Klassikalise elektrodünaamika aine. Maxwelli võrrandid statsionaarsete protsesside jaoks

24.09.2019

VENEMAA HARIDUS- JA TEADUSMINISTEERIUM LIIDERRIIGI EELARVE

KÕRGKÕRGE HARIDUSASUTUS

KUTSEHARIDUS

"Donskoi osariik Tehnikaülikool»

(DSTU)

Test

distsipliini järgi "Konseptsioonid kaasaegne loodusteadus»

Teema nr 1.25 Klassikalise elektrodünaamika kujunemine ja areng

(M. Faraday, D. Maxwell, G. Hertz).

Elektrodünaamiline pilt maailmast.

Esitatud: Onuchina A.A.

õpilane 1 kursuse ettevalmistamise suund kaugõpe

Grupp IZES11 Hinneteraamat nr. 1573242

Kontrollitud ________________

Rostov Doni ääres

Plaan:

1. Elektrodünaamika ajalugu………………………………………………………..3

2. Klassikalise elektrodünaamika kujunemine ja areng.…………….…… 5

3. Elektrodünaamiline pilt maailmast.…………………..…………………………10

Viidete loetelu………………………………………….……13

Elektrodünaamika ajalugu.

Klassikaline elektrodünaamika on elektromagnetiliste protsesside teooria erinevad keskkonnad ja vaakumis. Hõlmab tohutut nähtuste kogumit, milles põhirolli mängivad laetud osakeste vastasmõjud, mis toimuvad elektromagnetväli.

Elektrodünaamika ajalugu on põhialuste evolutsiooni ajalugu füüsikalised mõisted. Kuni 18. sajandi keskpaigani kehtestati elektri tõttu olulisi katsetulemusi: külgetõmbe- ja tõukejõud, ainete jagunemine juhtideks ja isolaatoriteks, avastati kahte tüüpi elektri olemasolu. Magnetismi uurimisel on tehtud edusamme.

Elektri praktiline kasutamine algas 18. sajandi teisel poolel. Fraclini (1706-1790) nimi on seotud hüpoteesi esilekerkimisega elektrist kui erilisest materiaalsest ainest. 1785. aastal kehtestas C. Coulomb kahe punktlaengu vastastikmõju seaduse. A. Volta (1745-1827) nimega on seotud terve rida elektriliste mõõteriistade leiutisi. Ohmi seadus kehtestati 1826. aastal. 1820. aastal avastas Oersted elektrivoolu magnetilise mõju. 1820. aastal kehtestati seadus, mis määrab mehaanilise jõu, millega magnetväli mõjub sellesse sisestatud elektrivoolu elemendile - Ampere'i seadus. Amper kehtestas ka kahe voolu vahelise jõu koosmõju seaduse.

Füüsikas on eriti oluline molekulaarvoolude hüpotees, mille Ampere pakkus välja 1820. aastal.

1831. aastal avastas Faraday elektromagnetilise induktsiooni seaduse. Aastal 1873 visandas James Clerk Maxwell (1831-1879) lühikesed võrrandid, millest sai elektrodünaamika teoreetiline alus. Maxwelli võrrandite üheks tagajärjeks oli valguse EM-loomuse ennustamine, samuti ennustas ta EM-lainete olemasolu võimalust. Järk-järgult kujunes teaduses välja idee EM-väljast kui iseseisvast materiaalsest üksusest, mis on EM-i interaktsioonide kandja ruumis. Erinevad elektri- ja magnetnähtused, mida inimesed on aegade algusest peale jälginud, on alati äratanud neis uudishimu ja huvi. Kõige sagedamini viitab termin elektrodünaamika klassikalisele elektrodünaamikale, mis kirjeldab ainult elektromagnetvälja pidevaid omadusi. Elektromagnetväli on elektrodünaamika peamine uurimisobjekt, ainetüüp, mis avaldub interaktsioonis laetud kehadega. 1895. aastal tegi Popov A.S. suurima leiutise - raadio. Sellel oli tohutu mõju teaduse ja tehnoloogia edasisele arengule. Kõiki elektromagnetnähtusi saab kirjeldada Maxwelli võrrandite abil, mis loovad seose elektri- ja magnetvälju iseloomustavate suuruste ning laengute ja voolude jaotuse vahel ruumis.

Klassikalise elektrodünaamika kujunemine ja areng

(M. Faraday, D. Maxwell, G. Hertz).

Oluline samm elektrodünaamika arengus avastas M. Faraday elektromagnetilise induktsiooni fenomeni – ergastuse vahelduva elektromotoorjõu magnetväljaga juhtides –, millest sai elektrotehnika aluseks.

Michael Faraday - inglise füüsik, sündis Londoni äärelinnas sepa peres. Pärast lõpetamist Põhikool, alates kaheteistkümnendast eluaastast töötas ta ajalehetoimetajana ja 1804. aastal sai temast õpipoiss raamatuköitja Riboti juurde, prantsuse emigrant, kes igal võimalikul viisil õhutas Faraday kirglikku eneseharimise soovi. Lugedes ja loenguid külastades püüdis Faraday oma teadmisi laiendada ning teda köitsid peamiselt loodusteadused – keemia ja füüsika. 1813. aastal kinkis üks klientidest Faradayle kutsekaardid Humphry Davy loengutele, millel oli noormehe saatuses otsustav roll. Olles adresseerinud Davyle kirja, sai Faraday tema abiga kuningliku institutsiooni laborandina.

Faraday teadustegevus toimus Kuningliku Instituudi seinte vahel, kus ta aitas esmalt Davyt keemilistes katsetes ja seejärel alustas iseseisvat uurimistööd. Faraday veeldatud kloori ja mõningaid muid gaase ning saadi benseeni. 1821. aastal jälgis ta esmakordselt magneti pöörlemist vooluga juhi ja vooluga juhi ümber magneti ümber ning lõi esimese elektrimootori mudeli. Järgmise 10 aasta jooksul uuris Faraday elektriliste ja magnetiliste nähtuste vahelist seost. Tema uurimistöö kulmineerus elektromagnetilise induktsiooni fenomeni avastamisega 1831. aastal. Faraday uuris seda nähtust üksikasjalikult, tuletas selle põhiseaduse, selgitas välja induktsioonivoolu sõltuvuse kandja magnetilistest omadustest, uuris iseinduktsiooni nähtust ning sulgumise ja avanemise lisavoolusid.

Elektromagnetilise induktsiooni nähtuse avastamine omandas kohe tohutu teadusliku ja praktiline tähtsus; selle nähtuse aluseks on näiteks kõigi konstantsete ja generaatorite töö vahelduvvoolu. Soov tuvastada elektrivoolu olemus viis Faraday katseteni voolu läbimise kohta läbi hapete, soolade ja leeliste lahuste. Nende uuringute tulemuseks oli elektrolüüsi seaduste avastamine 1833. aastal. 1845. aastal avastas Faraday valguse polarisatsioonitasandi pöörlemise nähtuse magnetväljas. Samal aastal avastas ta diamagnetismi, 1847. aastal paramagnetismi ja 1833. aastal leiutas voltmeetri.

Faraday ideed elektri- ja magnetväljade kohta avaldasid suurt mõju kogu füüsika arengule. 1832. aastal tegi Faraday ettepaneku, et elektromagnetiliste vastastikmõjude levimine on laineprotsess, mis toimub terminali kiirus 1845. aastal kasutas ta esmakordselt terminit "magnetväli".

Faraday avastused pälvisid laialdase tunnustuse kogu teadusmaailmas. Michael Faraday auks asutas Briti Keemia Selts Faraday medali, mis on üks auväärsemaid teadusauhindu.

