Электроника Физика Электротехника Полупроводниковые материалы Теория конструктивных материалов Курс черчения Контольная работа

Конспект курса лекций по физике. Классическая физика

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..

Простота основных принципов, теории линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами обусловила большую разработанность теории линейных колебаний, общность формулировок ее законов и их физическую наглядность. Свойство линейности дифференциальных операторов, интерпретируемое как принцип суперпозиции колебаний, позволили сводить исследование влияния произвольных приложенных сил на линейную колебательную систему к исследованию влияния сил простейшего типа, гармонически зависящих от времени. Тем самым выработался "спектральный" подход к колебательным процессам, получившим громадное значение и вне теории колебаний в собственном смысле.

На главную сайта: Курс физики