронів. Заряди в атомі розподілені таким чином, що атом загалом є нейтральним, тобто сума позитивних та негативних зарядів в атомі дорівнює нулю.

Електрони та протони входять до складу будь-якої речовини та є найменшими стійкими елементарними частинками. Ці частки можуть необмежено довго існувати у вільному стані. Електричний заряд електрона та протона називається елементарним зарядом.

Елементарний заряд– це мінімальний заряд, Які мають всі заряджені елементарні частинки. Електричний заряд протона дорівнює по абсолютної величинизаряду електрона:

Е = 1,6021892 (46) * 10 -19 Кл

Сили взаємодії нерухомих зарядів прямо пропорційні добутку модулів зарядів і обернено пропорційні квадрату відстані між ними:

Сили взаємодії підпорядковуються третьому закону Ньютона: Вони є силами відштовхування при однакових знакахзарядів та силами тяжіння за різних знаків (рис. 1.1.3). Взаємодія нерухомих електричних зарядів називають електростатичним або кулонівським взаємодією. Розділ електродинаміки, що вивчає кулонівську взаємодію, називають електростатикою .

Закон Кулона є справедливим для точкових заряджених тіл. Практично закон Кулона добре виконується, якщо розміри заряджених тіл набагато менші за відстань між ними.

Коефіцієнт пропорційності kу законі Кулона залежить від вибору системи одиниць. У Міжнародній системіСІ за одиницю заряду прийнято кулон(Кл).

Кулон– це заряд, що проходить за 1 с через поперечний переріз провідника при силі струму 1 А. Одиниця сили струму (ампер) у СІ є поряд з одиницями довжини, часу та маси основною одиницею виміру.

Коефіцієнт kу системі СІ зазвичай записують у вигляді:

Досвід показує, що сили кулонівської взаємодіїпідкоряються принципу суперпозиції.

Подібно до поняття гравітаційної масиТіло в механіці Ньютона, поняття заряду в електродинаміці є первинним, основним поняттям.

Електричний заряд - це фізична величина, що характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітні силові взаємодії.

Електричний заряд зазвичай позначається буквами qабо Q.

Сукупність всіх відомих експериментальних фактів дозволяє зробити такі висновки:

Існує два роду електричних зарядів, умовно названих позитивними та негативними.

Заряди можуть передаватися (наприклад, при безпосередньому контакті) від тіла до іншого. На відміну від маси тіла, електричний заряд не є невід'ємною характеристикою даного тіла. Одне і те ж тіло в різних умовахможе мати різний заряд.

Одноіменні заряди відштовхуються, різноіменні – притягуються. У цьому також проявляється принципова відмінність електромагнітних силвід гравітаційних. Гравітаційні силизавжди є силами тяжіння.

Одним із фундаментальних законів природи є експериментально встановлений закон збереження електричного заряду .

В ізольованій системі алгебраїчна сумазарядів усіх тіл залишається постійною:

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

Закон збереження електричного заряду стверджує, що у замкнутій системі тіл що неспроможні спостерігатися процеси народження чи зникнення зарядів лише однієї знака.

З сучасної точкизору, носіями зарядів є елементарні частки. Усі звичайні тіла складаються з атомів, до складу яких входять позитивно заряджені протони, негативно заряджені електрони та нейтральні частки - нейтрони. Протони та нейтрони входять до складу атомних ядер, електрони утворюють електронну оболонкуатомів. Електричні заряди протона і електрона за модулем точно однакові і рівні елементарному заряду e.

У нейтральному атомі число протонів у ядрі дорівнює числу електронів в оболонці. Це число називається атомним номером . атом даної речовиниможе втратити один чи кілька електронів чи придбати зайвий електрон. У цих випадках нейтральний атом перетворюється на позитивно або негативно заряджений іон.

Заряд може передаватися від одного тіла до іншого лише порціями, що містять цілу кількість елементарних зарядів. Таким чином, електричний заряд тіла - дискретна величина:

Фізичні величини, які можуть приймати лише дискретний рядзначень, називаються квантованими . Елементарний заряд eє квантом ( найменшою порцією) Електричного заряду. Слід зазначити, що в сучасної фізикиелементарних частинок передбачається існування так званих кварків - частинок з дробовим зарядом і проте, у вільному стані кварки досі спостерігати не вдалося.