Püüdes seletada elektromagnetilise induktsiooni nähtust kaugtoime kontseptsiooni alusel, kuid sattudes raskustesse, pakkus ta, et elektromagnetilised vastasmõjud toimuvad elektromagnetvälja kaudu, tuginedes lühimaategevuse kontseptsioonile. Sellest sai alguse elektromagnetvälja mõiste kujunemine, mille vormistas D. Maxwell. James Clerk Maxwell – inglise füüsik. Sündis Edinburghis. Tema juhtimisel loodi Cambridge'is kuulus Cavendishi labor, mida ta juhtis oma elu lõpuni.

Maxwelli tööd on pühendatud elektrodünaamikale, molekulaarfüüsikale, üldstatistikale, optikale, mehaanikale ja elastsuse teooriale. Maxwell andis oma suurima panuse molekulaarfüüsikasse ja elektrodünaamikasse. IN kineetiline teooria gaasid, mille üks asutajatest ta on, kehtestas molekulide kiirusjaotusfunktsioonid, lähtudes otseste ja vastupidiste kokkupõrgete arvestamisest, arendas välja transporditeooria aastal. üldine vaade, rakendades seda difusiooni, soojusjuhtivuse ja sisehõõrdumise protsessidele, tutvustas lõõgastumise mõistet. 1867. aastal näitas esimene termodünaamika teise seaduse statistilist olemust ja 1878. aastal võttis ta kasutusele termini "statistiline mehaanika".

Maxwelli suurim teadussaavutus on elektromagnetvälja teooria, mille ta lõi aastatel 1860–1865. Maxwell kasutas oma elektromagnetvälja teoorias uut mõistet – nihkevool, määratles elektromagnetvälja ja ennustas uut olulist efekti: elektromagnetkiirguse olemasolu vabas ruumis, elektromagnetlained ja selle levimine ruumis valguse kiirusel. Teadlane sõnastas ka elastsusteooria teoreemi, tuvastas seosed peamiste termofüüsikaliste parameetrite vahel, arendas värvinägemise teooriat ja uuris Saturni rõngaste stabiilsust, näidates, et rõngad ei ole tahked ega vedelad, vaid kujutavad endast parve. meteoriidid. Maxwell kavandas mitmeid instrumente. Ta oli kuulus füüsiliste teadmiste populariseerija.

1) magnetvälja tekitavad liikuvad laengud ja vahelduv elektriväli (nihkevool);

2) vahelduva magnetvälja abil tekitatakse suletud jõujoontega elektriväli (pöörisväli);

3) magnetvälja jõujooned on alati suletud (see tähendab, et sellel puuduvad allikad - elektrilistega sarnased magnetlaengud);

4) avatud jõujoontega elektriväli (potentsiaalväli) tekitatakse elektrilaengute - selle välja allikate - poolt.

James Maxwelli teooria eeldab elektromagnetilise vastastikmõju levimiskiiruse ja elektromagnetlainete olemasolu lõplikkust. Maxwelli elektromagnetvälja teooria on elektrodünaamika põhiline üldistus, seega on sellel õigustatult auväärne koht suurimate seas. teaduslikud saavutused inimkond nagu klassikaline mehaanika, relativistlik füüsika ja kvantmehaanika. Aastatel 1861–1862 avaldas James Maxwell oma artikli füüsilistest jõujoontest. Tuginedes elektromagnetiliste häirete levimiskiiruse ja valguse kiiruse praktilisele kokkulangemisele, pakkus Maxwell, et valgus on ka elektromagnetiline häire. Ja see idee, mis toona tundus täiesti fantastiline, hakkas ühtäkki eksperimentaalset kinnitust saama.

Ja kõik tundus korras olevat, kuid 1885. aastal kirjutas üks Baseli tütarlastekooli õpetaja Johann Jakob Balmer pärast oma katseid lühikese, sõna otseses mõttes paarileheküljelise artikli, mis ütles: "Pöörake tähelepanu spektrijoontele. vesinikust." Mis viis teoreetilised füüsikud järgmiseks kaheks aastakümneks uimasesse seisundisse. Balmeri seeria selged spektrijooned näitasid ülemaailmsele füüsikateadlaskonnale selgelt, et siin maailmas pole kõik nii lihtne.

Klassikalise elektrodünaamika areng pärast Maxwelli kulges mitmes suunas, millest märgime välja kaks peamist. Esiteks täiustati Maxwelli teooria matemaatilist poolt ja saadi mõned uued tulemused. Teiseks toimus elektromagnetvälja teooria ühendamine aine ehituse teooria põhiideedega. Viimane suund viis elektroonilise teooria loomiseni.

Tahaksin mainida ka silmapaistvat saksa füüsikut Heinrich Rudolf Hertzi. Ta on lõpetanud Berliini ülikooli ja aastatel 1885–1889 oli Karlsruhe ülikooli füüsikaprofessor. Alates 1889. aastast - Bonni ülikooli füüsikaprofessor.

Peamine saavutus on James Maxwelli valguse elektromagnetilise teooria eksperimentaalne kinnitus. Hertz tõestas elektromagnetlainete olemasolu.

Ta konstrueeris liikuvate kehade elektrodünaamika, tuginedes hüpoteesile, et liikuvad kehad kannavad eetri minema. Tema elektrodünaamika teooria ei leidnud aga katsetega kinnitust ja andis hiljem teed Hendrik Lorentzi elektroonilisele teooriale. Hertzi saadud tulemused olid raadio loomise aluseks. 1886. aastal vaatles ja kirjeldas Hertz esimest korda välist fotoelektrilist efekti. Hertz töötas välja resonantsahela teooria, uuris katoodkiirte omadusi ja uuris ultraviolettkiirte mõju elektrilahendusele. Alates 1933. aastast kannab sagedusühik Hertz, mis kuulub rahvusvahelisse meetermõõdustiku ühikute SI süsteemi, Hertzi nime.

Füüsika on üks tähtsamaid teadusi, mida inimene uurib. Selle olemasolu on märgatav kõigis eluvaldkondades, mõnikord muudavad avastused isegi ajaloo kulgu. Seetõttu on suured füüsikud inimeste jaoks nii huvitavad ja olulised.

Elektrodünaamika on füüsika valdkond, milles uuritakse elektromagnetvälja ja liikumise omadusi ja käitumismustreid. elektrilaengud, suhtlevad üksteisega selle välja kaudu.

Paljud suured füüsikud on pühendanud oma elu sellele, et leida vastuseid küsimustele, mida inimkond vajab. Maailm ei seisa paigal, kõik voolab ja muutub, planeet pöörleb ümber oma telje, äikesetorm tuleb alati välgu ja äikesega ning lehed kukuvad maapinnale. Ja just esmapilgul lihtsad asjad äratasid inimeses huvi täppis- ja loodusteaduste vastu.

Seotud Informatsioon.

Loengukonspektid

Kinnitatud ülikooli toimetuse ja kirjastusnõukogu poolt loengukonspektina

Arvustajad:

Füüsikaliste ja matemaatikateaduste doktor, juhataja. KSTU tehnoloogia ja majanduse osakond, professor A.A. Rodionov

Füüsikaliste ja matemaatikateaduste kandidaat, juhataja. osakond
Üldfüüsika KSU Yu.A. Neruchev

tehnikateaduste kandidaat, juhataja. KSHA füüsika osakond
DI. Jakirevitš

Polunin V.M., Sychev G.T.

Füüsika. Elektrostaatika. Alalisvool: loengukonspekt / Kursk. olek tehnika. univ. Kursk, 2003. 196 lk.

