موضوع الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية. معادلات ماكسويل للعمليات الثابتة

24.09.2019

وزارة التعليم والعلوم في روسيا ميزانية الدولة الفيدرالية

المؤسسة التعليمية العليا

التعليم المهني

"ولاية دونسكوي جامعة فنية»

(دستو)

امتحان

بالانضباط "المفاهيم العلوم الطبيعية الحديثة»

الموضوع رقم 1.25تشكيل وتطوير الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية

(م. فاراداي، د. ماكسويل، ج. هيرتز).

الصورة الكهروديناميكية للعالم.

إجراء: أونوتشينا أ.أ.

طالب 1 اتجاه الدورة التحضيرية الدراسة عن بعد

مجموعة IZES11كتاب الصف رقم 1573242

التحقق ________________

روستوف على نهر الدون

يخطط:

1. تاريخ الديناميكا الكهربائية ……………………………………………….3

2. تكوين وتطوير الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية.................

3. الصورة الكهروديناميكية للعالم ........................................ 10

قائمة المراجع .......................................................... 13

تاريخ الديناميكا الكهربائية.

الديناميكا الكهربائية الكلاسيكيةهي نظرية العمليات الكهرومغناطيسية في بيئات مختلفةوفي الفراغ. يغطي مجموعة ضخمة من الظواهر التي يلعب فيها الدور الرئيسي التفاعلات بين الجزيئات المشحونة التي تتم من خلالها حقل كهرومغناطيسي.

تاريخ الديناميكا الكهربائية هو تاريخ تطور الأساسيات المفاهيم الفيزيائية. حتى منتصف القرن الثامن عشر، تم التوصل إلى نتائج تجريبية مهمة بسبب الكهرباء: الجذب والتنافر، وتقسيم المواد إلى موصلات وعوازل، واكتشاف وجود نوعين من الكهرباء. تم إحراز تقدم في دراسة المغناطيسية.

بدأ الاستخدام العملي للكهرباء في النصف الثاني من القرن الثامن عشر. ويرتبط اسم فراكلين (1706-1790) بظهور فرضية كون الكهرباء مادة مادية خاصة. في عام 1785، أنشأ سي كولومب قانون التفاعل بين شحنتين نقطيتين. يرتبط عدد من اختراعات أدوات القياس الكهربائية باسم أ. فولتا (1745-1827). تم إنشاء قانون أوم في عام 1826. في عام 1820، اكتشف أورستد التأثير المغناطيسي للتيار الكهربائي. في عام 1820، تم إنشاء قانون يحدد القوة الميكانيكية التي يعمل بها المجال المغناطيسي على عنصر التيار الكهربائي المُدخل إليه - قانون أمبير. كما أنشأ أمبير قانون تفاعل القوة بين تيارين.

ذات أهمية خاصة في الفيزياء هي فرضية التيارات الجزيئية، التي اقترحها أمبير في عام 1820.

وفي عام 1831، اكتشف فاراداي قانون الحث الكهرومغناطيسي. في عام 1873، حدد جيمس كليرك ماكسويل (1831-1879) معادلات قصيرة أصبحت الأساس النظري للديناميكا الكهربائية. إحدى نتائج معادلات ماكسويل كانت التنبؤ بالطبيعة الكهرومغناطيسية للضوء، كما تنبأ بإمكانية وجود موجات كهرومغناطيسية. وتدريجيًا، طور العلم فكرة عن المجال الكهرومغناطيسي باعتباره كيانًا ماديًا مستقلاً هو الناقل للتفاعلات الكهرومغناطيسية في الفضاء. إن الظواهر الكهربائية والمغناطيسية المختلفة التي لاحظها الإنسان منذ زمن سحيق أثارت دائمًا فضوله واهتمامه. في أغلب الأحيان، يشير مصطلح الديناميكا الكهربائية إلى الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية، التي تصف فقط الخصائص المستمرة للمجال الكهرومغناطيسي. المجال الكهرومغناطيسي هو الموضوع الرئيسي لدراسة الديناميكا الكهربائية، وهو نوع من المادة يتجلى عند التفاعل مع الأجسام المشحونة. في عام 1895، قدم بوبوف أ.س أعظم اختراع - الراديو. وكان لها تأثير هائل على التطور اللاحق للعلوم والتكنولوجيا. يمكن وصف جميع الظواهر الكهرومغناطيسية باستخدام معادلات ماكسويل، التي تقيم علاقة بين الكميات التي تميز المجالات الكهربائية والمغناطيسية وتوزيع الشحنات والتيارات في الفضاء.

تشكيل وتطوير الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية

(م. فاراداي، د. ماكسويل، ج. هيرتز).

خطوة مهمةفي تطور الديناميكا الكهربائية كان اكتشاف السيد فاراداي لظاهرة الحث الكهرومغناطيسي - الإثارة بواسطة مجال مغناطيسي متناوب للقوة الدافعة الكهربائية في الموصلات - والتي أصبحت أساس الهندسة الكهربائية.

مايكل فاراداي - ولد فيزيائي إنجليزي في ضواحي لندن لعائلة حداد. بعد التخرج مدرسة إبتدائية، منذ أن كان في الثانية عشرة من عمره كان يعمل كصبي توصيل الصحف، وفي عام 1804 أصبح متدربًا لدى مُجلّد الكتب ريبوت، وهو مهاجر فرنسي شجع بكل طريقة ممكنة رغبة فاراداي العاطفية في التعليم الذاتي. من خلال القراءة وحضور المحاضرات، سعى فاراداي إلى توسيع معرفته، وانجذب بشكل أساسي إلى العلوم الطبيعية - الكيمياء والفيزياء. في عام 1813، قدم أحد العملاء بطاقات دعوة لفاراداي لحضور محاضرات همفري ديفي، والتي لعبت دورًا حاسمًا في مصير الشاب. بعد أن وجه رسالة إلى ديفي، حصل فاراداي، بمساعدته، على منصب مساعد مختبر في المعهد الملكي.

تم النشاط العلمي لفاراداي داخل أسوار المعهد الملكي، حيث ساعد ديفي لأول مرة في التجارب الكيميائية، ثم بدأ بحثًا مستقلاً. قام فاراداي بتسييل الكلور وبعض الغازات الأخرى وحصل على البنزين. في عام 1821، لاحظ لأول مرة دوران المغناطيس حول موصل مع تيار وموصل مع تيار حول مغناطيس، وخلق النموذج الأول للمحرك الكهربائي. وعلى مدى السنوات العشر التالية، درس فاراداي العلاقة بين الظواهر الكهربائية والمغناطيسية. وتوجت أبحاثه باكتشاف ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي عام 1831. قام فاراداي بدراسة هذه الظاهرة بالتفصيل، واستنتج قانونها الأساسي، واكتشف اعتماد التيار التحريضي على الخواص المغناطيسية للوسط، ودرس ظاهرة الحث الذاتي والتيارات الإضافية للإغلاق والفتح.

إن اكتشاف ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي اكتسب على الفور قدرًا هائلاً من الأهمية العلمية أهمية عملية; تكمن هذه الظاهرة، على سبيل المثال، في تشغيل جميع المولدات الثابتة و التيار المتناوب. أدت الرغبة في الكشف عن طبيعة التيار الكهربائي إلى قيام فاراداي بإجراء تجارب على مرور التيار من خلال محاليل الأحماض والأملاح والقلويات. وكانت نتيجة هذه الدراسات اكتشاف قوانين التحليل الكهربائي عام 1833. وفي عام 1845، اكتشف فاراداي ظاهرة دوران مستوى استقطاب الضوء في المجال المغناطيسي. في نفس العام اكتشف النفاذية المغناطيسية، في عام 1847 - البارامغناطيسية، وفي عام 1833 اخترع الفولتميتر.

كان لأفكار فاراداي حول المجالات الكهربائية والمغناطيسية تأثير كبير على تطور الفيزياء بأكملها. في عام 1832، اقترح فاراداي أن انتشار التفاعلات الكهرومغناطيسية هو عملية موجية تحدث مع السرعة النهائيةوفي عام 1845 استخدم مصطلح "المجال المغناطيسي" لأول مرة.

نالت اكتشافات فاراداي اعترافًا واسع النطاق في جميع أنحاء العالم العلمي. تكريمًا لمايكل فاراداي، أنشأت الجمعية الكيميائية البريطانية وسام فاراداي، وهو أحد أشرف الجوائز العلمية.