У звичайних лабораторних дослідівдля виявлення та вимірювання електричних зарядів використовується електрометр ( або електроскоп) - прилад, що складається з металевого стрижня та стрілки, яка може обертатися навколо горизонтальної осі (рис. 1.1.1). Стрижень із стрілкою ізольований від металевого корпусу. При зіткненні зарядженого тіла зі стрижнем електрометра електричні заряди одного знака розподіляються по стрижню та стрілці. Сили електричного відштовхування викликають поворот стрілки на деякий кут, яким можна судити про заряд, переданому стрижню електрометра.

Електрометр є досить грубим приладом; він дозволяє досліджувати сили взаємодії зарядів. Вперше закон взаємодії нерухомих зарядів був відкритий французьким фізиком Шарлем Кулоном в 1785 р. У своїх дослідах Кулон вимірював сили тяжіння та відштовхування заряджених кульок за допомогою сконструйованого ним приладу - крутильних ваг (рис. 1.1.2), що відрізнялися надзвичайно високою чутливістю. Так, наприклад, коромисло терезів поверталося на 1° під дією сили порядку 10 -9 Н.

Ідея вимірів ґрунтувалася на блискучій здогадці Кулона про те, що якщо заряджена кулька привести в контакт з такою самою незарядженою, то заряд першого розділиться між ними порівну. Таким чином, був вказаний спосіб змінювати заряд кульки в два, три і т.д. У дослідах Кулона вимірювалася взаємодія між кульками, розміри яких набагато менші за відстань між ними. Такі заряджені тіла прийнято називати точковими зарядами.

Точковим зарядом називають заряджене тіло, розмірами якого в умовах даного завдання можна знехтувати.

На підставі численних дослідів Кулон встановив такий закон:

Сили взаємодії нерухомих зарядів прямо пропорційні добутку модулів зарядів і обернено пропорційні квадрату відстані між ними:

Сили взаємодії підпорядковуються третьому закону Ньютона:

Вони є силами відштовхування за однакових знаків зарядів і силами тяжіння за різних знаків (рис. 1.1.3). Взаємодія нерухомих електричних зарядів називають електростатичним або кулонівським взаємодією. Розділ електродинаміки, що вивчає кулонівську взаємодію, називають електростатикою .

Закон Кулона є справедливим для точкових заряджених тіл. Практично закон Кулона добре виконується, якщо розміри заряджених тіл набагато менші за відстань між ними.

Коефіцієнт пропорційності kу законі Кулона залежить від вибору системи одиниць. У Міжнародній системі СІ за одиницю заряду прийнято кулон(Кл).

Кулон - це заряд, що проходить за 1 с через поперечний переріз провідника при силі струму 1 А. Одиниця сили струму (Ампер) у СІ є поряд з одиницями довжини, часу та маси основною одиницею виміру.

Коефіцієнт kу системі СІ зазвичай записують у вигляді:

Де - електрична постійна .

У системі СІ елементарний заряд eдорівнює:

Досвід показує, що сили кулонівської взаємодії підпорядковуються принципу суперпозиції:

Якщо заряджене тіло взаємодіє одночасно з кількома зарядженими тілами, то результуюча сила, що діє дане тіло, дорівнює векторної сумисил, що діють це тіло з боку всіх інших заряджених тіл.

Мал. 1.1.4 пояснює принцип суперпозиції з прикладу електростатичного взаємодії трьох заряджених тіл.

Принцип суперпозиції є фундаментальним законом природи. Однак його застосування вимагає певної обережності, у тому випадку, коли мова йдепро взаємодію заряджених тіл кінцевих розмірів (наприклад, двох провідних заряджених куль 1 і 2). Якщо до системи з двох заряджених куль піднсти третю заряджену кулю, то взаємодія між 1 і 2 зміниться через перерозподілу зарядів.

Принцип суперпозиції стверджує, що при заданому (фіксованому) розподілі зарядівна всіх тілах сили електростатичної взаємодії між будь-якими двома тілами не залежать від інших заряджених тіл.