Loengukonspektid on koostatud vastavalt riikliku haridusstandardi 2000 nõuetele, Näidisprogramm distsipliin "Füüsika" (2000) ja füüsika tööprogramm KSTU inseneri- ja tehnikaerialade üliõpilastele (2000).

Materjali esitlus käesolevas töös annab õpilastele füüsika- ja matemaatikateadmised kooli õppekava mahus, palju tähelepanu on pööratud raskesti mõistetavatele küsimustele, mis hõlbustab õpilastel eksamiks valmistumist.

Elektrostaatika ja elektri alalisvoolu loengukonspekt on mõeldud kõikide õppevormide inseneri- ja tehnikaerialade üliõpilastele.

Il. 96. Bibliograafia: 11 nimetust.

Ó Kurski osariik
Tehnikaülikool, 2003

О Polunin V.M., Sychev G.T., 2003

Sissejuhatus... 7

Loeng 1. Elektrostaatika vaakumis ja aines. Elektriväli 12

1.1. Klassikalise elektrodünaamika aine.. 12

1.2. Elektrilaeng ja selle diskreetsus. Lühimaategevuse teooria. 13

1.3. Coulombi seadus. Elektrivälja tugevus. Elektriväljade superpositsiooni põhimõte... 16

1.4. Elektrostaatilise väljatugevuse vektori voog. 22

1.5. Ostrogradsky-Gaussi teoreem elektrivälja vaakumis. 24

1.6. Elektrivälja töö elektrilaengu liigutamiseks. Elektrivälja tugevuse vektori tsirkulatsioon. 25

1.7. Elektrilaengu energia elektriväljas. 26

1.8. Elektrivälja potentsiaal ja potentsiaalide erinevus. Elektrivälja tugevuse ja selle potentsiaali seos.. 28

1.9. Ekvipotentsiaalpinnad.. 30

1.10. Elektrostaatika põhivõrrandid vaakumis. 32

1.11. Mõned näited kõige lihtsamate elektrilaengute süsteemide tekitatud elektriväljadest. 33

Loeng 2. Dirigendid elektriväljas.. 42

2.1. Dirigendid ja nende klassifikatsioon. 42

2.2. Elektrostaatiline väli ideaalse juhi õõnsuses ja selle pinnal. Elektrostaatiline kaitse. Laengute jaotus juhi mahus ja selle pinnal.. 43

2.3. Üksikjuhi elektriline võimsus ja selle füüsikaline tähendus. 46

2.4. Kondensaatorid ja nende võimsus. 47

2.5. Kondensaatorite ühendused. 51

2.6. Kondensaatorite klassifikatsioon. 54

Loeng 3. Staatiline elektriväli aines.. 55

3.1. Dielektrikud. Polaarsed ja mittepolaarsed molekulid. Dipool homogeensetes ja mittehomogeensetes elektriväljades. 55

3.2. Vaba- ja seotud (polarisatsiooni)laengud dielektrikutes. Dielektrikute polarisatsioon. Polarisatsioonivektor (polarisatsioon) 58

3.3. Dielektrikute väli. Elektriline eelarvamus. Aine dielektriline tundlikkus. Sugulane dielektriline konstant keskkond. Ostrogradsky-Gaussi teoreem elektrivälja induktsioonivektori voolu kohta. 61

3.4. Kahe dielektriku vahelise liidese tingimused. 63

3.5. Elektrostriktsioon. Piesoelektriline efekt. Ferroelektrikud, nende omadused ja rakendused. Elektrokaloriefekt. 65

3.6. Dielektrikute elektrostaatika põhivõrrandid. 72

Loeng 4. Elektrivälja energia... 75

4.1. Elektrilaengute vastastikmõju energia. 75

4.2. Laetud juhtide energia, dipool välises elektriväljas, dielektriline keha välises elektriväljas, laetud kondensaator. 77

4.3. Elektrivälja energia. Elektrivälja mahuline energiatihedus 81

4.4. Jõud, mis mõjutavad elektrivälja asetatud makroskoopilisi laetud kehasid. 82

Loeng 5. Elektri alalisvool... 84

5.1. Pidev elektrivool. Alalisvoolu olemasolu põhitoimingud ja tingimused. 84

5.2. Alalisvoolu peamised omadused: suurus / tugevus / vool, voolutihedus. Välised jõud.. 85

5.3. Elektromotoorjõud (EMF), pinge ja potentsiaalide erinevus. Nende füüsiline tähendus. EMF-i, pinge ja potentsiaalide erinevuse seos. 90

Loeng 6. Klassikaline elektroonika metallide juhtivuse teooria. Alalisvoolu seadused.. 92

6.1. Klassikaline metallide elektrijuhtivuse elektroonika teooria ja selle eksperimentaalne põhjendus. Ohmi seadus diferentsiaalis
ja terviklikud vormid. 92

6.2. Juhtide elektritakistus. Juhtide takistuse muutused sõltuvalt temperatuurist ja rõhust. Ülijuhtivus. 98

6.3. Takistuse ühendused: jada-, paralleel-, segatud. Elektriliste mõõteriistade manööverdamine. Täiendavad takistused elektrilistele mõõteriistadele.. 104

6.4. Kirchhoffi reeglid (seadused) ja nende rakendamine lihtsate elektriahelate arvutamisel 108

6.5. Joule-Lenzi seadus diferentsiaal- ja integraalvormides. 110

6.6. Alalisvooluahelas vabanev energia. Koefitsient kasulik tegevus alalisvooluallika (tõhusus). 112

Loeng 7. Elektrivool vaakumis, gaasid ja vedelikud.. 115

7.1. Elektrivool vaakumis. Termoemissioon. 115

7.2. Sekundaarsed ja autoelektroonilised heitmed. 122

7.3. Elektrivool gaasis. Ionisatsiooni- ja rekombinatsiooniprotsessid.. 124

7.4. Plasma mõiste. Plasma sagedus. Debye pikkus. Plasma elektrijuhtivus 142

7.5. Elektrolüüdid. Elektrolüüs. Elektrolüüsi seadused. 149

7.6. Elektrokeemilised potentsiaalid.. 151

7.7. Elektrivool läbi elektrolüütide. Ohmi seadus elektrolüütide kohta. 152

Loeng 8. Elektronid kristallides... 161

8.1. Metallide elektrijuhtivuse kvantteooria. Fermi tase. Kristallide ribateooria elemendid. 161

8.2. Ülijuhtivuse fenomen Fermi-Diraci teooria seisukohalt. 170

8.3. Pooljuhtide elektrijuhtivus. Aukude juhtivuse mõiste. Sisemised ja lisanditega pooljuhid. P-n-siirde mõiste. 171

8.4. Elektromagnetilised nähtused kandjate vahelisel liidesel. 178

järeldus.. 193

BIBLIOGRAAFILINE LOETELU... 195

Käesolev käsiraamat on koostatud materjalide põhjal, mille autorid on kogunud pika aja jooksul suhteliselt väikese auditoorse õppe mahuga inseneri- ja tehnikaerialade üliõpilastele üldfüüsika loengute pidamise käigus.

Nimetatud loengukonspektide kättesaadavus inseneri- ja tehnikaerialade üliõpilastele võimaldab neil ja õppejõul tõhusamalt kasutada loenguaega, pöörata rohkem tähelepanu raskesti mõistetavatele küsimustele ning hõlbustada üliõpilaste eksamiks valmistumist.

Meie hinnangul vajavad sellist käsiraamatut eelkõige korrespondent-, kiir- ja kaugõppe üliõpilased, kellel füüsikat õppima asudes puuduvad piisavad oskused füüsikaliste mõistete, definitsioonide ja seaduste adekvaatseks tajumiseks.