حاول تفسير ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي بالاعتماد على مفهوم الفعل بعيد المدى، لكنه واجه صعوبات، فاقترح أن التفاعلات الكهرومغناطيسية تحدث من خلال مجال كهرومغناطيسي، بالاعتماد على مفهوم الفعل قصير المدى. كان هذا بمثابة بداية تشكيل مفهوم المجال الكهرومغناطيسي، الذي صاغه د. ماكسويل. جيمس كليرك ماكسويل - فيزيائي إنجليزي. ولد في ادنبره. وتحت قيادته تم إنشاء مختبر كافنديش الشهير في كامبريدج، والذي ترأسه حتى نهاية حياته.

تكرس أعمال ماكسويل للديناميكا الكهربائية، والفيزياء الجزيئية، والإحصاءات العامة، والبصريات، والميكانيكا، ونظرية المرونة. قدم ماكسويل أهم مساهماته في الفيزياء الجزيئية والديناميكا الكهربائية. في النظرية الحركيةالغازات، وهو أحد مؤسسيها، أسس وظائف توزيع سرعة الجزيئات، بناءً على اعتبار الاصطدامات المباشرة والعكسية، وطوّر نظرية النقل في منظر عاموبتطبيقه على عمليات الانتشار والتوصيل الحراري والاحتكاك الداخلي، قدم مفهوم الاسترخاء. في عام 1867، أظهر الأول الطبيعة الإحصائية للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، وفي عام 1878 قدم مصطلح “الميكانيكا الإحصائية”.

أعظم إنجاز علمي لماكسويل هو نظرية المجال الكهرومغناطيسي التي ابتكرها في 1860-1865. في نظريته عن المجال الكهرومغناطيسي، استخدم ماكسويل مفهومًا جديدًا - تيار الإزاحة، وحدد المجال الكهرومغناطيسي وتنبأ بتأثير مهم جديد: وجود الإشعاع الكهرومغناطيسي في الفضاء الحر، موجات كهرومغناطيسيةوانتشارها في الفضاء بسرعة الضوء. كما قام العالم بصياغة نظرية في نظرية المرونة، وأقام علاقات بين البارامترات الفيزيائية الحرارية الرئيسية، وطور نظرية رؤية الألوان، ودرس استقرار حلقات زحل، فتبين أن الحلقات ليست صلبة أو سائلة، بل هي سرب من النيازك. صمم ماكسويل عددًا من الأدوات. لقد كان مشهورًا بالمعرفة الجسدية.

1) يتم إنشاء المجال المغناطيسي عن طريق الشحنات المتحركة والمجال الكهربائي المتناوب (تيار الإزاحة)؛

2) يتم إنشاء مجال كهربائي بخطوط قوة مغلقة (مجال دوامي) بواسطة مجال مغناطيسي متناوب؛

3) خطوط المجال المغناطيسي مغلقة دائمًا (وهذا يعني أنه لا يوجد لديه مصادر - شحنات مغناطيسية مشابهة للشحنات الكهربائية)؛

4) يتولد مجال كهربائي ذو خطوط قوة مفتوحة (مجال محتمل) بواسطة الشحنات الكهربائية - مصادر هذا المجال.

تشير نظرية جيمس ماكسويل إلى محدودية سرعة انتشار التفاعل الكهرومغناطيسي ووجود الموجات الكهرومغناطيسية. تعد نظرية ماكسويل للمجال الكهرومغناطيسي تعميمًا أساسيًا للديناميكا الكهربائية، لذا فهي تحتل بحق مكانًا مشرفًا بين أعظم الانجازات العلميةالإنسانية مثل الميكانيكا الكلاسيكيةوالفيزياء النسبية و ميكانيكا الكم. في 1861-1862، نشر جيمس ماكسويل مقالته عن خطوط القوة الفيزيائية. واستنادًا إلى المصادفة العملية لسرعة انتشار الاضطرابات الكهرومغناطيسية وسرعة الضوء، اقترح ماكسويل أن الضوء هو أيضًا اضطراب كهرومغناطيسي. وهذه الفكرة، التي بدت رائعة تمامًا في ذلك الوقت، بدأت فجأة تكتسب تأكيدًا تجريبيًا.

وبدا كل شيء على ما يرام، ولكن في عام 1885، كتب يوهان جاكوب بالمر، أحد المعلمين في مدرسة البنات في بازل، بعد تجاربه، مقالًا قصيرًا يبلغ طوله صفحتين حرفيًا، جاء فيه: "انتبه إلى الخطوط الطيفية". من الهيدروجين." الأمر الذي وضع علماء الفيزياء النظرية في حالة من الذهول طوال العقدين التاليين. أظهرت الخطوط الطيفية الواضحة لسلسلة بالمر بوضوح للمجتمع العلمي الفيزيائي العالمي أنه ليس كل شيء بهذه البساطة في هذا العالم.

لقد تطور تطور الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية بعد ماكسويل في عدة اتجاهات، نلاحظ منها اتجاهين رئيسيين. أولاً، تم تحسين الجانب الرياضي من نظرية ماكسويل وتم الحصول على بعض النتائج الجديدة. ثانيا، كان هناك توحيد لنظرية المجال الكهرومغناطيسي مع الأفكار الأساسية لنظرية بنية المادة. أدى الاتجاه الأخير إلى إنشاء النظرية الإلكترونية.

وأود أيضًا أن أذكر الفيزيائي الألماني المتميز هاينريش رودولف هيرتز. تخرج من جامعة برلين ومن عام 1885 إلى عام 1889 كان أستاذًا للفيزياء في جامعة كارلسروه. منذ عام 1889 - أستاذ الفيزياء بجامعة بون.

الإنجاز الرئيسي هو التأكيد التجريبي لنظرية جيمس ماكسويل الكهرومغناطيسية للضوء. أثبت هيرتز وجود الموجات الكهرومغناطيسية.

قام ببناء الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة بناءً على فرضية أن الأثير يتم حمله بعيدًا عن طريق الأجسام المتحركة. ومع ذلك، لم يتم تأكيد نظريته في الديناميكا الكهربائية من خلال التجارب، وأفسحت المجال لاحقًا للنظرية الإلكترونية لهندريك لورنتز. شكلت النتائج التي حصل عليها هيرتز الأساس لإنشاء الراديو. في عام 1886، لاحظ هيرتز لأول مرة ووصف التأثير الكهروضوئي الخارجي. طور هيرتز نظرية دائرة الرنين، ودرس خصائص أشعة الكاثود، ودرس تأثير الأشعة فوق البنفسجية على التفريغ الكهربائي. منذ عام 1933، تم تسمية وحدة التردد هيرتز، المدرجة في النظام المتري الدولي للوحدات SI، على اسم هيرتز.

تعتبر الفيزياء من أهم العلوم التي يدرسها الإنسان. إن وجودها ملحوظ في جميع مجالات الحياة، بل إن الاكتشافات في بعض الأحيان تغير مجرى التاريخ. هذا هو السبب في أن علماء الفيزياء العظماء مثيرون للاهتمام ومهمون جدًا للناس.

الديناميكا الكهربائية هي مجال من مجالات الفيزياء يتم فيه دراسة خصائص وأنماط سلوك المجال الكهرومغناطيسي والحركة. الشحنات الكهربائية، ويتفاعلون مع بعضهم البعض من خلال هذا المجال.

لقد كرس العديد من علماء الفيزياء العظماء حياتهم لمحاولة العثور على إجابات للأسئلة التي تحتاجها البشرية. العالم لا يقف ساكنًا، كل شيء يتدفق ويتغير، الكوكب يدور حول محوره، تأتي العاصفة الرعدية دائمًا مصحوبة بالبرق والرعد، وتتساقط أوراق الشجر على الأرض. وكانت الأشياء التي تبدو بسيطة للوهلة الأولى هي التي تثير اهتمام الإنسان بالعلوم الدقيقة والطبيعية.

معلومات ذات صله.

ملاحظات المحاضرة

تمت الموافقة عليها من قبل مجلس التحرير والنشر بالجامعة كملاحظات للمحاضرات

المراجعون:

دكتوراه في العلوم الفيزيائية والرياضية، رئيسا. قسم التكنولوجيا والاقتصاد في جامعة KSTU، أستاذ أ.أ. روديونوف

مرشح العلوم الفيزيائية والرياضية، رئيسا. قسم
فيزياء عامة جامعة الملك سعود Yu.A. نيروتشيف

مرشح العلوم التقنية، رئيس. قسم الفيزياء KSHA
دي. ياكيرفيتش

بولونين في إم، سيتشيف جي تي.

