Введение. Физика – наука о строении, свойствах и взаимодействии окружающих нас тел и полей

Физика – наука о строении, свойствах и взаимодействии окружающих нас тел и полей. Главной целью этой науки является выявление и объяснение законов природы, объясняющих наблюдаемые явления, в том числе, электрические.

В предлагаемое пособие вошли материалы по электромагнетизму, помогающие сформировать у студентов начальных курсов базу знаний для успешного освоения специальных дисциплин, связанных с данным направлением. К ним в большей или меньшей степени относятся все технические дисциплины.

Несмотря на небольшой объём, пособие содержит изложение основных вопросов электромагнетизма, которое ведётся с опорой на использование иллюстраций, позволящих наглядней усваивать представленный материал. Основные опыты, экспериментально подтверждающие основы теории электромагнетизма, представлены достаточно подробно. Их описание сопровождается кратким представлениием соответствующих формул и демонстрацией экспериментальных установок.

Основными задачами данного пособия по электромагнетизму являются:

- создание основ теоретической подготовки студентов Горного университета в области электрофизики, которые позволят будущим инженерам ориентироваться в потоке научной и технической информации и обеспечат возможности использования изученных физических принципов в тех областях техники, в которых студенты специализируются;

- формирование научного мышления, в частности, правильного понимания границ применимости изучаемых физических понятий, законов и теорий электричества и магнетизма, умения оценивать степень достоверности результатов, полученных с помощью экспериментальных методов исследования, например, при выполнении работ в лаборатории электромагнетизма;

- усвоение основных физических явлений и законов классической и современной физики для рассматриваемого раздела;

- выработка приёмов и навыков решения конкретных задач предлагаемого пособия, помогающих в дальнейшем решать инженерные задачи;

- ознакомление студентов с научной аппаратурой, выработка у них начальных навыков экспериментальных исследований явлений электромагнетизма и повышение научной составляющей в учебном процессе, на базе которых реализуются инновации в повседневной жизни,

- формирование навыков постановки, решения научных проблем и применения полученных результатов в технике.

В связи с ограниченным объемом пособия, его в первую очередь следует рассматривать как дополнительный материал, позволяющий более эффективно усваивать содержание лекционных и практических занятий. Данное пособие, носящее в значительной степени справочный характер, не может полноцпенно заменить аудиторные занятия и учебники большого объема. Вместе с тем, студенты, имеющие хороший базовый уровень подготовки, могут использовать пособие и для самостоятельного обучения.

При подготовке данного пособия широко использовалась информация из открытого доступа сети «Интернет», в частности, некоторые разработки из «Методических указаний к практическим занятиям и индивидуальным домашним задачам по физике. Часть 2. Электростатика и постоянный ток. - Вологда: ВоГТУ, 2006. - 57 с.», данные с Интернет сайта: www.physics.ru ©Физикон. 1999‑2012 и др.

Таким образом, целью настоящего пособия является оказание помощи студентам всех форм обучения в изучении раздела «Электромагнетизм» курса физики, систематизация знаний и развитие у студентов творческого подхода к применению полученной информации.

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

1. Электростатика

1.1. Электрический заряд

Электростатика – раздел электродинамики, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов и свойства постоянного электрического поля.

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия. Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q и измеряется в Кулонах (Кл).

Элементарный положительный заряд несут протон (масса протона ) и позитрон; элементарный отрицательный заряд – электрон (масса электрона ). Элементарный (минимальный) заряд равен:

Кл.

Опытным путем были установлены следующие фундаментальные свойства электрического заряда:

1. Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

2. Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.

3. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

4. Электрический заряд инвариантен – его величина не зависит от системы, т. е. от того, движется он или покоится

5. Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда.

В электрически изолированной системе алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, остается неизменной при любых процессах, происходящих в этой системе:

.

Система тел или частиц называется электрически изолированной, если между ней и внешними телами нет обмена электрически заряженными частицами.

Таким образом, закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.

6. С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e.

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.

7. Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина:

, где .

Сейчас известно, что многие элементарные частицы (адроны) состоят из так называемых кварков, имеющих дробные заряды, (± e /3 и ±2 e /3). Но кварки не существуют в свободном виде, а только тройками (барионы, например протон и нейтрон), либо парами кварк-антикварк (мезоны, например π-мезон), так что заряд наблюдаемой частицы всегда получается целый. Лептоны (например, электрон) кварков не содержат; их заряд является целым без всяких усложнений.