Materjali esitlemisel käesolevas töös eeldatakse, et õpilastel on kooli õppekava raames teadmised füüsikast ja matemaatikast, mistõttu paljusid mõisteid täpsemalt ei käsitleta, vaid kasutatakse küllaltki tuntud mõistetena. Lisaks eeldatakse antud töös, et üliõpilased on juba õppinud või õpivad paralleelselt õpetatava kursusega vastavaid matemaatilisi aparaate (diferentsiaal- ja integraalarvutus, funktsioonianalüüs, diferentsiaalvõrrandid, vektoralgebra, seeriad).

Juhendi eripäraks on see, et materjal on esitatud kindlas, ebatraditsioonilises järjestuses ning sisaldab vajalikke jooniseid ja selgitusi.

Vaatamata väikesele mahule sisaldab kavandatav käsiraamat küsimuste esitlust, mille tundmine on vajalik distsipliinide õppimiseks, mille aluseks on füüsika seadused ja aluspõhimõtted.

Mahu vähendamine saavutati peamiselt keeldudes käsitlemast teatud põhimõttelisi küsimusi, samuti esitades mõned küsimused nendele praktiliste ja laboratoorsete tundide käigus.

Selliseid küsimusi nagu metallide ja pooljuhtide ribateooria, vaakumivool, gaasid ja elektrolüüdid on käsitletud piisavalt üksikasjalikult.

Materjali esitamine, välja arvatud metoodilistest kaalutlustest tingitud harvad erandid, põhineb katsel. Põhilised katsed, mis olid aluseks kaasaegne õpetus elektromagnetismi kohta on kirjeldatud piisavalt üksikasjalikult.

Lisaks pööratakse mõningast tähelepanu elektriliste põhisuuruste mõõtmise põhimõtete selgitamisele, mis võimalusel järgneb koheselt vastavate füüsikaliste mõistete tutvustamisele. Siiski kirjeldus erinevaid kogemusi ei pretendeeri täielikkusele ja puudutab pealegi ainult nende katsete põhimõtteid, kuna tudengid kuulavad loengukursust koos demonstratsioonidega ja töötavad füüsikalaborites. Samal põhjusel tehakse enamus jooniseid vormis lihtsad vooluringid ja kajastab ainult kvalitatiivseid sõltuvusi antud juhul ilma mõõtühikuid ja arvväärtusi vaadeldavatest kogustest, mis aitab õpilastel õpitavat materjali paremini tajuda.

Kuna hetkel on olemas ülikooli füüsikakursusele vastavad probleemiraamatud, siis konkreetsete ülesannete ja harjutuste lisamist õpitavasse lõiku ei ole ette nähtud. Seetõttu on loengukonspektis vaid suhteliselt vähe näiteid, mis illustreerivad olulisemate seaduste rakendamist.

Esitlus viiakse läbi rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis (SI). Füüsikaliste suuruste mõõtühikute tähistused antakse süsteemi põhi- ja tuletatud ühikute kaudu, vastavalt nende definitsioonidele SI-süsteemis.

Käsiraamatut saavad kasutada magistrandid ja õppejõud, kellel pole piisavalt ülikoolis töötamise kogemust.

Autorid on tänulikud kõigile, kes selle juhendi hoolikalt üle vaatavad ja teatud sisulisi märkusi teevad. Lisaks püüavad nad arvesse võtta kaasfüüsikute, magistrantide ja üliõpilaste kõiki ratsionaalseid kommentaare ning teha asjakohaseid parandusi ja täiendusi.

Sissejuhatus

See loengukonspekt on pühendatud ühele osast üldkursus füüsika rubriik "Elekter", mida loetakse nende erialade ja õppevormide üliõpilastele, kelle õppekavadel see kursus on ette nähtud.

See keskendub asjaolule, et elektrienergia mängib tehnoloogias suurt rolli järgmistel põhjustel:

1. Elektrienergia äärmine lihtsus muudetakse teist tüüpi energiaks: mehaaniliseks, termiliseks, valguseks ja keemiliseks energiaks.

2. Elektrienergia edastamise võimalus pikkadele vahemaadele.

3. Elektrimasinate ja elektriseadmete kõrge efektiivsus.

4. Äärmiselt kõrge tundlikkus elektrilised mõõte- ja salvestusriistad ning arendus elektrilised meetodid erinevate mitteelektriliste suuruste mõõtmised.

5. Pakutakse erakordseid funktsioone elektriseadmed ja seadmed automatiseerimiseks, telemehaanikaks ja tootmisjuhtimiseks.

6. Materjalide töötlemise elektriliste, elektrotermiliste, elektrokeemiliste, elektromehaaniliste ja elektromagnetiliste meetodite väljatöötamine.

Elektriõpetusel on oma ajalugu, mis on orgaaniliselt seotud ühiskonna tootlike jõudude ja teiste loodusteaduste valdkondade arengu ajalooga. Elektri uurimise ajaloos võib eristada kolme etappi:

1. Eksperimentaalsete faktide kogumise ning põhimõistete ja seaduste kehtestamise periood.

2. Elektromagnetvälja õpetuse kujunemise periood.

3. Elektri aatomiteooria kujunemise periood.

Elektri ideede päritolu ulatub tagasi Vana-Kreeka. Valguskehade külgetõmme hõõrutud merevaigu ja muude esemete poolt on inimestele teada juba ammu. Elektrilised jõud olid aga täiesti ebaselged, nende praktilise rakendamise võimalus ei olnud tuntav ja seetõttu puudus ka stiimul antud valdkonna süstemaatiliseks uurimiseks.

Ainult XYIII sajandi esimese poole avastused. sunnib meid dramaatiliselt muutma oma suhtumist elektrinähtustesse. Kahtlemata aitas seda kaasa elektrimasina leiutamine (18. sajandi teine pool), mille alusel eksperimenteerimisvõimalused oluliselt avardusid.

XYIII sajandi keskpaigaks. Huvi elektri vastu kasvab ja teadustöös osalevad loodusteadlased paljudest riikidest. Tugevate elektrilahenduste vaatlemine ei suutnud muud, kui viitab analoogiale elektrisädeme ja välgu vahel. Välgu elektrilist olemust tõestasid otseste katsetega W. Franklin, M.V. Lomonosov, G.V. Richman (1752 – 1753). Piksevarda leiutamine oli elektriõpetuse esimene praktiline rakendus. See aitas kaasa üldise elektrihuvi tekkimisele ja uute teadlaste ligimeelitamisele sellesse valdkonda.

Inglise loodusteadlane R. Simmer (1759) esitas viljaka hüpoteesi elektri olemuse kohta. Du Fay ideid arendades jõudis Simmer järeldusele, et tavalistes olekutes sisaldavad kehad võrdses koguses kahte tüüpi elektrit, neutraliseerides üksteise mõju. Elektrifitseerimine põhjustab kehas ühe elektrienergia ülejäägi teisest. Selle hüpoteesi suurepäraseks kinnituseks oli elektrostaatilise induktsiooni avastus vene akadeemiku F. Epinuse poolt (1759).

Lomonossovi kehtestatud energia ja aine jäävuse seadus oli 18. sajandi füüsika suurim saavutus. Lomonossovi avastatud looduskaitseseaduse sisu ilmnes järk-järgult ja mängis suurt rolli elektriõpetuse kujunemisel. Seega on hiljem avastatud elektrilaengute jäävuse seadus universaalse aine ja liikumise jäävuse seaduse eriline ilming.

