Основы специальной теории относительности (СТО) Основы классической динамики Момент инерции стержня Основы термодинамики Свойства электрических зарядов Поток вектора напряженности

Курс лекций по физике

Основы теории Максвелла для электромагнитного поля. Ток смещения. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля в интегральной и дифференциальной формах. Относительный характер электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля. Гармонические колебания (механические и электромагнитные) и их характеристики. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний. Математический, физический маятники.

Электростатика

Свойства электрических зарядов. Закон Кулона.

 Мы приступаем к более подробному рассмотрению очередного фундаментального физического взаимодействия – электромагнитного. Существование электромагнитных сил известно человечеству несколько тысячелетий. Ещё древние греки ввели термин «электрон» («янтарь», «способный притягивать к себе»). «Магнит», «магнетизм» – эти термины получили своё название от минерала Fe3O4, обладающий «природным» магнетизмом. Он же, в свою очередь, получил название от древнего города Магнезия в Малой Азии, где он был найден и описан.

 Один из главных носителей электрического заряда – электрон – был надежно установлен Джозефом Джоном Томсоном («Джи – Джи»), известнейшим английским физиком конца 19 – начала 20-го веков. По модели Томсона, электроны входят в состав атомов, каждый из которых представляет капельку жидкости, в которой «плавают» отрицательные частицы-электроны. Колебательное движение электронов порождает свет, электромагнитное излучение. Свойства электрона, конкретно удельный заряд, т.е. отношение заряда к массе он измерил в опытах с катодными лучами в 1897 году. Томсон показал, что масса электрона в 1837 раз меньше массы атома водорода. В 1906 году Томсон был награжден Нобелевской премией.

 Величина элементарного заряда измерена в 1909 году Милликеном. Схема опыта представлена на рис. 15.1.

Рис.15.1. Принципиальная схема опытов Милликена

 Основной частью прибора является тщательно изготовленный плоский конденсатор, пластины которого присоединяются к источнику напряжения в несколько тысяч вольт. Напряжение между пластинами можно изменять и точно измерять. Мелкие капельки масла, получаемые с помощью специального пульверизатора, попадают через отверстие в верхней пластине в пространство между пластинами. Движение отдельной капельки масла наблюдают в микроскоп. Конденсатор заключен в защитный кожух, поддерживаемый при неизменной температуре, предохраняющей капельки от конвекционных токов воздуха.

Капельки масла при распылении заряжаются, и поэтому на каждую капельку действуют три силы: сила тяжести, сила Архимеда и сила, вызванная электрическим полем. Подбирая должным образом знак и величину заряда на пластинах конденсатора, можно добиться движения капельки вниз, вверх или заставить её покоиться. Самым удобным оказалось не уравновешивать капельку и испытывать трудности с измерением диаметра капелек (для определения её массы и величины силы Архимеда), а измерять скорости капелек в поле известной напряженности.

В опытах Милликена сначала определяли заряд капельки qo, полученный ею при распылении. Затем в пространстве между обкладками создавались ионы, для чего воздух в конденсаторе подвергался действию рентгеновских лучей, ультрафиолетовых лучей или излучения радиоактивных препаратов. Ионы оседали на капельку, ее заряд изменялся и принимал новые значения q1, q2, и т. д., а скорость движения скачкообразно изменялась. Сравнивая затем между собой найденные величины зарядов, а также их изменения (q1 - qo), (q2 – q1),…, можно было определить общий наибольший делитель этих количеств, который, очевидно, и является элементарным зарядом (подробнее см. С.Г.Калашников, «Электричество»-М., «Наука», 1970, с.350-352).

Наряду с рассмотренным, существуют и другие методы определения элементарного заряда. На основании сопоставления всех экспериментальных данных в настоящее время считают, что точное значение элементарного заряда равно е =1,602.10-19 кулонов.

  Из ранее известного отношения q/m нашли массу электрона, она оказалась равной me = 9,1×10-31 кг.

 В конце двадцатых годов ХХ века Эрнст Резерфорд ввел понятие «протон» (от греческого «протос» – первый, в смысле «первичный») – стабильная элементарная частица с положительным зарядом qp = +1,6×10-19Кл и массой mp = 1,672×10-27 кг, то-есть

mp»1836me.