الفيزياء. الكهرباء الساكنة. التيار الكهربائي المباشر: ملاحظات المحاضرة / كورسك. ولاية تقنية. جامعة. كورسك، 2003. 196 ص.

يتم تجميع مذكرات المحاضرة وفقًا لمتطلبات معيار الدولة التعليمي 2000، برنامج عينةتخصص "الفيزياء" (2000) وبرنامج عمل في الفيزياء لطلاب التخصصات الهندسية والفنية في جامعة KSTU (2000).

يفترض عرض المواد في هذا العمل أن الطلاب لديهم معرفة بالفيزياء والرياضيات ضمن نطاق المنهج الدراسي؛ ويتم إيلاء الكثير من الاهتمام للأسئلة التي يصعب فهمها، مما يسهل على الطلاب الاستعداد للامتحان.

ملاحظات المحاضرات حول الكهرباء الساكنة والتيار الكهربائي المباشر مخصصة لطلاب التخصصات الهندسية والتقنية لجميع أشكال الدراسة.

انا. 96. المراجع : 11 عنوانا.

Ó ولاية كورسك
الجامعة التقنية، 2003

عن بولونين في إم، سيشيف جي تي، 2003

مقدمة...7

المحاضرة الأولى: الكهرباء الساكنة في الفراغ والمادة. المجال الكهربائي 12

1.1. موضوع الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية.. 12

1.2. الشحنة الكهربائية وفصلها. نظرية العمل قصير المدى. 13

1.3. قانون كولوم. قوة المجال الكهربائي. مبدأ تراكب المجالات الكهربائية.. 16

1.4. تدفق ناقل شدة المجال الكهروستاتيكي. 22

1.5. نظرية أوستروغرادسكي-غاوس للمجال الكهربائي في الفراغ. 24

1.6. عمل مجال كهربائي لتحريك شحنة كهربائية. تداول ناقلات قوة المجال الكهربائي. 25

1.7. طاقة الشحنة الكهربائية في مجال كهربائي. 26

1.8. الجهد والفرق المحتمل للمجال الكهربائي. العلاقة بين شدة المجال الكهربائي وإمكاناته.. 28

1.9. السطوح متساوية الجهد.. 30

1.10. المعادلات الأساسية للكهرباء الساكنة في الفراغ. 32

1.11. بعض الأمثلة على المجالات الكهربائية المتولدة من أبسط أنظمة الشحنات الكهربائية. 33

محاضرة 2. الموصلات في المجال الكهربائي..42

2.1. الموصلات وتصنيفها. 42

2.2. المجال الكهروستاتيكي في تجويف الموصل المثالي وعلى سطحه. الحماية الكهروستاتيكية. توزيع الشحنات في حجم الموصل وعلى سطحه.. 43

2.3. القدرة الكهربائية للموصل الانفرادي ومعناه المادي. 46

2.4. المكثفات وسعتها. 47

2.5. اتصالات مكثف. 51

2.6. تصنيف المكثفات. 54

المحاضرة الثالثة. المجال الكهربائي الساكن في المادة..55

3.1. العوازل. الجزيئات القطبية وغير القطبية. ثنائي القطب في المجالات الكهربائية المتجانسة وغير المتجانسة. 55

3.2. الشحنات الحرة والمقيدة (الاستقطاب) في العوازل. استقطاب العوازل. ناقل الاستقطاب (الاستقطاب) 58

3.3. المجال في العوازل الكهربائية. الإزاحة الكهربائية. القابلية العازلة للمادة. نسبي ثابت العزل الكهربائيبيئة. نظرية أوستروجرادسكي-غاوس لتدفق ناقل تحريض المجال الكهربائي. 61

3.4. الظروف في الواجهة بين اثنين من العوازل. 63

3.5. التقييد الكهربائي. تأثير كهرضغطية. الفيروكهربائية، خصائصها وتطبيقاتها. التأثير الكهروسعري. 65

3.6. المعادلات الأساسية للكهرباء الساكنة للعوازل. 72

المحاضرة الرابعة. طاقة المجال الكهربائي...75

4.1. طاقة تفاعل الشحنات الكهربائية. 75

4.2. طاقة الموصلات المشحونة، ثنائي القطب في مجال كهربائي خارجي، جسم عازل في مجال كهربائي خارجي، مكثف مشحون. 77

4.3. طاقة المجال الكهربائي. كثافة طاقة المجال الكهربائي الحجمي 81

4.4. القوى المؤثرة على الأجسام المشحونة العيانية الموضوعة في مجال كهربائي. 82

المحاضرة5. التيار الكهربائي المباشر...84

5.1. تيار كهربائي مستمر. الإجراءات والشروط الأساسية لوجود التيار المباشر. 84

5.2. الخصائص الرئيسية للتيار الكهربائي المباشر: الحجم / القوة / التيار، كثافة التيار. القوى الخارجية.. 85

5.3. القوة الدافعة الكهربائية (EMF)، الجهد وفرق الجهد. معناها الجسدي. العلاقة بين المجالات الكهرومغناطيسية والجهد وفرق الجهد. 90

المحاضرة 6. النظرية الإلكترونية الكلاسيكية لتوصيل المعادن. قوانين التيار المباشر.. 92

6.1. النظرية الإلكترونية الكلاسيكية للتوصيل الكهربائي للمعادن ومبرراتها التجريبية. قانون أوم في التفاضلية
وأشكال متكاملة. 92

6.2. المقاومة الكهربائية للموصلات. التغيرات في مقاومة الموصل تبعا لدرجة الحرارة والضغط. الموصلية الفائقة. 98

6.3. توصيلات المقاومة: متتالية، متوازية، مختلطة. تحويلة أدوات القياس الكهربائية. مقاومات إضافية لأجهزة القياس الكهربائية.. 104

6.4. قواعد (قوانين) كيرشوف وتطبيقها على حساب الدوائر الكهربائية البسيطة 108

6.5. قانون جول لينز في الأشكال التفاضلية والتكاملية. 110

6.6. الطاقة المتحررة في دائرة التيار المستمر. معامل في الرياضيات او درجة عمل مفيد(كفاءة) مصدر التيار المباشر. 112

المحاضرة السابعة. التيار الكهربائي في الفراغ والغازات والسوائل.. 115

7.1. التيار الكهربائي في الفراغ . انبعاث حراري. 115

7.2. الانبعاثات الثانوية والإلكترونية. 122

7.3. التيار الكهربائي في الغاز. عمليات التأين وإعادة التركيب..124

7.4. مفهوم البلازما تردد البلازما. طول ديباي. الموصلية الكهربائية للبلازما 142

7.5. الشوارد. التحليل الكهربائي. قوانين التحليل الكهربائي. 149

7.6. الإمكانات الكهروكيميائية.. 151

7.7. التيار الكهربائي من خلال الشوارد. قانون أوم للإلكتروليتات. 152

المحاضرة الثامنة. الإلكترونات في البلورات...161

8.1. نظرية الكم للتوصيل الكهربائي للمعادن. مستوى فيرمي. عناصر نظرية الفرقة من البلورات. 161

8.2. ظاهرة الموصلية الفائقة من وجهة نظر نظرية فيرمي ديراك. 170

8.3. الموصلية الكهربائية لأشباه الموصلات. مفهوم موصلية الثقب. أشباه الموصلات الجوهرية والشوائب. مفهوم تقاطع p-n. 171

8.4. الظواهر الكهرومغناطيسية في الواجهة بين الوسائط. 178

الاستنتاج.. 193

القائمة الببليوغرافية...195

تم تجميع هذا الدليل بناءً على المواد التي جمعها المؤلفون في عملية إلقاء محاضرات حول الفيزياء العامة لطلاب التخصصات الهندسية والفنية، مع حجم صغير نسبيًا من التدريب في الفصول الدراسية، على مدى فترة طويلة من الزمن.

إن توفر مذكرات المحاضرات هذه لطلاب التخصصات الهندسية والفنية سيسمح لهم وللمحاضر باستخدام وقت المحاضرة بشكل أكثر فعالية، وإيلاء المزيد من الاهتمام للقضايا التي يصعب فهمها، وتسهيل إعداد الطلاب للامتحان.