Kuni XYIII sajandi keskpaigani. katsed elektriga olid jätkuvalt puhtalt kvalitatiivsed. Esimese sammu kvantitatiivse katse suunas astus Richmann, kes pakkus välja esimese mõõteseadme, mida nimetatakse elektromeetriks (1745). Kõige olulisem etapp eksperimentaaltehnoloogia väljatöötamisel oli Ch. Coulombi leiutis 1784. aastal väga tundlikud torsioonkaalud, mis mängisid oluline roll erineva iseloomuga jõudude uurimisel. See seade võimaldas Coulombil kehtestada magnetite ja elektrilaengute vastastikmõju seaduse (1785). Coulombi seadused olid elektrostaatika ja magnetostaatika matemaatilise teooria väljatöötamise aluseks.

Lisaks avastati tänu L. Galvani (1789) ja A. Volta (1792) katsetele kontaktelektrilised nähtused, mis omakorda viisid galvaaniliste elementide leiutamiseni ja elektrivoolu avastamiseni (1800).

Inglise teadlased A. Carlyle ja V. Nicholson avastasid, et galvaaniline vool, mis läbib vett, lagundab selle vesinikuks ja hapnikuks. Füüsika ja keemia vahel on loodud üksteist rikastav suhe. Elekter omandab tohutu praktilise tähtsuse, mis stimuleerib selle teadusharu edasist arengut.

Voltasamba konstruktsiooni täiustused viivad elektrivoolu uute toimingute avastamiseni. Aastal 1802 V.V. Petrov, kasutades võimsat pingepoolust, tekitab elektrikaare. Petrovi kaar tekitas voolu termiliste mõjude kohta mitmeid uusi rakendusi.

Voolu mõju magnetnõelale avastamisega tähistas H. Oersted (1820) elektriteoorias uue peatüki algust – voolu magnetiliste omaduste doktriini, mis võimaldas kaasata magnetismi elektromagnetiliste nähtuste ühtne teooria.

Elektrivoolu uurimine edenes üha kiiremas tempos. Leiti, et voolu magnetiline mõju suureneb, kui juht on mähitud. See avas võimaluse konstrueerida elektromagnetvoolumõõtjaid.

1820. aastal kehtestas A. Ampere seaduse, millega määrati kahe elementaarvoolu vastastikmõju jõud. Sellele eksperimentaalsele faktile tuginedes teeb A. Ampere oletuse magnetismi elektrilise olemuse kohta. Ta oletab, et "elektrivoolud ... eksisteerivad rauas, niklis ja koobaltis olevate osakeste ümber juba enne magnetiseerimist. Olles aga suunatud kõikides võimalikes suundades, ei saa need põhjustada välist mõju, kuna mõned neist kipuvad tõmbama seda, mida teised lükake eemale..." Nii tekkis füüsikas hüpotees molekulaarvooludest, mille sügavus ilmnes alles 20. sajandil.

Edasistes elektriuuringutes oli tõhus vahend Saksa füüsiku G. Ohmi 1827. aastal kehtestatud seadus, mida kutsuti Ohmi seaduseks.

Sellel perioodil algas teaduslik tegevus M. Faraday. Füüsika ajaloos on eriti olulised kaks Faraday avastust: elektromagnetilise induktsiooni nähtus (1831) ja elektrolüüsi seadused (1834). Faraday andis nende avastustega teoreetilise aluse paljudele elektri tehnilistele rakendustele. Uurimused E.H. Lenzi elektromagnetilise induktsiooni teooria (Lenzi reegel) ja voolu termilise toime seaduse kehtestamine (Joule-Lenzi seadus) aitasid kaasa edasisele arengule. praktilise rakendamise elektrit.

Eksperimentaalselt tehti kindlaks, et elektrilised jõud toimivad meediumi kaudu, mis täidab interakteeruvate kehade vahelise ruumi. Laetud kehade vastastikmõju uurides tutvustas Faraday elektriliste jõujoonte kontseptsiooni ja andis idee magnet- ja elektriväljadest - ruumidest, kus tuvastatakse elektrijõudude mõju. Faraday uskus, et elektri- ja magnetväljad kujutavad endast mõne kõikehõlmava kaalutu keskkonna – eetri – deformeerunud olekut.

Faraday järgi ei mõju ümbritsevatele kehadele mitte elektrilaeng, vaid laenguga seotud jõujooned. Nii esitas Faraday lühitoime teooria idee, mille kohaselt edastatakse mõne keha mõju teistele keskkond teatud kiirusel.

60ndatel aasta XIX sajandil D. Maxwell üldistas Faraday õpetused elektri- ja magnetväljade kohta ning lõi ühtse elektromagnetvälja teooria. Selle teooria põhisisu seisneb Maxwelli võrrandites, mis mängivad elektromagnetismis sama rolli kui Newtoni seadused mehaanikas.

Tuleb märkida mitmete vene füüsikute töö suurt tähtsust XIX lõpus V. Maxwelli teooria eksperimentaalsel kinnitusel. Seda tüüpi uuringute hulgas olid eriti olulised P.N.-i katsed. Lebedev valgusrõhu tuvastamise ja mõõtmise kohta (1901).

Peaaegu 19. sajandi lõpuni. elektrit kujutati ette kaalutu vedelikuna. Küsimus, kas elekter on diskreetne või pidev, nõudis katsematerjali analüüsi ja uute katsete püstitamist. Elektri diskreetsuse ideed on näha avastas Faraday elektrolüüsi seadused. Nendele seadustele tuginedes soovitas saksa füüsik G. Helmholtz (1881) elektrilaengu väikseimate osade olemasolu. Sellest ajast sai alguse elektroonikateooria areng, mis selgitas selliseid nähtusi nagu termoemissioon ja katoodkiirte ilmumine. Elektroonilise teooria loomise au kuulub peamiselt Hollandi füüsikule G.A. Lorentz, kes oma töös "Elektronite teooria" (1909) sidus orgaaniliselt Maxwelli elektromagnetvälja teooria aine elektriliste omadustega, mida peeti elementaarsete elektrilaengute kogumiks.

20. sajandi esimese veerandi elektrooniliste esituste põhjal. Töötati välja dielektrikute ja magnetite teooria. Praegu arendatakse pooljuhtide teooriat. Uuring elektrilised nähtused viis tänapäevase aine struktuuri teooriani. Füüsika edu selles suunas kulmineerus tuumaenergia vabastamise võimaluste avastamisega, mis tõstis inimkonna teaduse ja tehnoloogia kvalitatiivselt uude arenguetappi.

Eriti tuleb märkida, et paljudes tehnilised rakendused elekter, elektri ja magnetismi doktriinis on ülimuslikkus vene teadlastel ja tehnikutel. Näiteks leiutasid vene teadlased ja insenerid galvaniseerimise ja galvaniseerimise, elektrikeevituse, elektrivalgustuse, elektrimootorite ja raadio ning kasutasid neid praktikas. Nad arendasid välja palju küsimusi, mis ei paku mitte ainult suurt teoreetiliselt huvi, vaid ka suure praktilise tähtsusega. See hõlmab dielektrikute, pooljuhtide, magnetite füüsika, gaaslahenduse füüsika, termokiirguse, fotoelektrilise efekti, elektromagnetiliste võnkumiste ja raadiolainete jne küsimusi. Viimasel ajal on probleeme päikeseenergia otsesel muundamisel elektrienergiaks, magnetohüdrodünaamilise süsteemi loomist. on välja töötatud elektriallikad ja kütuseelemendid. Venemaa teadlased mängivad juhtivat rolli uuringutes, mille eesmärk on lahendada meie aja kõige olulisem teaduslik ja tehniline probleem - kontrollitud termotuumareaktsioonide loomise probleem, kasutades magnet- ja elektromagnetvälju soojusisolatsiooniks ja kõrge ioniseeritud gaasi - plasma kuumutamiseks.