Підвісивши на двох нитках легкі кульки з фольги і торкнувшись кожного з них скляною паличкою, потертою об шовк, можна побачити, що кульки відштовхнуться один від одного. Якщо потім торкнутися однієї кульки скляною паличкою, потертою об шовк, а іншого ебонітовою паличкою, потертою про хутро, то кульки притягнуться один до одного. Це означає, що скляна та ебонітова палички при терті набувають заряди різних знаків , тобто. у природі існують два роди електричних зарядів, що мають протилежні знаки: позитивний та негативний. Умовилися вважати, що скляна паличка, потерта об шовк, набуває позитивний заряд , а ебонітова паличка, потерта об хутро, набуває негативний заряд .

З описаного досвіду також випливає, що заряджені тіла взаємодіють один з одним. Таку взаємодію зарядів називають електричною. При цьому однойменні заряди, тобто. заряди одного знака , Відштовхуються один від одного, а різноіменні заряди притягуються один до одного.

На явищі відштовхування однойменно заряджених тіл засновано пристрій електроскопа- приладу, що дозволяє визначити, чи заряджено дане тіло, та електрометра, приладу, що дозволяє оцінити значення електричного заряду

Якщо зарядженим тілом торкнутися стрижня електроскопа, листочки електроскопа розійдуться, оскільки вони придбають заряд одного знака. Те саме станеться зі стрілкою електрометра, якщо торкнутися зарядженим тілом його стрижня. При цьому чим більше заряд, тим на більший кут відхилиться стрілка від стрижня.

З простих дослідівслід, що сила взаємодії між зарядженими тілами може бути більшою або меншою залежно від величини придбаного заряду. Таким чином, можна сказати, що електричний заряд, з одного боку, характеризує здатність тіла до електричної взаємодії, і з іншого боку, є величиною, визначальною інтенсивність цієї взаємодії.

Заряд позначають буквою q , за одиницю заряду прийнято кулон: [q ] = 1 Кл.

Якщо торкнутися зарядженої паличкою одного електрометра, а потім цей електрометр з'єднати металевим стрижнем з іншим електрометром, заряд, що знаходиться на першому електрометрі, поділиться між двома електрометрами. Можна потім з'єднати електрометр з кількома електрометрами, і заряд буде ділитися між ними. Таким чином, електричний заряд має властивістю подільності . Межею ділимості заряду, тобто. найменшим зарядом, що існує в природі, є заряд електрона. Заряд електрона негативний і дорівнює 1,6 * 10 -19 Кл. Будь-який інший заряд кратний заряду електрона.

І. В. Яковлєв | Матеріали з фізики MathUs.ru

Електродинаміка

Цей посібник присвячений третьому розділу «Електродинаміка» кодифікатора ЄДІ з фізики. Воно охоплює такі теми.

Електризація тел. Взаємодія зарядів. Два види заряду. Закон збереження електричного заряду. Закон Кулону.

Дія електричного поляна електричні заряди. Напруженість електричного поля. Принцип суперпозиції електричних полів.

Потенційність електростатичного поля. Потенціал електричного поля. Напруга (різниця потенціалів).

Провідники в електричному полі. Діелектрики в електричному полі.

Електрична ємність. Конденсатор. Енергія електричного поля конденсатора.

Постійний електричний струм. Сила струму. напруга. Електричний опір. Закон Ома для ділянки ланцюга.

Паралельне та послідовне з'єднання провідників. Змішане з'єднання провідників.

Робота електричного струму. Закон Джоуля-Ленца. Потужність електричного струму.

Електрорушійна сила. Внутрішнє опір джерела струму. Закон Ома для повної електричного ланцюга.

Носії вільних електричних зарядів у металах, рідинах та газах.

Напівпровідники. Власна та домішкова провідність напівпровідників.

Взаємодія магнітів Магнітне поле провідника зі струмом. Сила Ампера. Сила Лоренца.

Явище електромагнітної індукції. Магнітний потік. Закон електромагнітної індукції Фарадея. Правило Ленца.

Самоіндукція. Індуктивність. Енергія магнітного поля.

Вільні електромагнітні коливання. Коливальний контур. Вимушені електромагнітні коливання. Резонанс. Гармонійні електромагнітні коливання.

Змінний струм. Виробництво, передача та споживання електричної енергії.

Електромагнітне поле.

Властивості електромагнітних хвиль. Різні видиелектромагнітних випромінювань та їх застосування.