في رأينا، هناك حاجة خاصة إلى مثل هذا الدليل من قبل طلاب المراسلات والتعلم السريع والتعلم عن بعد، الذين، عند البدء في دراسة الفيزياء، ليس لديهم مهارات كافية لإدراك المفاهيم والتعاريف والقوانين الفيزيائية بشكل مناسب.

يفترض عرض المادة في هذا العمل أن الطلاب لديهم معرفة بالفيزياء والرياضيات ضمن نطاق المنهج المدرسي، وبالتالي لا تتم مناقشة العديد من المفاهيم بالتفصيل، ولكن يتم استخدامها كمفاهيم معروفة إلى حد ما. بالإضافة إلى ذلك، في هذا العمل يفترض أن الطلاب قد درسوا بالفعل أو يدرسون بالتوازي مع الدورة التي يتم تدريسها الأجهزة الرياضية المقابلة (حساب التفاضل والتكامل، تحليل الوظائف، المعادلات التفاضلية، الجبر المتجه، المتسلسلة).

من مميزات الدليل أن المادة مقدمة بتسلسل معين غير تقليدي وتحتوي على الرسومات والشروحات اللازمة.

وعلى الرغم من صغر حجمه، إلا أن الدليل المقترح يحتوي على عرض للمسائل التي تعتبر معرفتها ضرورية لدراسة التخصصات التي أساسها القوانين والمبادئ الأساسية للفيزياء.

تم تحقيق التخفيض في الحجم بشكل رئيسي من خلال رفض النظر في بعض القضايا غير المبدئية، وكذلك من خلال تقديم بعض القضايا لدراستها في عملية الفصول العملية والمختبرية.

يتم عرض قضايا مثل نظرية النطاق للمعادن وأشباه الموصلات والتيار في الفراغ والغازات والإلكتروليتات بتفاصيل كافية.

ويستند عرض المادة، مع استثناءات نادرة بسبب الاعتبارات المنهجية، على التجربة. التجارب الأساسية التي كانت بمثابة الأساس التدريس الحديثتم وصف الكهرومغناطيسية بتفاصيل كافية.

بالإضافة إلى ذلك، يتم إيلاء بعض الاهتمام لشرح مبادئ قياس الكميات الكهربائية الأساسية، والتي، إن أمكن، تتبع مباشرة إدخال المفاهيم الفيزيائية المقابلة. ومع ذلك، الوصف تجارب مختلفةلا يتظاهر بأنه مكتمل، علاوة على ذلك، فهو يتعلق فقط بمبادئ هذه التجارب، حيث يستمع الطلاب إلى دورة محاضرة مع العروض التوضيحية ويعملون في مختبرات الفيزياء. لنفس السبب، يتم إجراء معظم الرسومات في النموذج دوائر بسيطةويعكس فقط التبعيات النوعية لحالة معينة دون الإشارة إلى وحدات القياس و القيم العدديةللكميات قيد النظر مما يساهم في تحسين إدراك الطلاب للمادة التي يتم دراستها.

نظرًا لوجود كتب مشاكل حاليًا تتوافق مع دورة الفيزياء بالجامعة، فلا يتم توفير إدراج مشاكل وتمارين محددة للقسم قيد الدراسة. لذلك، تحتوي ملاحظات المحاضرة على أمثلة قليلة نسبيًا توضح تطبيق أهم القوانين.

يتم العرض في النظام الدولي للوحدات (SI). يتم إعطاء تسميات وحدات قياس الكميات الفيزيائية من خلال الوحدات الأساسية والمشتقة للنظام، وفقًا لتعريفاتها في نظام SI.

يمكن استخدام الدليل من قبل طلاب الدراسات العليا والمعلمين الذين ليس لديهم خبرة كافية في العمل في الجامعة.

سيكون المؤلفون ممتنين لكل من قام بمراجعة هذا الدليل بعناية وقدم بعض التعليقات الموضوعية. بالإضافة إلى ذلك، سيحاولون أن يأخذوا في الاعتبار جميع التعليقات العقلانية من زملائهم الفيزيائيين وطلاب الدراسات العليا والطلاب وإجراء التصحيحات والإضافات المناسبة.

مقدمة

هذه المحاضرة مخصصة لأحد الأقسام دورة عامةالفيزياء، قسم "الكهرباء"، والذي يقرأ لطلاب تلك التخصصات وأشكال الدراسة التي يتم توفير هذه الدورة في مناهجها الدراسية.

ويركز على أن الطاقة الكهربائية تلعب دورًا كبيرًا في التكنولوجيا للأسباب التالية:

1. السهولة البالغة التي يتم بها تحويل الكهرباء إلى أنواع أخرى من الطاقة: الميكانيكية والحرارية والضوءية والكيميائية.

2. إمكانية نقل الكهرباء لمسافات طويلة.

3. الكفاءة العالية للآلات والأجهزة الكهربائية.

4. للغاية حساسية عاليةأدوات القياس والتسجيل الكهربائية وتطويرها الطرق الكهربائيةقياسات الكميات غير الكهربائية المختلفة.

5. الميزات الاستثنائية المقدمة الأجهزة الكهربائيةوأجهزة للأتمتة والميكانيكا والتحكم في الإنتاج.

6. تطوير الطرق الكهربائية والكهروحرارية والكهروكيميائية والكهروميكانيكية والكهرومغناطيسية لمعالجة المواد.

إن عقيدة الكهرباء لها تاريخها الخاص، المرتبط عضويا بتاريخ تطور القوى المنتجة في المجتمع ومجالات العلوم الطبيعية الأخرى. في تاريخ دراسة الكهرباء يمكن تمييز ثلاث مراحل:

1. فترة تراكم الحقائق التجريبية وتأسيس المفاهيم والقوانين الأساسية.

2. فترة تكوين عقيدة المجال الكهرومغناطيسي.

3. فترة تكوين النظرية الذرية للكهرباء.

تعود أصول الأفكار حول الكهرباء إلى اليونان القديمة. إن انجذاب الأجسام الخفيفة عن طريق فرك الكهرمان والأشياء الأخرى معروف لدى الناس منذ زمن طويل. ومع ذلك، كانت القوى الكهربائية غير واضحة تمامًا، ولم يتم الشعور بإمكانية تطبيقها العملي، وبالتالي لم يكن هناك حافز للبحث المنهجي في هذا المجال.

اكتشافات النصف الأول من القرن الثالث عشر فقط. تجبرنا على تغيير موقفنا بشكل كبير تجاه الظواهر الكهربائية. مما لا شك فيه، تم تسهيل ذلك من خلال اختراع الآلة الكهربائية (النصف الثاني من القرن الثامن عشر)، والتي على أساسها توسعت إمكانيات التجريب بشكل كبير.

بحلول منتصف القرن الثالث عشر. يتزايد الاهتمام بالكهرباء، ويشارك علماء الطبيعة من العديد من البلدان في الأبحاث. إن ملاحظة التصريفات الكهربائية القوية لا يسعها إلا أن تشير إلى وجود تشابه بين الشرارة الكهربائية والبرق. تم إثبات الطبيعة الكهربائية للبرق من خلال التجارب المباشرة التي أجراها دبليو فرانكلين وإم في. لومونوسوف، ج.ف. ريتشمان (1752 - 1753). كان اختراع مانعة الصواعق أول تطبيق عملي لعقيدة الكهرباء. وقد ساهم ذلك في تنمية الاهتمام العام بالكهرباء وجذب باحثين جدد إلى هذا المجال.

طرح عالم الطبيعة الإنجليزي ر. سيمر (1759) فرضية مثمرة حول طبيعة الكهرباء. ومن خلال تطوير أفكار دو فاي، خلص سيمر إلى أن الأجسام في الحالات العادية تحتوي على نوعين من الكهرباء بكميات متساوية، مما يؤدي إلى تحييد تأثيرات بعضها البعض. تؤدي الكهربة إلى زيادة كهرباء على أخرى في الجسم. كان التأكيد الممتاز لهذه الفرضية هو اكتشاف الأكاديمي الروسي ف. إبينوس (1759) للحث الكهروستاتيكي.

