Lek1 (Лекции)

1. Начальные сведения об электромагнитном поле1.1. Общие положения электронной теорииМногие явления, с которыми сталкивается человек в повседневной жизни, имеютэлектромагнитную природу, т.е. основаны на существовании электромагнитноговзаимодействия. Электромагнитное взаимодействие - одно из четырех фундаментальныхфизических взаимодействий1, лежащих в основе всех известных сил и явлений в природе.Изучая в течение ряда столетий различные вещества, физики добрались до элементарныхчастиц, являющихся исходным строительным материалом любого вещества, иустановили, что благодаря электромагнитному взаимодействию этих частиц вещество наатомном и молекулярном уровне существует как целое. Элементарные заряженныечастицы электроны и протоны входят в состав атомов и молекул вещества, но могутнаходится и в свободном состоянии.

Электромагнитные взаимодействия элементарныхчастиц изучаются на основе квантовой механики, физика элементарных частиц объясняетсуществование и свойства атомов молекул и твердых тел. Но элементарные частицы и ихвзаимодействия определяют явления не только микромира, но и макромира, в которомсуществуем мы сами2. Для понимания электрических и магнитных явлений, которыеиспользует электротехника, необходимо вспомнить некоторые разделы классическойфизики. Однако при описании электромагнитных явлений понадобятся новые понятия,которые не рассматриваются механикой и принципиально не могут быть определенытолько через массу, длину и время.

Применяемая система единиц МКСА является частьюсистемы СИ (система интернациональная) и использует для измерения электромагнитныхвеличин четыре основные единицы: метр - единица длины (м), килограмм - единицамассы (кг), секунда - единица времени (с) и ампер - единица электрического тока (А).Единицей электрического заряда (количества электричества) является кулон (Кл). Дляхарактеристики электромагнитных явлений пользуются скалярными и векторнымивеличинами.скалярная величина характеризуется только численным значением.

Для неене определено направление. Скалярными величинами являются температура,количество вещества, масса, поток, энергия, мощность, заряд и т.д.векторная величина характеризуется как численным значением, так инаправлением. Как правило, она изображается направленным отрезком1Четыре основных типа взаимодействия, лежащих в основе всех известных сил и взаимодействий в природе:гравитационное (взаимодействие масс), слабое (взаимодействие элементарных частиц), электромагнитное(взаимодействие электрический зарядов), ядерное или сильное (взаимодействие протонов, нейтронов ,мезонов).2Примером проявления электромагнитного взаимодействия являются так называемые контактные силы сила трения и сила реакции.

Если прижать брусок к столу или стенке, то атомы на поверхности бруска будутсближаться с атомами поверхности стола или стенки, электронные оболочки двух атомов начнутперекрываться и между атомами возникает сила отталкивания. Результирующая сила отталкивания (реакцияопоры) будет направлена противоположно приложенной силе и равна ей по величине.(вектором), длина которого в определенном масштабе выражает числовоезначение, направление показывает стрелка. К векторным величинам относятсясила, скорость, напряженность электрического поля, магнитная индукция ит.д. Векторные величины будем обозначать F , E , H и т. д.Несмотря на разнообразие окружающего мира, все сложные вещества состоят изпростых элементов.

Сегодня известно 118 химических элементов (94 обнаружено вприроде, остальные 24 получены искусственно). Каждый элемент состоит измельчайших частиц - атомов. Атомы различных элементов отличаются друг от друга иобладают определенными, присущими только им свойствами. Сочетание однотипныхатомов образует простое вещество, сочетание разнотипных атомов образует сложноевещество. Группа химически соединившихся атомов называется молекулой. Согласносовременной теории строения вещества каждый атом состоит из ядра и электронов.Ядро состоит из протонов и нейтрально заряженных частиц нейтронов.Элементарные частицы электрон и протон обладают массой3 и электрическим зарядом,численно заряд электрона равен заряду протона ( 1,6 1019 Кл), но заряд электронапринят отрицательным, а заряд протона - положительным. Атомы различныххимических элементов отличаются друг от друга своим весом, величинойположительного заряда ядра и числом электронов, расположенных на определенныхорбитах.

Кроме протона, нейтрона и электрона в состав атома входят и другиечастицы (положительные и отрицательные мезоны, позитроны, нейтрино и т.д.).Современная физика продолжает изучение элементарных частиц, их свойств ивзаимодействий.Атом не проявляет никаких электрических свойств, если он нейтрален, т.е.количество протонов и электронов в нем одинаково. Если количество электронов меньшеколичества протонов (например, в результате электризации тела трением), иликоличество электронов больше количества протонов, то нейтральный атом становитсязаряженным и называется ионом.Известно, что источником гравитационной силы является масса.