Посібник містить також деякий додатковий матеріал, що не входить до кодифікатор ЄДІ(але входить до шкільну програму!). Цей матеріал дозволяє краще зрозуміти аналізовані теми.

1.2 Електризація тіл . . . . . . . 7

2.1 Принцип суперпозиції . 11

2.2 Закон Кулона у діелектриці . . 12

3.1 Дальнодія та близькодія 13

3.2 Електричне поле . . 13

3.3 Напруженість поля точкового заряду 14

3.4 Принцип суперпозиції електричних полів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.5 Поле рівномірно зарядженої площини. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.6 Лінії напруженості електричного поля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.1 Консервативні сили. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.2 Потенційність електростатичного поля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.3 Потенційна енергія заряду в однорідному полі. . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.6 Різниця потенціалів. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.7 Принцип суперпозиції для потенціалів. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.8 Однорідне поле: зв'язок напруги та напруженості. . . . . . . . . . . . . . . . 24

5.2 Заряд усередині провідника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.1 Діелектрична проникність. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6.2 Полярні діелектрики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6.3 Неполярні діелектрики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

7.1 Ємність відокремленого провідника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

7.2 Ємність плоского конденсатора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7.3 Енергія зарядженого конденсатора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

7.4 Енергія електричного поля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

8.1 Напрямок електричного струму. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

8.2 Дія електричного струму. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

8.5 Стаціонарне електричне поле. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

9 Закон Ома

9.1 Закон Ома для ділянки ланцюга. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

9.2 Електричний опір. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

		Питомий опір. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	З'єднання провідників
		Резистори та підвідні дроти. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Послідовне з'єднання. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Паралельне з'єднання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Змішане з'єднання. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Робота та потужність струму

11.1 Робота струму. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

11.2 Потужність струму. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

11.3 Закон Джоуля-Ленца. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

12.3 ККД електричного ланцюга. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

12.4 Закон Ома для неоднорідної ділянки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

13.1 Вільні електрони. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

13.2 Досвід Рікке. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

14.1 Електролітична дисоціація. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

14.2 Іонна провідність. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

14.3 Електроліз. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

15.1 Вільні заряди у газі. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

15.2 Несамостійний розряд. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

16.1 Ковалентний зв'язок. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

16.2 Кристалічна структура кремнію. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

16.3 Власна провідність. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

16.4 Домішна провідність. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

16.5 p-n-перехід. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

17.1 Взаємодія магнітів. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

17.2 Лінії магнітного поля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

17.5 Магнітне поле витка зі струмом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

17.6 Магнітне поле котушки зі струмом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

		Гіпотеза Ампера. Елементарні струми . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Магнітне поле. Сили
		Сила Лоренца. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Сила Ампера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Рамка зі струмом у магнітному полі. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Електромагнітна індукція
		Магнітний потік. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19.2 ЕРС індукції. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

19.3 Закон електромагнітної індукції Фарадея. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

19.4 Правило Ленца. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

19.7 Вихрове електричне поле. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

19.8 ЕРС індукції в провіднику, що рухається. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

	Самоіндукція
		Індуктивність. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
		Електромеханічна аналогія. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Енергія магнітного поля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
	Електромагнітні коливання
		Коливальний контур. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Енергетичні перетворення в коливальному контурі. . . . . . . . . . . . . . .
		Електромеханічні аналогії. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21.4 Гармонічний закон коливань у контурі. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

21.5 Вимушені електромагнітні коливання. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

	Змінний струм. 1
		Умова квазістаціонарності. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Резистор у ланцюгу змінного струму . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
		Конденсатор у ланцюгу змінного струму. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Котушка в ланцюгу змінного струму. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
	Змінний струм. 2
		Метод допоміжного кута . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Коливальний контур із резистором. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Резонанс у коливальному контурі. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Потужність змінного струму

24.1 Потужність струму через резистор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

24.2 Потужність струму через конденсатор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

24.3 Потужність струму через котушку. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

26.1 Гіпотеза Максвелла. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

26.2 Концепція електромагнітного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

27.1 Відкритий коливальний контур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

27.2 Властивості електромагнітних хвиль. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

27.3 Щільність потоку випромінювання. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

27.4 Види електромагнітних випромінювань. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

1 Електричний заряд

Електромагнітні взаємодії належать до найбільш фундаментальних взаємодійв природі. Сили пружності та тертя, тиск рідини та газу та багато іншого можна звести до електромагнітних сил між частинками речовини. Самі електромагнітні взаємодії не зводяться до інших, глибших видів взаємодій.