كان قانون الحفاظ على الطاقة والمادة الذي وضعه لومونوسوف أعظم إنجاز في الفيزياء في القرن الثامن عشر. تم الكشف تدريجياً عن محتوى قانون الحفظ الذي اكتشفه لومونوسوف ولعب دوراً كبيراً في تطوير عقيدة الكهرباء. وهكذا، فإن قانون حفظ الشحنات الكهربائية المكتشف لاحقًا هو مظهر خاص للقانون العالمي لحفظ المادة والحركة.

حتى منتصف القرن الثالث عشر. استمرت التجارب على الكهرباء في أن تكون نوعية بحتة. الخطوة الأولى نحو التجربة الكمية اتخذها ريتشمان، الذي اقترح أول جهاز قياس يسمى مقياس الكهربية (1745). المرحلة الأكثر أهميةفي تطوير التكنولوجيا التجريبية كان اختراع كولومب في عام 1784 لموازين الالتواء الحساسة للغاية، والتي لعبت دور مهمفي دراسة القوى ذات الطبيعة المختلفة. سمح هذا الجهاز لكولوم بتأسيس قانون التفاعل بين المغناطيس والشحنات الكهربائية (1785). كانت قوانين كولومب بمثابة الأساس لتطوير النظرية الرياضية للكهرباء الساكنة والمغناطيسية.

علاوة على ذلك، بفضل تجارب L. Galvani (1789) و A. Volta (1792)، تم اكتشاف الظواهر الكهربائية التلامسية، والتي أدت بدورها إلى اختراع الخلايا الكلفانية واكتشاف التيار الكهربائي (1800).

اكتشف الباحثون الإنجليزيون A. Carlyle و V. Nicholson أن التيار الجلفاني الذي يمر عبر الماء يتحلل إلى هيدروجين وأكسجين. لقد نشأت علاقة إثراء متبادل بين الفيزياء والكيمياء. تكتسب الكهرباء أهمية عملية هائلة، مما يحفز على مواصلة تطوير هذا الفرع من العلوم.

أدت التحسينات في تصميم العمود الفلطائي إلى اكتشاف تأثيرات جديدة للتيار الكهربائي. في عام 1802 ف. بيتروف باستخدام قطب فلطي قوي ينتج قوسًا كهربائيًا. أدى قوس بتروف إلى ظهور عدد من التطبيقات الجديدة للتأثيرات الحرارية للتيار.

مع اكتشاف تأثير التيار على الإبرة المغناطيسية، شكل ه. أورستد (1820) بداية فصل جديد في نظرية الكهرباء - عقيدة الخواص المغناطيسية للتيار، والتي مكنت من إدراج المغناطيسية في النظرية الموحدة للظواهر الكهرومغناطيسية.

استمرت دراسة التيار الكهربائي في التقدم بوتيرة متزايدة. وقد وجد أن التأثير المغناطيسي للتيار يزداد إذا كان الموصل ملفوفاً. وقد فتح هذا إمكانية بناء أجهزة قياس التيار الكهرومغناطيسي.

في عام 1820، أنشأ أ. أمبير قانونًا يتم من خلاله تحديد قوة التفاعل بين تيارين أوليين. بناءً على هذه الحقيقة التجريبية، يضع أ. أمبير افتراضًا حول الطبيعة الكهربائية للمغناطيسية. ويقترح أن “التيارات الكهربائية … موجودة حول جزيئات الحديد والنيكل والكوبالت بالفعل قبل مغنطتها، ومع ذلك، نظرًا لكونها موجهة في جميع الاتجاهات الممكنة، فإنها لا تستطيع أن تسبب أي تأثير خارجي ناتج، لأن بعضها يميل إلى جذب ما يفعله الآخرون ادفع..." هكذا ظهرت فرضية التيارات الجزيئية في الفيزياء، والتي لم يتم الكشف عن عمقها إلا في القرن العشرين.

وفي مزيد من الأبحاث حول الكهرباء، كانت الأداة الفعالة هي القانون الذي وضعه الفيزيائي الألماني ج. أوم عام 1827 والذي أطلق عليه اسم قانون أوم.

خلال هذه الفترة بدأت النشاط العلميم. فاراداي. اثنان من اكتشافات فاراداي لهما أهمية خاصة في تاريخ الفيزياء: ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي (1831) وقوانين التحليل الكهربائي (1834). قدم فاراداي الأساس النظري للعديد من التطبيقات التقنية للكهرباء بهذه الاكتشافات. بحث أجراه إي.إتش. ساهمت نظرية لينز في الحث الكهرومغناطيسي (قاعدة لينز) ووضع قانون الفعل الحراري للتيار (قانون جول لينز) في المزيد من تطبيق عمليكهرباء.

لقد ثبت تجريبياً أن القوى الكهربائية تعمل من خلال وسط يملأ الفراغ بين الأجسام المتفاعلة. أثناء استكشاف تفاعل الأجسام المشحونة، قدم فاراداي مفهوم خطوط القوة الكهربائية وأعطى فكرة عن المجالات المغناطيسية والكهربائية - وهي المساحات التي يتم فيها اكتشاف عمل القوى الكهربائية. يعتقد فاراداي أن المجالات الكهربائية والمغناطيسية تمثل حالات مشوهة لبعض الأوساط عديمة الوزن المنتشرة في كل مكان - الأثير.

وفقًا لفاراداي، ليست الشحنة الكهربائية هي التي تؤثر على الأجسام المحيطة، بل خطوط القوة المرتبطة بالشحنة. وهكذا طرح فاراداي فكرة نظرية الفعل قصير المدى والتي بموجبها ينتقل عمل بعض الأجسام على بعضها الآخر عبر بيئةبسرعة معينة.

في الستينيات السنوات التاسعة عشرةقام القرن د. ماكسويل بتعميم تعاليم فاراداي حول المجالات الكهربائية والمغناطيسية وخلق نظرية موحدة للمجال الكهرومغناطيسي. يكمن المحتوى الرئيسي لهذه النظرية في معادلات ماكسويل، التي تلعب نفس الدور في الكهرومغناطيسية مثل قوانين نيوتن في الميكانيكا.

وتجدر الإشارة إلى الأهمية الكبرى لعمل عدد من الفيزيائيين الروس أواخر التاسع عشرالخامس. على التأكيد التجريبي لنظرية ماكسويل. ومن بين هذا النوع من الأبحاث، كانت تجارب P.N. ليبيديف حول كشف وقياس الضغط الخفيف (1901).

تقريبًا حتى نهاية القرن التاسع عشر. تم تصور الكهرباء على أنها سائل عديم الوزن. إن مسألة ما إذا كانت الكهرباء منفصلة أم مستمرة تتطلب تحليل المواد التجريبية وإجراء تجارب جديدة. يمكن رؤية فكرة خصوصية الكهرباء في اكتشفها فارادايقوانين التحليل الكهربائي. وبناء على هذه القوانين اقترح الفيزيائي الألماني ج. هيلمهولتز (1881) وجود أصغر أجزاء الشحنة الكهربائية. ومنذ ذلك الوقت بدأ تطور النظرية الإلكترونية التي فسرت ظواهر مثل الانبعاث الحراري وظهور أشعة الكاثود. يعود الفضل في إنشاء النظرية الإلكترونية بشكل أساسي إلى الفيزيائي الهولندي ج.أ. لورنتز الذي ربط في كتابه "نظرية الإلكترونات" (1909) نظرية ماكسويل عن المجال الكهرومغناطيسي بالخصائص الكهربائية للمادة، التي تعتبر مجموعة من الشحنات الكهربائية الأولية.

بناءً على التمثيلات الإلكترونية في الربع الأول من القرن العشرين. تم تطوير نظرية العوازل والمغناطيس. ويجري حاليا تطوير نظرية أشباه الموصلات. يذاكر الظواهر الكهربائيةأدى إلى النظرية الحديثة لبنية المادة. وتوجت نجاحات الفيزياء في هذا الاتجاه باكتشاف طرق لإطلاق الطاقة النووية، مما رفع نوعيا العلوم والتكنولوجيا للبشرية إلى مرحلة جديدة من التطور.