Suure panuse eest maailma teaduse arengusse on vene teadlased - füüsikud I.E. Tammu, I.M. Frank ja P.A. Tšerenkov (1958), L.D. Landau (1962), N.G. Basov ja A.M. Prohhorov (1964), P.L. Kapitsa (1978), Zh.I.Alferov (2000), V.L. Ginzburg ja A.A. Abrikosov (2003) pälvis Nobilijevi preemia.

Loeng 1. Elektrostaatika vaakumis
ja sisu. Elektriväli

Klassikalise elektrodünaamika aine. Elektrilaeng ja selle diskreetsus. Lühimaategevuse teooria. Coulombi seadus. Elektrivälja tugevus. Elektriväljade superpositsiooni põhimõte. Dipooli elektriväli. Elektrostaatilise väljatugevuse vektori voog. Ostrogradsky-Gaussi teoreem elektrivälja vaakumis. Elektrivälja töö elektrilaengu liigutamiseks. Elektrivälja tugevuse vektori tsirkulatsioon. Elektrilaengu energia elektriväljas. Elektrivälja potentsiaal ja potentsiaalide erinevus. Elektrivälja tugevus selle potentsiaali gradiendina. Ekvipotentsiaalpinnad. Elektrostaatika põhivõrrandid vaakumis. Mõned näited kõige lihtsamate elektrilaengute süsteemide tekitatud elektriväljadest.

Klassikalise elektrodünaamika aine

Klassikaline elektrodünaamika on teooria, mis selgitab elektromagnetvälja käitumist, mis teostab elektrilaengute vahelist elektromagnetilist interaktsiooni.

Klassikalise makroskoopilise elektrodünaamika seadused on sõnastatud Maxwelli võrrandites, mis võimaldavad määrata elektromagnetvälja omaduste - elektrivälja tugevuse - väärtusi. E ja magnetinduktsioon IN- vaakumis ja makroskoopilistes kehades, sõltuvalt elektrilaengute ja voolude jaotusest ruumis.

Statsionaarsete elektrilaengute vastastikmõju kirjeldatakse elektrostaatika võrranditega, mille saab saada Maxwelli võrrandite tulemusena.

Üksikute laetud osakeste tekitatud mikroskoopiline elektromagnetväli määratakse klassikalises elektrodünaamikas Lorentz-Maxwelli võrranditega, mis on makroskoopiliste kehade elektromagnetiliste protsesside klassikalise statistilise teooria aluseks. Nende võrrandite keskmistamisel saadakse Maxwelli võrrandid.

Kõigi seas tuntud liigid elektromagnetiline interaktsioon on ilmingute ulatuse ja mitmekesisuse poolest esikohal. Selle põhjuseks on asjaolu, et kõik kehad on üles ehitatud elektriliselt laetud (positiivsetest ja negatiivsetest) osakestest, mille elektromagnetiline vastastikmõju on ühelt poolt mitu suurusjärku intensiivsem kui gravitatsiooniline ja nõrk vastastikmõju, teiselt poolt , on erinevalt tugevast koostoimest pikamaa.

Elektromagnetiline interaktsioon määrab aatomi kestade struktuuri, aatomite sidususe molekulideks (jõud keemiline side) ja kondenseerunud aine moodustumine (aatomitevaheline interaktsioon, molekulidevaheline interaktsioon).

Klassikalise elektrodünaamika seadused ei ole rakendatavad kõrgetel sagedustel ja vastavalt ka lühikestel elektromagnetlainete pikkustel, s.t. väikeste aegruumi intervallidega toimuvate protsesside jaoks. Sel juhul kehtivad kvantelektrodünaamika seadused.

1.2. Elektrilaeng ja selle diskreetsus.
Lühimaa teooria

Füüsika areng on näidanud, et füüsikalised ja Keemilised omadused ained määravad suures osas vastasmõjujõud, mis on põhjustatud erinevate ainete molekulide ja aatomite elektrilaengute olemasolust ja vastasmõjust.

On teada, et looduses on kahte tüüpi elektrilaenguid: positiivsed ja negatiivsed. Need võivad eksisteerida elementaarosakeste kujul: elektronid, prootonid, positronid, positiivsed ja negatiivsed ioonid jne, aga ka "vaba elektrina", kuid ainult elektronide kujul. Seetõttu on positiivselt laetud keha elektronide puudumisega elektrilaengute kogum ja negatiivselt laetud keha on nende liig. Erinevate märkide laengud kompenseerivad üksteist, seetõttu on laenguta kehades alati mõlema märgi laenguid sellises koguses, et nende kogumõju kompenseeritakse.

Ümberjagamise protsess laenguta kehade positiivsed ja negatiivsed laengud või nende hulgas üksikud osad sama keha, mõju all erinevaid tegureid helistas elektrifitseerimine.

Kuna elektrifitseerimisel jaotuvad vabad elektronid ümber, siis elektrifitseeritakse näiteks mõlemad vastastikku toimivad kehad, millest üks on positiivne ja teine negatiivne. Laengute arv (positiivsed ja negatiivsed) jääb muutumatuks.

Siit järeldub, et laenguid ei teki ega hävitata, vaid need jaotuvad ümber vastastikku mõjuvate kehade ja sama kehaosade vahel, jäädes kvantitatiivselt muutumatuks.

See on elektrilaengute jäävuse seaduse tähendus, mille saab matemaatiliselt kirjutada järgmiselt:

need. elektriliselt isoleeritud süsteemis jääb elektrilaengute algebraline summa konstantseks väärtuseks.

Elektriliselt isoleeritud süsteemi all mõistetakse süsteemi, mille kaudu ei saa läbi tungida muud elektrilaengud.

Tuleb meeles pidada, et isoleeritud süsteemi kogu elektrilaeng on relativistlikult muutumatu, sest vaatlejad, kes asuvad mis tahes antud inertsiaalses koordinaatsüsteemis ja mõõdavad laengut, saavad sama väärtuse.

Mitmed katsed, eelkõige elektrolüüsi seaduspärasused, Millikani katse õlitilgaga, näitasid, et looduses on elektrilaengud elektroni laengu suhtes diskreetsed. Iga laeng on elektroni laengu täisarv.

Elektrifitseerimisprotsessi käigus muutub laeng diskreetselt (kvanteeritult) elektroni laengu suuruse võrra. Laengu kvantimine on universaalne loodusseadus.

Elektrostaatikas uuritakse nende laengute omadusi ja vastastikmõjusid, mis on statsionaarsed tugiraamistikus, milles nad paiknevad.

Elektrilaengu olemasolu kehades põhjustab nende vastasmõju teiste laetud kehadega. Sel juhul sarnaselt laetud kehad tõrjuvad ja vastupidiselt laetud kehad tõmbavad.

Füüsikas mõistetakse interaktsiooni all kehade või osakeste mis tahes mõju üksteisele, mis toob kaasa nende liikumisoleku muutumise või nende asukoha muutumise ruumis. Olemas erinevat tüüpi interaktsioonid.

Newtoni mehaanikas iseloomustab kehade vastastikust mõju üksteisele kvantitatiivselt jõud. Rohkem üldine omadus interaktsioon on potentsiaalne energia.

Algselt kehtestas füüsika idee, et kehade vahelist interaktsiooni saab läbi viia otse tühja ruumi kaudu, mis interaktsiooni edastamises ei osale. Interaktsiooni ülekandmine toimub koheselt. Seega arvati, et Maa liikumine peaks viivitamatult kaasa tooma Kuule mõjuva gravitatsioonijõu muutumise. See oli nn interaktsiooniteooria, mida nimetatakse kaugtegevuse teooriaks, tähendus. Need ideed aga loobuti pärast elektromagnetvälja avastamist ja uurimist, kuna need ei vasta tõele.