На стільки ж фундаментальним типомвзаємодії є тяжіння гравітаційне тяжіння будь-яких двох тіл. Однак між електромагнітними та гравітаційними взаємодіями є кілька важливих відмінностей.

1. Брати участь в електромагнітних взаємодіях можуть не будь-які, а лише заряджені

тіла (мають електричний заряд).

2. Гравітаційна взаємодія – це завжди тяжіння одного тіла до іншого. Електромагнітні взаємодії може бути як тяжінням, і відштовхуванням.

3. Електромагнітна взаємодія набагато інтенсивніша за гравітаційну. Наприклад, сила електричного відштовхування двох електронів у 10 42 разів перевищує силу їх гравітаційного тяжіннядруг до друга.

Кожне заряджене тіло має деяку величину електричного заряду q. Електричний заряд це фізична величина, що визначає силу електромагнітної взаємодіїміж об'єктами природи Одиницею виміру заряду є кулон (Кл)1 .

1.1 Два види заряду

Оскільки гравітаційна взаємодіязавжди є тяжінням, маси всіх тіл невід'ємні. Але для набоїв це не так. Два види електромагнітної взаємодії тяжіння та відштовхування зручно описувати, вводячи два види електричних зарядів: позитивні та негативні.

Заряди різних знаків притягуються один до одного, а заряди одного знака один від одного відштовхуються. Це проілюстровано на рис. 1; підвішеним на нитках кулькам повідомлено заряди того чи іншого знака.

Мал. 1. Взаємодія двох видів зарядів

Повсюдний прояв електромагнітних сил пояснюється тим, що в атомах будь-якої речовини є заряджені частинки: до складу ядра атома входять позитивно заряджені протони, а по орбітах навколо ядра рухаються негативно заряджені електрони. Заряди протона і електрона рівні за модулем, а число протонів в ядрі дорівнює числу електронів на орбітах, і тому виявляється, що атом в цілому електрично нейтральний. Ось чому в звичайних умовахми не помічаємо електромагнітного впливуз боку оточуючих

1 Одиниця виміру заряду визначається через одиницю виміру сили струму. 1 Кл це заряд, що проходить через поперечний переріз провідника за 1 с при силі струму 1 А.

тел: сумарний заряд кожного їх дорівнює нулю, а заряджені частинки рівномірно розподілені за обсягом тіла. Але за порушення електронейтральності (наприклад, внаслідок електризації) тіло негайно починає діяти на оточуючі заряджені частки.

Чому існує саме два види електричних зарядів, а не якесь інше їх число, Наразіневідомо. Ми можемо лише стверджувати, що прийняття цього факту як первинний дає адекватний опис електромагнітних взаємодій.

Заряд протона дорівнює 1; 6 10 19 Кл. Заряд електрона протилежний йому за знаком і дорівнює

1; 6 10 19 Кл. Величина

e = 1; 6 10 19 Кл

називається елементарним зарядом. Це мінімальний можливий заряд: вільних частинок з меншою величиною заряду в експериментах не виявлено. Фізика неспроможна поки пояснити, чому у природі є найменший заряд і його величина саме така.

Заряд будь-якого тіла q завжди складається із цілої кількості елементарних зарядів:

Якщо q< 0, то тело имеет избыточное количество N электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же q >0, то навпаки, у тіла електронів немає: протонів на N більше.

1.2 Електризація тіл

Щоб макроскопічне тіло чинило електричний впливна інші тіла його потрібно електризувати. Електризація - це порушення електричної нейтральності тіла або його частин. В результаті електризації тіло стає здатним до електромагнітних взаємодій.

Один із способів електризувати тіло повідомити йому електричний заряд, тобто домогтися надлишку в даному тілізаряди одного знака. Це нескладно зробити за допомогою тертя.

Так, при натиранні шовком скляної палички частина її негативних зарядів йде на шовк. Внаслідок цього паличка заряджається позитивно, а шовк негативно. А ось при натиранні вовною ебонітової палички частина негативних зарядів переходить із вовни на паличку: паличка заряджається негативно, а вовна позитивно.