وتجدر الإشارة بشكل خاص إلى أنه في الكثير التطبيقات التقنيةالكهرباء، في عقيدة الكهرباء والمغناطيسية، تعود الأولوية إلى العلماء والفنيين الروس. على سبيل المثال، اخترع العلماء والمهندسون الروس واستخدموا في ممارسة الطلاء الكهربائي والطلاء الكهربائي واللحام الكهربائي والإضاءة الكهربائية والمحركات الكهربائية والراديو. لقد طوروا العديد من الأسئلة التي ليست ذات أهمية نظرية كبيرة فحسب، بل ذات أهمية عملية كبيرة أيضًا. يتضمن ذلك قضايا فيزياء العوازل وأشباه الموصلات والمغناطيس، وفيزياء تفريغ الغاز، والانبعاث الحراري، والتأثير الكهروضوئي، والتذبذبات الكهرومغناطيسية وموجات الراديو، وما إلى ذلك. وفي الآونة الأخيرة، ظهرت مشاكل التحويل المباشر للطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية، وإنشاء الهيدروديناميكية المغناطيسية وتم تطوير مصادر الكهرباء و"خلايا الوقود". يلعب العلماء الروس دورًا رائدًا في الأبحاث التي تهدف إلى حل أهم مشكلة علمية وتقنية في عصرنا - مشكلة إنشاء تفاعلات نووية حرارية يمكن التحكم فيها باستخدام المجالات المغناطيسية والكهرومغناطيسية للعزل الحراري وتسخين الغاز عالي التأين - البلازما.

لمساهمته الكبيرة في تطوير العلوم العالمية، العلماء الروس - الفيزيائيون إ. تامو، آي إم. فرانك وب.أ. تشيرينكوف (1958)، إل.دي. لانداو (1962)، ن.ج. باسوف وأ.م. بروخوروف (1964)، ب.ل. كابيتسا (1978)، ز.آي ألفيروف (2000)، ف.ل. جينزبرج وأ.أ. حصل أبريكوسوف (2003) على جائزة نوبلييف.

المحاضرة 1. الكهرباء الساكنة في الفراغ
والجوهر. الحقل الكهربائي

موضوع الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية. الشحنة الكهربائية وفصلها. نظرية العمل قصير المدى. قانون كولوم. قوة المجال الكهربائي. مبدأ تراكب المجالات الكهربائية. المجال الكهربائي ثنائي القطب. تدفق ناقل شدة المجال الكهروستاتيكي. نظرية أوستروغرادسكي-غاوس للمجال الكهربائي في الفراغ. عمل مجال كهربائي لتحريك شحنة كهربائية. تداول ناقلات قوة المجال الكهربائي. طاقة الشحنة الكهربائية في مجال كهربائي. الجهد والفرق المحتمل للمجال الكهربائي. شدة المجال الكهربائي كتدرج لإمكاناته. الأسطح متساوية الجهد. المعادلات الأساسية للكهرباء الساكنة في الفراغ. بعض الأمثلة على المجالات الكهربائية المتولدة من أبسط أنظمة الشحنات الكهربائية.

موضوع الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية

الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية هي نظرية تشرح سلوك المجال الكهرومغناطيسي الذي يقوم بالتفاعل الكهرومغناطيسي بين الشحنات الكهربائية.

تمت صياغة قوانين الديناميكا الكهربائية العيانية الكلاسيكية في معادلات ماكسويل، مما يجعل من الممكن تحديد قيم خصائص المجال الكهرومغناطيسي - شدة المجال الكهربائي هوالحث المغناطيسي في- في الفراغ وفي الأجسام المجهرية، حسب توزيع الشحنات الكهربائية والتيارات في الفضاء.

يتم وصف تفاعل الشحنات الكهربائية الثابتة بواسطة معادلات الكهرباء الساكنة، والتي يمكن الحصول عليها نتيجة لمعادلات ماكسويل.

يتم تحديد المجال الكهرومغناطيسي المجهري الناتج عن الجسيمات المشحونة الفردية في الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية بواسطة معادلات لورنتز-ماكسويل، والتي تكمن وراء النظرية الإحصائية الكلاسيكية للعمليات الكهرومغناطيسية في الأجسام العيانية. يؤدي حساب متوسط هذه المعادلات إلى معادلات ماكسويل.

بين الجميع الأنواع المعروفةالتفاعلات، فالتفاعل الكهرومغناطيسي يحتل المرتبة الأولى من حيث اتساع وتنوع مظاهره. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن جميع الأجسام مبنية من جسيمات مشحونة كهربائيًا (إيجابية وسلبية)، ويكون التفاعل الكهرومغناطيسي بينها، من ناحية، أكثر كثافة من تفاعل الجاذبية والضعيف، ومن ناحية أخرى ، بعيدة المدى، على عكس التفاعل القوي.

يحدد التفاعل الكهرومغناطيسي بنية الأغلفة الذرية، وتماسك الذرات في الجزيئات (القوى الرابطة الكيميائية) وتكوين المادة المكثفة (التفاعل بين الذرات، التفاعل بين الجزيئات).

لا تنطبق قوانين الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية على الترددات العالية، وبالتالي على الأطوال القصيرة للموجات الكهرومغناطيسية، أي. للعمليات التي تحدث خلال فترات زمنية صغيرة. في هذه الحالة، تكون قوانين الديناميكا الكهربائية الكمومية صالحة.

1.2. الشحنة الكهربائية وفصلها.
نظرية المدى القصير

لقد أظهر تطور الفيزياء أن المادية و الخواص الكيميائيةيتم تحديد المواد إلى حد كبير من خلال قوى التفاعل الناتجة عن وجود وتفاعل الشحنات الكهربائية لجزيئات وذرات المواد المختلفة.

من المعروف أنه يوجد في الطبيعة نوعان من الشحنات الكهربائية: موجبة وسالبة. يمكن أن توجد على شكل جسيمات أولية: إلكترونات، بروتونات، بوزيترونات، أيونات موجبة وسالبة، وما إلى ذلك، بالإضافة إلى "كهرباء حرة"، ولكن على شكل إلكترونات فقط. ولذلك فإن الجسم المشحون إيجابيا هو عبارة عن مجموعة من الشحنات الكهربائية مع نقص الإلكترونات، والجسم سالب الشحنة هو فائض منها. تعوض شحنات الإشارات المختلفة بعضها البعض، لذلك، في الأجسام غير المشحونة، توجد دائمًا شحنات لكلا العلامتين بكميات يتم تعويض تأثيرها الإجمالي.

عملية إعادة التوزيعالشحنات الموجبة والسالبة للأجسام غير المشحونة، أو فيما بينها الأجزاء الفرديةنفس الجسد تحت تأثير عوامل مختلفةمُسَمًّى كهربة.

وبما أنه يتم إعادة توزيع الإلكترونات الحرة أثناء الكهربة، فعلى سبيل المثال، يتم كهربة كلا الجسمين المتفاعلين، أحدهما موجب والآخر سالب. يبقى عدد الرسوم (الإيجابية والسلبية) دون تغيير.

ويترتب على ذلك أن الشحنات لا تستحدث ولا تفنى، بل يعاد توزيعها فقط بين الأجسام المتفاعلة وأجزاء من نفس الجسم، وتبقى دون تغيير كميًا.

وهذا هو معنى قانون حفظ الشحنات الكهربائية والذي يمكن كتابته رياضياً على النحو التالي:

أولئك. في النظام المعزول كهربائيًا، يظل المجموع الجبري للشحنات الكهربائية قيمة ثابتة.

يُفهم النظام المعزول كهربائيًا على أنه نظام لا يمكن لأي شحنات كهربائية أخرى اختراقه.

يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن إجمالي الشحنة الكهربائية لنظام معزول ثابت نسبيًا، لأن المراقبون الموجودون في أي نظام إحداثي بالقصور الذاتي، يقيسون الشحنة، يحصلون على نفس القيمة.

أظهر عدد من التجارب، ولا سيما قوانين التحليل الكهربائي، تجربة ميليكان مع قطرة زيت، أن الشحنات الكهربائية في الطبيعة منفصلة عن شحنة الإلكترون. أي شحنة هي عدد صحيح مضاعف لشحنة الإلكترون.

أثناء عملية الكهربة، تتغير الشحنة بشكل منفصل (مكممة) بمقدار شحنة الإلكترون. تكميم الشحنة هو قانون عالمي للطبيعة.

في الكهرباء الساكنة، تتم دراسة خصائص وتفاعلات الشحنات الثابتة في الإطار المرجعي الذي توجد فيه.

إن وجود شحنة كهربائية في الأجسام يجعلها تتفاعل مع الأجسام المشحونة الأخرى. في هذه الحالة، الأجسام المشحونة المتشابهة تتنافر، والأجسام المشحونة بشكل معاكس تتجاذب.