Мы постоянноиспытываем проявление гравитационной силы как силы тяжести вблизи поверхностиЗемли. Если вычислить силу гравитационного притяжения между электроном и протоном,находящимся на расстоянии, равном радиусу атома водорода, то получим Fграв  3,611047Н (Ньютон). Но между электроном и протоном существует еще одна сила притяжения,которая в 2,27×1039 раз больше гравитационной силы - электрическая (илиэлектростатическая) сила как проявление электромагнитного взаимодействия зарядов этихчастиц. Эта сила является определяющей при взаимодействии элементарных частиц.Почему же в таком случае гравитационное взаимодействие больших тел значительнобольше их электрического взаимодействия и для использования электрических и3Масса электронаme  9,11031 кг, масса протона mp  1,67 1027 кг.

Масса электрона в 1838 разменьше массы атома самого легкого газа - водорода.магнитных явлений необходимы определенные условия и устройства? Во-первых,гравитационная и электрическая сила действуют независимо друг от друга, междузарядом тела и его массой не существует определенного соотношения. Но масса всегдаположительна и масса большого объекта определяется массой всех составляющих егочастиц, сила взаимодействия любых масс - сила гравитационного притяжения. В отличииот массы заряд может быть как положительным, так и отрицательным. Два зарядапротивоположных знаков притягиваются, а два заряда, имеющих одинаковые знакиотталкиваются.

Электростатическое отталкивание двух электронов или двух протоновравно электростатическому притяжению электрона и протона, расположенных на такомже расстоянии друг от друга. В больших объемах количество электронов и протоновпримерно одинаково, поэтому силы электростатического притяжения и отталкиваниявзаимно компенсируются и остается только гравитационная сила. Однако приопределенных условиях электрические силы как проявление электромагнитноговзаимодействия могут быть очень и очень значительными. При движении зарядоввозникают магнитные силы, имеющие ту же электромагнитную природу.

Электрические имагнитные явления неразрывно связаны между собой, деление на отдельныесоставляющие проявлений электромагнитного взаимодействия условно, т.е. определяетсяусловиями, в которых наблюдаются эти явления. элементарный электрический заряд ( e или р) - свойство электрона ипротона, характеризующее их взаимосвязь с собственным электрическимполем и взаимодействие с внешним электрическим полем, определяемое дляэлектрона и протона равными числовыми значениями ( 1,6 1019 Кл) спротивоположными знаками. Условно отрицательный знак приписываютзаряду электрона, а положительный - заряду протона носитель (электрического) заряда - частица, содержащая неодинаковоечисло элементарных электрических зарядов разного знака (электрический) заряд тела (q или Q) - скалярная величина, равнаяалгебраической сумме числовых значений элементарных электрическихзарядов в теле1.2. Электромагнитное поле.

Электрические явления. Основные характеристикиэлектрического поля.Основным понятием при изучении электромагнитного взаимодействия являетсяпонятие электромагнитного поля. Всякая электрически заряженная частица окруженаэлектромагнитным полем, составляющим с ним одно целое. Электромагнитное полеможет существовать и в свободном состоянии, отдаленном от заряженных частиц, в видеэлектромагнитных волн.электромагнитное поле - вид материи, определяемый во всех точках двумявекторными величинами, которые характеризуют две его стороны,называемые соответственно "электрическое поле" и "магнитное поле",оказывающий силовое воздействие на электрически заряженные частицы,зависящее от их скорости и электрического зарядаОтличительным свойством электромагнитного поля является его силовое воздействиена заряженные частиц. Электрическое поле характеризуется воздействием наэлектрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и независящей от ее скорости.

Магнитное поле характеризуется воздействием наэлектрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и еескорости. Таким образом, на неподвижную частицу действуют электрическое силы, а надвижущуюся - и электрические и магнитные силы. Наиболее простой для описания иколичественной оценки взаимодействия заряженных частиц является задачаэлектростатики, любое изменение во времени (движение частицы с постоянной илипеременной скоростью, излучение электромагнитных волн и т.д.) существенно усложняетрешение задачи электродинамики.

Аналогично задачам механики различают источниксилового действия (и соответственно поля) и пробник, на который рассматриваютдействие силы. Только в механике источникоми пробником гравитационноговзаимодействия и гравитационного поля является масса, а в задачах электростатики иэлектродинамики - электрически заряженная частица или тело. В механике источник ипробник могут быть точечными (в условиях данной задачи не имеющий размера) ипротяженными (имеющими размеры и ненулевой объем). Для протяженных телопределяется плотность массы, в случае равномерного распределения плотность  mV[кг/м3], где m - масса тела [кг], V - объем тела [м3]. Источником электростатических сил и,соответственно, "пробником" в задачах электростатики также может быть точечный зарядq [Кл] и распределенный заряд.