Цей спосіб електризації тіл називається електризацією тертям. З електризацією тертям ви стикаєтеся щоразу, коли знімаєте светр через голову;-)

Інший тип електризації називається електростатичною індукцією, або електризацією через вплив. І тут сумарний заряд тіла залишається рівним нулюале перерозподіляється так, що в одних ділянках тіла накопичуються позитивні заряди, в інших негативні.

Мал. 2. Електростатична індукція

Давайте подивимося на рис. 2 . На певній відстані металевого тіла знаходиться позитивний заряд q. Він притягує себе негативні заряди металу ( вільні електрони), які накопичуються на найближчих до заряду ділянках поверхні тіла. на далеких ділянкахзалишаються некомпенсовані позитивні заряди.

Незважаючи на те, що сумарний заряд металевого тіла залишився рівним нулю, у тілі відбувся просторовий розподіл зарядів. Якщо зараз розділити тіло вздовж пунктирної лінії, то права половина виявиться зарядженою негативно, а ліва позитивно.

Спостерігати електризацію тіла можна з допомогою електроскопа. Простий електроскоп показан2 на рис.3.

Мал. 3. Електроскоп

Що відбувається в даному випадку? Позитивно заряджена паличка (наприклад, попередньо натерта) підноситься до диска електроскопа і збирає негативний заряд. Внизу на рухомих листочках електроскопа залишаються некомпенсовані позитивні заряди; відштовхуючись один від одного, листочки розходяться в різні сторони. Якщо забрати паличку, то заряди повернуться на місце і листочки обпадуть назад.

Явище електростатичної індукціїу грандіозних масштабах спостерігається під час грози. На рис. 4 ми бачимо грозову хмару, що йде над землею3 .

Мал. 4. Електризація землі грозової хмарою

Усередині хмари є крижинки різних розмірів, які перемішуються висхідними потоками повітря, стикаються один з одним та електризуються. У цьому виявляється, що у нижній частині хмари накопичується негативний заряд, а верхній позитивний.

Негативно заряджена Нижня частинахмари наводить під собою на землі заряди позитивного знака. Виникає гігантський конденсатор із колосальною напругою

2 Зображення із сайту en.wikipedia.org .

3 Зображення із сайтуelementy.ru.

між хмарою та землею. Якщо цієї напруги буде достатньо для пробою повітряного проміжку, то буде розряд добре відома вам блискавка.

1.3 Закон збереження заряду

Повернемося наприклад електризації тертям натирання палички тканиною. У цьому випадку паличка та шматок тканини набувають рівні за модулем і протилежні за знаком заряди. Їх сумарний заряд як дорівнював нулю до взаємодії, так і залишається рівним нулю після взаємодії.

Ми бачимо тут закон збереження заряду, який говорить: у замкнутій системі тіл алгебраїчна сума зарядів залишається незмінною за будь-яких процесів, що відбуваються з цими тілами:

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

Замкнутість системи тіл означає, що ці тіла можуть обмінюватися зарядами тільки між собою, але не з будь-якими іншими об'єктами, зовнішніми по відношенню до даної системи.

При електризації палички нічого дивного у збереженні заряду немає: скільки заряджених частинок пішло з палички стільки ж прийшло на шматок тканини (або навпаки). Дивно те, що в більш складних процесах, що супроводжуються взаємними перетвореннями елементарних частинок та зміною числа заряджених частинок у системі, сумарний заряд все одно зберігається!

Наприклад, на рис. 5 показаний процес! e + e+ , при якому порція електромагнітного випромінювання(так званий фотон) перетворюється на дві заряджені частинки електрон e і позитрон e+. Такий процес виявляється можливим за деяких умов, наприклад, в електричному полі атомного ядра.

Мал. 5. Народження пари електрон-позитрон

Заряд позитрону дорівнює модулю заряду електрона і протилежний йому за знаком. Закон збереження заряду виконано! Справді, на початку процесу ми мали фотон, заряд якого дорівнює нулю, а наприкінці ми отримали дві частинки з нульовим сумарним зарядом.

Закон збереження заряду (поряд із існуванням найменшого елементарного заряду) є на сьогодні первинним науковим фактом. Пояснити, чому природа поводиться саме так, а не інакше, фізикам поки що не вдається. Ми можемо лише констатувати, що це факти підтверджуються численними фізичними експериментами.