On tõestatud, et elektriliselt laetud kehade vastastikmõju ei ole hetkeline ja ühe laetud osakese liikumine toob kaasa teistele osakestele mõjuvate jõudude muutumise mitte samal hetkel, vaid alles piiratud aja pärast.

Iga elektriliselt laetud osake loob elektromagnetvälja, mis mõjub teistele osakestele, s.t. interaktsioon edastatakse "vahendaja" - elektromagnetvälja kaudu. Elektromagnetvälja levimiskiirus on võrdne valguse levimiskiirusega vaakumis. On tekkinud uus interaktsiooniteooria: lühimaa interaktsiooni teooria.

Selle teooria kohaselt toimub kehadevaheline interaktsioon teatud väljade kaudu (näiteks gravitatsioon gravitatsioonivälja kaudu), mis on ruumis pidevalt jaotunud.

Pärast kvantväljateooria tulekut muutus interaktsioonide idee oluliselt.

Kvantteooria järgi ei ole iga väli pidev, vaid sellel on diskreetne struktuur.

Laine-osakeste duaalsuse tõttu vastab iga väli teatud osakestele. Laetud osakesed kiirgavad ja neelavad pidevalt footoneid, mis moodustavad neid ümbritseva elektromagnetvälja. Elektromagnetiline interaktsioon kvantväljateoorias on osakeste vahetuse tulemus elektromagnetvälja footonite (kvantide) poolt, s.o. footonid on sellise interaktsiooni kandjad. Samamoodi tekivad muud tüüpi vastasmõjud osakeste vahetuse tulemusena vastavate väljade kvantidega.

Hoolimata kehade üksteisele avalduvatest mõjudest (olenevalt neid moodustavate elementaarosakeste vastastikmõjust), on tänapäevaste andmete kohaselt looduses ainult nelja tüüpi põhilisi vastastikmõjusid: gravitatsiooniline, nõrk, elektromagnetiline ja tugev (s. interaktsiooni intensiivsuse suurenemise järjekord). Interaktsioonide intensiivsused määratakse sidestuskonstantide abil (eelkõige on elektromagnetilise interaktsiooni elektrilaeng sidestuskonstant).

Kaasaegne elektromagnetilise interaktsiooni kvantteooria kirjeldab suurepäraselt kõiki teadaolevaid elektromagnetilisi nähtusi.

Sajandi 60. ja 70. aastatel konstrueeriti põhimõtteliselt leptonite ja kvarkide nõrkade ja elektromagnetiliste vastasmõjude (nn elektronõrk interaktsioon) ühtne teooria.

Kaasaegne tugeva interaktsiooni teooria on kvantkromodünaamika.

Elektrinõrku ja tugevat vastastikmõju püütakse kombineerida niinimetatud "suureks ühendamiseks" ning lülitada need ühte gravitatsioonilise interaktsiooni skeemi.

Klassikalise elektrodünaamika aine

Klassikaline elektrodünaamika on teooria, mis selgitab elektromagnetvälja käitumist, mis teostab elektrilaengute vahelist elektromagnetilist interaktsiooni.

Klassikalise makroskoopilise elektrodünaamika seadused on sõnastatud Maxwelli võrrandites, mis võimaldavad määrata elektromagnetvälja karakteristikute väärtused: elektrivälja tugevus. E ja magnetinduktsioon IN vaakumis ja makroskoopilistes kehades, sõltuvalt elektrilaengute ja voolude jaotusest ruumis.

Statsionaarsete elektrilaengute vastastikmõju kirjeldatakse elektrostaatika võrranditega, mille saab saada Maxwelli võrrandite tulemusena.

Kõigist teadaolevatest interaktsioonitüüpidest on elektromagnetiline interaktsioon esikohal oma ilmingute ulatuse ja mitmekesisuse poolest. Selle põhjuseks on asjaolu, et kõik kehad on üles ehitatud elektriliselt laetud (positiivsetest ja negatiivsetest) osakestest, mille elektromagnetiline vastastikmõju on ühelt poolt mitu suurusjärku intensiivsem kui gravitatsiooniline ja nõrk vastastikmõju, teiselt poolt , on erinevalt tugevast koostoimest pikamaa.

Elektromagnetiline vastastikmõju määrab aatomikestade ehituse, aatomite adhesiooni molekulideks (keemilised sidemejõud) ja kondenseerunud aine moodustumise (aatomitevaheline interaktsioon, molekulidevaheline interaktsioon).

1.2. Elektrilaeng ja selle diskreetsus.
Lühimaa teooria

Füüsika areng on näidanud, et aine füüsikalised ja keemilised omadused on suuresti määratud vastastikmõjude poolt, mis on põhjustatud erinevate ainete molekulide ja aatomite elektrilaengute olemasolust ja vastasmõjust.

Ümberjagamise protsess Laenguta kehade või sama keha üksikute osade positiivseid ja negatiivseid laenguid nimetatakse erinevate tegurite mõjul. elektrifitseerimine.

Siit järeldub, et laenguid ei teki ega hävitata, vaid need jaotuvad ümber vastastikku mõjuvate kehade ja sama kehaosade vahel, jäädes kvantitatiivselt muutumatuks.

See on elektrilaengute jäävuse seaduse tähendus, mille saab matemaatiliselt kirjutada järgmiselt:

need. isoleeritud süsteemis jääb elektrilaengute algebraline summa konstantseks väärtuseks.

Eraldatud süsteemi all mõistetakse süsteemi, mille piiride kaudu ei tungi ükski teine aine, välja arvatud valguse footonid ja neutronid, kuna need ei kanna laengut.

Elektrifitseerimisprotsessi käigus muutub laeng diskreetselt (kvanteeritult) elektroni laengu suuruse võrra. Laengu kvantimine on universaalne loodusseadus.

Elektrostaatikas uuritakse nende laengute omadusi ja vastastikmõjusid, mis on statsionaarsed tugiraamistikus, milles nad paiknevad.

Elektrilaengu olemasolu kehades põhjustab nende vastasmõju teiste laetud kehadega. Sel juhul sarnaselt laetud kehad tõrjuvad ja vastupidiselt laetud kehad tõmbavad.

Lühimaa interaktsiooni teooria on üks füüsika interaktsiooni teooriaid. Füüsikas mõistetakse interaktsiooni all kehade või osakeste mis tahes mõju üksteisele, mis viib nende liikumisoleku muutumiseni.

Newtoni mehaanikas iseloomustab kehade vastastikust mõju üksteisele kvantitatiivselt jõud. Interaktsiooni üldisem tunnus on potentsiaalne energia.

Selle teooria kohaselt toimub kehadevaheline interaktsioon teatud väljade kaudu (näiteks gravitatsioon gravitatsioonivälja kaudu), mis on ruumis pidevalt jaotunud.

Pärast kvantväljateooria tulekut muutus interaktsioonide idee oluliselt.

Kvantteooria järgi ei ole iga väli pidev, vaid sellel on diskreetne struktuur.

Kaasaegne elektromagnetilise interaktsiooni kvantteooria kirjeldab suurepäraselt kõiki teadaolevaid elektromagnetilisi nähtusi.

Sajandi 60. ja 70. aastatel konstrueeriti põhimõtteliselt leptonite ja kvarkide nõrkade ja elektromagnetiliste vastasmõjude (nn elektronõrk interaktsioon) ühtne teooria.

Kaasaegne tugeva interaktsiooni teooria on kvantkromodünaamika.

Elektrinõrku ja tugevat vastastikmõju püütakse kombineerida niinimetatud "suureks ühendamiseks" ning lülitada need ühte gravitatsioonilise interaktsiooni skeemi.