يُفهم التفاعل في الفيزياء على أنه أي تأثير للأجسام أو الجزيئات على بعضها البعض، مما يؤدي إلى تغيير حالة حركتها أو إلى تغيير موضعها في الفضاء. يخرج أنواع مختلفةالتفاعلات.

في الميكانيكا النيوتونية، يتم تحديد الفعل المتبادل للأجسام على بعضها البعض بالقوة. أكثر خاصية عامةالتفاعل هو الطاقة المحتملة.

في البداية، وضعت الفيزياء فكرة أن التفاعل بين الأجسام يمكن أن يتم مباشرة من خلال الفضاء الفارغ، الذي لا يشارك في نقل التفاعل. يحدث نقل التفاعل على الفور. وبالتالي، كان يعتقد أن حركة الأرض يجب أن تؤدي على الفور إلى تغيير في قوة الجاذبية المؤثرة على القمر. وكان هذا هو معنى ما يسمى بنظرية التفاعل، والتي تسمى نظرية العمل بعيد المدى. ومع ذلك، تم التخلي عن هذه الأفكار باعتبارها غير صحيحة بعد اكتشاف ودراسة المجال الكهرومغناطيسي.

لقد ثبت أن تفاعل الأجسام المشحونة كهربائياً لا يكون لحظياً، وأن حركة جسيم مشحون واحد تؤدي إلى تغير في القوى المؤثرة على جسيمات أخرى، ليس في نفس اللحظة، بل بعد فترة زمنية محددة.

كل جسيم مشحون كهربائيا يخلق مجالا كهرومغناطيسيا يعمل على الجسيمات الأخرى، أي. وينتقل التفاعل من خلال "وسيط" - وهو مجال كهرومغناطيسي. سرعة انتشار المجال الكهرومغناطيسي تساوي سرعة انتشار الضوء في الفراغ. وظهرت نظرية جديدة للتفاعل: نظرية التفاعل قصير المدى.

ووفقا لهذه النظرية، فإن التفاعل بين الأجسام يتم من خلال مجالات معينة (على سبيل المثال، الجاذبية من خلال مجال الجاذبية) موزعة بشكل مستمر في الفضاء.

بعد ظهور نظرية المجال الكمي، تغيرت فكرة التفاعلات بشكل كبير.

وفقا لنظرية الكم، أي مجال ليس مستمرا، ولكن لديه بنية منفصلة.

بسبب ازدواجية الموجة والجسيم، يتوافق كل مجال مع جسيمات معينة. تقوم الجسيمات المشحونة بإصدار وامتصاص الفوتونات بشكل مستمر، مما يشكل المجال الكهرومغناطيسي المحيط بها. التفاعل الكهرومغناطيسي في نظرية المجال الكمي هو نتيجة تبادل الجسيمات بواسطة فوتونات (الكمات) للمجال الكهرومغناطيسي، أي. الفوتونات هي حاملة لهذا التفاعل. وبالمثل، تنشأ أنواع أخرى من التفاعلات نتيجة لتبادل الجسيمات بواسطة كميات الحقول المقابلة.

على الرغم من تنوع تأثيرات الأجسام على بعضها البعض (اعتمادًا على تفاعل الجزيئات الأولية التي تتكون منها)، فإنه في الطبيعة، وفقًا للبيانات الحديثة، لا يوجد سوى أربعة أنواع من التفاعلات الأساسية: الجاذبية، والضعيفة، والكهرومغناطيسية، والقوية (في ترتيب زيادة شدة التفاعل). يتم تحديد شدة التفاعلات من خلال ثوابت الاقتران (على وجه الخصوص، الشحنة الكهربائية للتفاعل الكهرومغناطيسي هي ثابت اقتران).

تصف نظرية الكم الحديثة للتفاعل الكهرومغناطيسي بشكل مثالي جميع الظواهر الكهرومغناطيسية المعروفة.

في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي، تم بناء نظرية موحدة للتفاعلات الضعيفة والكهرومغناطيسية (ما يسمى بالتفاعل الكهروضعيف) للليبتونات والكواركات.

النظرية الحديثة للتفاعل القوي هي الديناميكا اللونية الكمومية.

وتجري محاولات للجمع بين التفاعلات الكهروضعيفة والقوية في ما يسمى بـ "التوحيد الكبير"، بالإضافة إلى إدراجها في مخطط واحد لتفاعل الجاذبية.

موضوع الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية

تمت صياغة قوانين الديناميكا الكهربائية العيانية الكلاسيكية في معادلات ماكسويل، مما يجعل من الممكن تحديد قيم خصائص المجال الكهرومغناطيسي: شدة المجال الكهربائي هوالحث المغناطيسي فيفي الفراغ وفي الأجسام المجهرية، اعتمادًا على توزيع الشحنات والتيارات الكهربائية في الفضاء.

ومن بين جميع أنواع التفاعل المعروفة، يحتل التفاعل الكهرومغناطيسي المرتبة الأولى من حيث اتساع وتنوع مظاهره. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن جميع الأجسام مبنية من جسيمات مشحونة كهربائيًا (إيجابية وسلبية)، ويكون التفاعل الكهرومغناطيسي بينها، من ناحية، أكثر كثافة من تفاعل الجاذبية والضعيف، ومن ناحية أخرى ، بعيدة المدى، على عكس التفاعل القوي.

يحدد التفاعل الكهرومغناطيسي بنية الأغلفة الذرية، والتصاق الذرات بالجزيئات (قوى الروابط الكيميائية)، وتكوين المادة المكثفة (التفاعل بين الذرات، والتفاعل بين الجزيئات).

1.2. الشحنة الكهربائية وفصلها.
نظرية المدى القصير

لقد أظهر تطور الفيزياء أن الخواص الفيزيائية والكيميائية للمادة تتحدد إلى حد كبير من خلال قوى التفاعل الناتجة عن وجود وتفاعل الشحنات الكهربائية لجزيئات وذرات المواد المختلفة.

عملية إعادة التوزيعتسمى الشحنات الموجبة والسالبة للأجسام غير المشحونة، أو بين الأجزاء الفردية لنفس الجسم، تحت تأثير عوامل مختلفة كهربة.

وهذا هو معنى قانون حفظ الشحنات الكهربائية والذي يمكن كتابته رياضياً على النحو التالي:

أولئك. في نظام معزول، يبقى المجموع الجبري للشحنات الكهربائية قيمة ثابتة.

يُفهم النظام المعزول على أنه نظام لا يمكن لأي مادة أخرى اختراق حدوده، باستثناء فوتونات الضوء والنيوترونات، لأنها لا تحمل شحنة.

في الكهرباء الساكنة، تتم دراسة خصائص وتفاعلات الشحنات الثابتة في الإطار المرجعي الذي توجد فيه.

نظرية التفاعل قصير المدى هي إحدى نظريات التفاعل في الفيزياء. يُفهم التفاعل في الفيزياء على أنه أي تأثير للأجسام أو الجزيئات على بعضها البعض، مما يؤدي إلى تغيير في حالة حركتها.

في الميكانيكا النيوتونية، يتم تحديد الفعل المتبادل للأجسام على بعضها البعض بالقوة. السمة الأكثر عمومية للتفاعل هي الطاقة الكامنة.

بعد ظهور نظرية المجال الكمي، تغيرت فكرة التفاعلات بشكل كبير.

وفقا لنظرية الكم، أي مجال ليس مستمرا، ولكن لديه بنية منفصلة.

تصف نظرية الكم الحديثة للتفاعل الكهرومغناطيسي بشكل مثالي جميع الظواهر الكهرومغناطيسية المعروفة.

النظرية الحديثة للتفاعل القوي هي الديناميكا اللونية الكمومية.

كهرباء

والكهرومغناطيسية

دورة محاضرات في الفيزياء

لطلاب الهندسة

التخصصات

كهرباء

المحاضرة 1. المجال الكهربائي في الفراغ

الخطوط العريضة للمحاضرة

1.1. موضوع الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية.

1.2. الكهرباء الساكنة. قانون كولوم. توتر.

1.3. نظرية غاوس للمجال الكهروستاتيكي وتطبيقها على حساب المجالات الكهروستاتيكية.