  В значительной мере стараниями этих физиков, а также Нильса Бора и их многочисленных учеников установлена принятая сейчас картина мира: все материальные тела в природе состоят из атомов. Каждый атом состоит из ядра и электронов, причем число электронов в нейтральном атоме точно равно количеству протонов в ядре. Таким образом, всё окружающее состоит из невообразимо большого числа электрически заряженных частиц. Грубая численная оценка дает, что в человеческом теле массой 100 кг содержится около 3×1028 протонов (считаем, что масса состоит из равного числа протонов и нейтронов, пренебрегая «участием» в массе электронов). Значит таково же и количество электронов. Общий положительный (и отрицательный) заряд достигает »5×109 Кл.

 Опытным путем установлены следующие свойства электрического заряда:

Существуют положительные и отрицательные заряды, т.е. электрический заряд не является знакоопредленной величиной.

Электрический заряд - величина инвариантная. Он не изменяется при движении носителя заряда.

Электрический заряд аддитивен: заряд любой системы всегда равен сумме зарядов частиц, составляющих систему.

Все электрические заряды кратны элементарному е. Это свойство иначе называется квантованностью электрического заряда. Любой макроскопический заряд может быть представлен в виде Q = ±N×e, причем N – обязательно целое число. Попытки отыскания в свободном состоянии зарядов, меньших е к успеху пока не привели. Однако в науке «Квантовая хромодинамика» анализируется строение элементарных частиц и считается, что в состав частиц входят частицы «кварки» с дробными зарядами –1/3е, –2/3е, +1/3е, +2/3е. Попытка «оторвать» связанные глюонными силами кварки друг от друга приводит к лавинообразному рождению обычных заряженных и электронейтральных частиц…

Выполняется закон сохранения электрического заряда – «суммарный электрический заряд изолированной физической системы сохраняется». Электрические заряды появляются и исчезают попарно.

6. Электрические заряды взаимодействуют друг с другом в соответствии с законом Кулона.

Величина силы взаимодействия двух зарядов в вакууме равна

 (15.1)

а в диэлектрической среде она равна:

 (15.2)

где  константа, называемая “диэлектри-ческая постоянная”. Величина «e» называется диэлектрической проницаемостью среды, для всех веществ в природе она больше 1.

 Электростатические силы, в отличие от гравитационного притяжения, симметричны: возможны как силы отталкивания между одноименными зарядами, так и силы притяжения между разноименными.

  Таким образом, электрическому заряду может быть предпослано такое определение:

  Электрический заряд является физической величиной, определяющей интенсивность электромагнитных взаимодействий.

Отметим еще, что все перечисленные свойства 1-6 являются фундаментальными законами и не выводятся из других физических законов..

Второе начало термодинамики Второе начало термодинамики, как и первое, может быть сформулировано несколькими способами. В наиболее очевидной формулировке второе начало гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.

Энтропия Для описания предсказуемого хода термодинамических процессов, особенно связанных с преобразованием теплоты в работу, Клаузиус предложил специальную термодинамическую функцию состояния – энтропию S (от греческого слова «преобразовывать»). Сама величина энтропии большой роли не играет, важно знать её изменение в том или ином процессе.

Для вычисления энтропии системы в данном состоянии относительно какого-нибудь состояния, принятого за нулевое, нужно вычислить значение  при каком-нибудь обратимом процессе, приводящем систему из данного состояния в нулевое. Энтропия замкнутой системы остается постоянной, если система претерпевает обратимое изменение состояния.

Электрическое поле и его характеристики Взаимодействие между покоящимися зарядами осуществляется через электрическое поле. Всякий электрический заряд изменяет свойства окружающего его пространства – создает в нем электрическое поле, как особый вид материи, опосредствующий взаимодействие электрических зарядов.

Работа электрического поля по перемещению электрического заряда. Самоочевидная связь электрического потенциала поля с потенциальной энергией этого поля требует рассмотрения связанной с ними величины работы электрического поля по перемещению электрического заряда.

Электрический колебательный контур. Энергия гармонических колебаний. Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты. Биения. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Дифференциальное уравнение затухающих колебаний (механических и электромагнитных) и его решение. Апериодический процесс. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний, (механических и электромагнитных) и его решение. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний. Случай резонанса.
создание методов решения задач по физике