ELEKTER

JA ELEKTROMAGNETISM

Füüsika loengute kursus

inseneritudengite jaoks

erialad

ELEKTROSTAATIKA

Loeng 1. Elektriväli vaakumis

Loengu konspekt

1.1. Klassikalise elektrodünaamika aine.

1.2. Elektrostaatika. Coulombi seadus. Pinge.

1.3. Gaussi teoreem elektrostaatilise välja kohta ja selle rakendamine elektrostaatiliste väljade arvutamisel.

Klassikalise elektrodünaamika aine

Juba iidsetel aegadel teati hõõrdumise teel elektrifitseerimise katseid (termin ise ilmus hiljem) ja kehade elektrifitseerimisjärgse jõudude vastastikmõju (tõmbe- ja tõukejõu) iseärasusi. Leiti, et on olemas ainult kahte tüüpi elektrilaenguid, mida tinglikult nimetatakse positiivseteks ja negatiivseteks, ning et sama märgiga laengud tõrjuvad ja vastupidiste märkide laengud tõmbavad ligi. Sellele (enamasti kvalitatiivsele) teabele hakati XVIII sajandi lõpust lisama kindlaksmääratud kvantitatiivseid seoseid ja mustreid, mis määravad elektrinähtusi.

Leiti, et elektrilaeng diskreetne, see tähendab, et mis tahes keha laeng on täisarv elementaarne elektrilaeng « e» ( e= 1,6·10 19 C). Elementaarosakesed: elektron Ja prooton on vastavalt elementaarsete negatiivsete ja positiivsete laengute kandjad. Katseandmete üldistamine võimaldas sõnastada laengu jäävuse seadus: mis tahes suletud süsteemi laengute algebraline summa (laenguid ei vahetata välised kehad) jääb muutumatuks. Selgus, et elektrilaengud muutumatu teisendusi koordineerida, s.t. ei sõltu võrdlussüsteemist. Elektrilaengu SI ühik on 1 Coulomb (vooluna määratud tuletatud ühik) on laeng, mis läbib juhi ristlõike ühe sekundi jooksul voolutugevusel 1A.

1.2. Elektrostaatika. Coulombi seadus.
Pinge

1785. aastal kehtestas prantsuse teadlane C. Coulomb statsionaarsete punktlaengute (mille mõõtmed on võrreldes teiste laengute kaugustega väikesed) vastastikmõju seaduse: vastastikuse jõu. F kahe punktlaengu vahel K 1 ja K 2 on võrdeline laengute suurusega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga.

, (1.1)

Siin – elektriline konstant; – keskkonna dielektriline konstant– mõõtmeteta suurus, mis näitab, mitu korda antud keskkond nõrgestab vaakumis olevate laengute vastastikmõju (näiteks: parafiini dielektriline konstant on 2; vilgukivi - 6; etüülalkohol - 25; destilleeritud vesi - 81; õhk - 1,0003 ≈ 1,0). Coulombi jõud on suunatud mööda laenguid ühendavat sirgjoont, see tähendab, et see on keskne ja vastab külgetõmbele erineva laengu korral ja tõrjumisele sarnaste laengute puhul.

Vektorkujul on Coulombi seadus järgmine:

(1.1a)

Kui elektrilaengut ümbritsevasse ruumi sisestatakse teine laeng, siis sellele mõjub Coulombi jõud ehk laengu ümber olevas ruumis on jõuväli. IN sel juhul rääkima elektriväli, mille kaudu elektrilaengud interakteeruvad.

Vaatleme elektrivälju, mis tekivad statsionaarsetest laengutest ja mida nimetatakse elektrostaatiline. Kui ühel hetkel A laenguga loodud väli K, esitage tasusid vaheldumisi K 1 ; K 2 ;… K n ja määrake Coulombi jõu väärtused: , siis vastavalt (1.1) ja seda kinnitab katse, suhe . Seda suurust aktsepteeritakse elektrostaatilisele väljale iseloomuliku jõuna ja seda nimetatakse pinget

(1.2) järeldub, et millal K= 1, st elektrostaatilise välja tugevus antud punktis määratakse sellesse välja punkti asetatud ühikulisele positiivsele laengule mõjuva jõuga. Vastavalt punktidele (1.1) ja (1.2) saab punktlaengu väljatugevuse leida valemi abil

(1.3)

Vektori suund langeb kokku positiivsele laengule mõjuva jõu suunaga. Pinge mõõde SI-s on .

Vektorkujul:

Graafiliselt on elektrostaatiline väli kujutatud kasutades pingutusjooned– sirged, mille puutujad igas punktis langevad kokku vektori suunaga selles punktis. Kuna vektoril on mis tahes ruumipunktis ainult üks suund, ei ristu pingejooned kunagi. Et pingejoonte abil oleks võimalik iseloomustada mitte ainult elektrostaatilise välja tugevuse suunda, vaid ka suurust, joonistatakse need teatud tihedusega: tõmbejoonte arvuga. dN läbistades ühiku pindala dS, mis on tõmbejoontega risti, peab olema võrdne vektori arvväärtusega. Kui määrame kogusele mõõtme

E, See (1.4)

Näiteks ( Joonis 1.1) esitati graafiline pilt(kasutades jooni) elektrostaatilised väljad: positiivne punktlaeng (" A"); negatiivne punktlaeng (" b"); kahepunktiline tasu (" V") ja kahe paralleelse tasandi väljad, mis on ühtlaselt laetud vastandlaengutega (" G").

Joonis 1.1

Elektrostaatilist välja iseloomustab ka skalaarsuurus nn pingevektori vool läbi kõnealuste pindade F E. Elementaarne vektorvoog läbi platvormi dS võetakse kasutusele skalaarkorrutisena, kasutades valemit

(cm.. Joon.1.2), siin dS on elementaarkoha pindala, on saidi ühiknormaalvektor; – vektorite vaheline nurk ja ; – vektori E projektsioon suunale; – tingimuslik vektor, mille moodul on võrdne pindalaga dS ja suund langeb kokku tähega " ".

Voolu F E läbi otsapinna S defineeritud kui

(1.6)

Avaldistest (1.5, 1.6) järeldub, et märk F E sõltub cos märgist, mis omakorda sõltub vektorite suhtelisest asukohast ja.

Suuna annab elektrilaengute asukoht ja suletud pinna suund S– suletud pinnaga kaetud alalt väljumise normaalsuuna suund S. Seega elektrostaatilise väljatugevuse vektori vool läbi vaadeldava pinna S on võrdeline seda pinda läbivate vektorjoonte arvuga.

Joon.1.2

Vaatleme statsionaarsete punktlaengute süsteemi tekitatud elektrostaatilist välja K 1 ; K 2 ;… K n , millest mingil hetkel on laeng K. Katse näitab, et Coulombi jõudude puhul on mehaanikas kehtiv jõudude toime sõltumatuse põhimõte laengule väljast mõjuv resultantjõud. K, on võrdne iga laengu poolt sellele rakendatavate jõudude vektorsummaga K mina:

Vastavalt (1.2) , kus on saadud välja tugevus; - laengu väljatugevus Qi. Asendades need avaldised väärtusega (1.7), saame seose

väljendades superpositsiooni põhimõte(ülekatted) elektrostaatilised väljad: statsionaarsete punktlaengute süsteemi väljatugevus teatud punktis on võrdne selles punktis iga laengu poolt eraldi tekitatud väljatugevuste vektorsummaga. Superpositsiooni põhimõte võimaldab arvutada mis tahes statsionaarsete laengute süsteemi elektrostaatilisi välju, kuna kui laengud ei ole punktlaengud, siis saab need alati taandada punktlaengute kogumiks.