موضوع الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية

حتى في العصور القديمة، كانت تجارب الكهربة عن طريق الاحتكاك (المصطلح نفسه ظهر لاحقًا) وخصائص تفاعل القوى بين الأجسام بعد الكهربة (الجذب والتنافر) معروفة. لقد وجد أن هناك نوعين فقط من الشحنات الكهربائية، يُطلق عليهما تقليديًا الإيجابية والسلبية، وأن الشحنات التي لها نفس الإشارة تتنافر، بينما تتجاذب الشحنات ذات الإشارات المعاكسة. وإلى هذه المعلومات (النوعية في الغالب)، بدأت إضافة العلاقات والأنماط الكمية المحددة منذ نهاية القرن الثامن عشر والتي تحدد الظواهر الكهربائية.

وقد وجد أن الشحنة الكهربائية منفصلة, أي أن شحنة أي جسم هي عدد صحيح مضاعف الشحنة الكهربائية الأولية « ه» ( ه= 1.6·10 19 ج). الجسيمات الأولية: إلكترونو بروتونهي حاملة للشحنات الأولية السلبية والإيجابية على التوالي. جعل تعميم البيانات التجريبية من الممكن صياغتها قانون حفظ الشحنة: المجموع الجبري لشحنات أي نظام مغلق (عدم تبادل الشحنات مع الهيئات الخارجية) يبقى دون تغيير. اتضح أن الشحنات الكهربائية ثابتلتنسيق التحولات، أي. لا تعتمد على النظام المرجعي. وحدة الشحنة الكهربائية في النظام الدولي للوحدات هي 1 كولوم (وحدة مشتقة يتم تحديدها من حيث التيار) وهي الشحنة التي تمر عبر المقطع العرضي للموصل في ثانية واحدة عند تيار 1A.

1.2. الكهرباء الساكنة. قانون كولوم.
توتر

في عام 1785، وضع العالم الفرنسي سي. كولومب قانون التفاعل بين الشحنات النقطية الثابتة (التي تكون أبعادها صغيرة مقارنة بالمسافات إلى الشحنات الأخرى): قوة التفاعل Fبين شحنتين نقطيتين س 1، و س 2 يتناسب طرديا مع حجم الشحنتين وعكسيا مع مربع المسافة بينهما.

, (1.1)

هنا – ثابت كهربائي; – ثابت العزل الكهربائي للوسط- كمية بلا أبعاد توضح عدد المرات التي تضعف فيها قوة التفاعل بين الشحنات في الفراغ بواسطة وسط معين (على سبيل المثال: ثابت العزل الكهربائي للبرافين هو 2؛ الميكا - 6؛ الكحول الإيثيلي - 25؛ الماء المقطر - 81؛ الهواء - 1.0003 ≈ 1.0). يتم توجيه قوة كولوم على طول خط مستقيم يربط بين الشحنات، أي أنه كذلك وسطويقابل التجاذب في حالة الشحنات المتباينة والتنافر في حالة الشحنات المتشابهة.

في الشكل المتجه، يكون قانون كولوم على الشكل التالي:

(1.1 أ)

إذا تم إدخال شحنة أخرى في الفضاء المحيط بالشحنة الكهربائية، فإن قوة كولوم ستؤثر عليها، أي أنه يوجد في الفضاء المحيط بالشحنة ميدان القوة. في في هذه الحالةنتحدث عنه الحقل الكهربائيوالتي من خلالها تتفاعل الشحنات الكهربائية.

دعونا ننظر في المجالات الكهربائية التي يتم إنشاؤها بواسطة الشحنات الثابتة والتي تسمى كهرباء. إذا في مرحلة ما أالحقل الذي تم إنشاؤه بواسطة الشحن س، ضع الرسوم بالتناوب س 1 ; س 2 ;… س n وتحديد قيم قوة كولوم : ثم حسب (1.1) وهذا ما تؤكده التجربة يتم تحديد النسبة . يتم قبول هذه الكمية كقوة مميزة للمجال الكهروستاتيكي وتسمى توتر

من (1.2) يتبع ذلك متى س= 1، أي أن شدة المجال الكهروستاتيكي عند نقطة معينة يتم تحديدها من خلال القوة المؤثرة على وحدة الشحنة الموجبة الموضوعة عند نقطة المجال هذه. وفقًا لـ (1.1) و(1.2)، يمكن العثور على شدة المجال لشحنة نقطية باستخدام الصيغة

(1.3)

يتزامن اتجاه المتجه مع اتجاه القوة المؤثرة على الشحنة الموجبة. بعد التوتر في SI هو .

في شكل ناقل:

بيانياً، يتم تمثيل المجال الكهروستاتيكي باستخدام خطوط التوتر- الخطوط التي تتطابق ظلالها عند كل نقطة مع اتجاه المتجه عند هذه النقطة. وبما أن المتجه عند أي نقطة في الفضاء له اتجاه واحد فقط، فإن خطوط التوتر لا تتقاطع أبدًا. بحيث أنه بمساعدة خطوط التوتر، من الممكن ليس فقط تحديد الاتجاه، ولكن أيضًا حجم شدة المجال الكهروستاتيكي، ويتم رسمها بكثافة معينة: عدد خطوط التوتر DNاختراق مساحة سطح الوحدة دي إس، المتعامدة مع خطوط التوتر، يجب أن تكون مساوية للقيمة العددية للمتجه. إذا قمنا بتعيين البعد للكمية

ه، الذي - التي (1.4)

كمثال على ( الشكل 1.1) قدم صورة بيانية(باستخدام الخطوط) المجالات الكهروستاتيكية: شحنة نقطية موجبة (" أ")؛ شحنة النقطة السالبة ("" ب")؛ رسوم نقطتين ("" الخامس") ومجالات طائرتين متوازيتين مشحونتين بشكل موحد بشحنات متضادة ("" ز").

الشكل 1.1

يتميز المجال الكهروستاتيكي أيضًا بكمية عددية تسمى تدفق ناقلات التوترمن خلال الأسطح المعنية ف ه. تدفق المتجهات الأولية من خلال المنصة دي إسيتم تقديمه كمنتج عددي باستخدام الصيغة

(سم.. الشكل 1.2)، هنا دي إسهي مساحة الموقع الأولي، وهي وحدة المتجه الطبيعي للموقع؛ – الزاوية بين المتجهات و ; - إسقاط المتجه E على الاتجاه؛ - المتجه الشرطي، وحدته تساوي المساحة دي إس، والاتجاه يتزامن مع " ".

تدفق ف همن خلال السطح النهائي سمعرف ك

(1.6)

من التعبيرات (1.5، 1.6) يترتب على ذلك الإشارة ف هيعتمد على علامة cos، والتي بدورها تعتمد على الموقع النسبي للمتجهات و.

يتم تحديد الاتجاه من خلال موقع الشحنات الكهربائية، واتجاه السطح المغلق س- اتجاه العمودي تاركاً المنطقة المغطاة بالسطح المغلق س. وبالتالي، فإن تدفق متجه شدة المجال الكهروستاتيكي عبر السطح قيد النظر سيتناسب مع عدد الخطوط المتجهة التي تخترق هذا السطح.

الشكل 1.2

دعونا نفكر في المجال الكهروستاتيكي الناتج عن نظام الشحنات النقطية الثابتة س 1 ; س 2 ;… س n ، في مرحلة ما توجد شحنة س. توضح التجربة أنه بالنسبة لقوى كولوم فإن مبدأ استقلال عمل القوى الصالح في الميكانيكا هو القوة المحصلة المؤثرة من المجال على الشحنة س، يساوي المجموع المتجه للقوى المطبقة عليه بواسطة كل شحنة سأنا:

وفقا ل (1.2) ، أين هي قوة المجال الناتج؛ - قوة مجال الشحن س ط. استبدال هذه التعبيرات في (1.7) نحصل على العلاقة

تعبير مبدأ التراكب(تراكبات) المجالات الكهروستاتيكية: شدة المجال لنظام من الشحنات النقطية الثابتة عند نقطة معينة تساوي المجموع المتجه لشدة المجال الناتجة عند هذه النقطة بواسطة كل شحنة على حدة. يسمح مبدأ التراكب بحساب المجالات الكهروستاتيكية لأي نظام من الشحنات الثابتة، لأنه إذا لم تكن الشحنات عبارة عن شحنات نقطية، فيمكن دائمًا تقليلها إلى مجموعة من الشحنات النقطية.