Мир очима Альберта Ейнштейна: електричний заряд і електромагнітні взаємодії

Мир очима Альберта Ейнштейна: електричний заряд і електромагнітні взаимодействия

Электростатические взаємодії.

Как та інші фундаментальні поняття фізики, поняття заряду може бути суворо визначено. Фактично зарядженими ми називаємо тіла, здатні брати участь у електромагнітних взаємодію. У випадку ці взаємодії досить складні, і залежать тільки від взаємного розташування тіл та його властивостей, а й від швидкостей руху. У найпростішому разі, коли обидва заряджених тіла почивають, взаємодія з-поміж них називаються электростатическими. Що стосується точкових заряджених тіл (тобто. тіл, розміри яких малі проти відстанню між ними) електростатичні взаємодії описуються законом Кулона:

Сила, діюча між двома точковими спочиваючими зарядами зворотно пропорційна квадрату відстані з-поміж них і спрямованими вздовж прямий, що з'єднують ці частицы:

(1) .

Т.о. зарядженими можна назвати тіла, які, перебувають у спокої, взаємодіють із силою (1). Така залежність від відстані відрізняє електростатичні взаємодії від ядерних, убуваючих з відстанню значно быстрее.

Гравитационные сили, як і електростатичні, убувають назад пропорційно квадрату відстані. Є такі принципові розбіжності між тими силами:

1. Електростатичні сили значно переважають гравітаційні (наприклад, електростатичне тяжіння електрона до ядру атома перевершує гравітаційні в раз.

2. Електростатичні сили може бути як силами тяжіння, і відштовхування, в нас саме гравітаційні - лише притяжения.

3. Величина гравітаційних сил пропорційна масам взаємодіючих тіл, що призводить до специфічного для гравітації явища невагомості. Такої залежність від маси електростатичних силах не наблюдается.

Электрический заряд.

Как згадувалося, електростатичні взаємодії можуть спричинить появі сил притягування й відштовхування. Досвід свідчить, що це заряджені частки може бути розбитий на дві групи те щоб будь-яка пара з однієї групи відштовхувалась, та якщо з різних — притягувалась. Частинки, що входять до одну групу з електроном умовно було названо негативними, до іншої - позитивними. Для кількісної характеристики здібності частинок брати участь у електростатичних взаємодію була запровадження скалярная величина електричний заряд в такий спосіб, щоб що виникає сила опинялася пропорційної твору взаємодіючих зарядов:

.

(коэффициент пропорційності в (2) залежить від вибору системи одиниць). Запровадження знаків «+» і «-» для відмінності двох типів зарядів виявилося дуже зручним, т.к. дозволило описати тяжіння і відштовхування з допомогою однією математичною формули (2).

Весьма примітним є факт, що електричні заряди всіх щодо стабільних заряджених елементарних частинок рівні одна одній по модулю. Це дозволило запровадити поняття елементарного заряду (е). До нашого часу не виявлено здатних існувати осторонь елементарних часток отримують за зарядом, не кратним елементарного (є підстави вважати, які самі елементарні частки «складено» з «субчастиц» — кварків, заряди кратні e/3, проте досі вільні кварки в експериментах не виявлено). Величина заряду будь-якого макроскопічного тіла визначається різницею складових його позитивних і негативних частинок і звісно, кратна елементарного заряду. Кажуть, що електричний заряд дискретен.

Существование елементарного заряду робить привабливим вибір такої системи одиниць, в якій він дорівнював б одиниці. Проте, історичними причин і з міркувань зручності ведення технічних розрахунків у ролі одиниці заряду було обрано інша, значно більша величина (одиниця заряду у системі Сі перевершує елементарний в разів у системі Гаусса заряд вибирається так, щоб коефіцієнт у законі Кулона (2) дорівнював 1).

Другим властивістю електричного заряду є цілком точно що здійснюється закон його збереження: в замкнутої системі алгебраїчна сума зарядів не змінюється у часу. Цей Закон нетривіальний, оскільки закону збереження носіїв зарядів (елементарних частинок) немає: можуть перетворюватися один одного. Проте, при взаимопревращениях частинок сумарний заряд постійний. Реакція типа.

.

невозможна. Відсутність експериментальних даних про існування деяких що допускаються законом збереження електричного заряду реакцій перетворення елементарних частинок робить привабливим запровадження нових типів зарядів (лептонный, дивовижа, зачарування тощо.), і лобіювання відповідних їм законів сохранения.

Концепция поля.

Заряджені частки взаємодіють друг з іншому за порожньому просторі. Постає питання про механізм виникнення цих сил. Досить природною видається польова концепція, за якою кожен заряд створює навколо себе у просторі «щось», зване електричним полем, а діюча в інший заряд сила виникає внаслідок його з полем у тому точці простору, де зараз його перебуває. Т.а. полі виступає у ролі переносника взаємодії між зарядженими частинками.

В користь об'єктивного існування поля свідчать такі факты:

1. Кінцівку швидкості поширення зміни поля, викликаного зміною його источника.

2. Наявність енергії в «порожньому» просторі, заповненим полем, що у принципі то, можливо зареєстровано як з допомогою електростатичних взаимодействий.

3. Можливість існування поля після зникнення його источника.

Введенная для електромагнітних взаємодій, польова концепція була дуже зручною. Вона дозволяє розбивати завдання про взаємодії тіл на дві: розрахунок поля була в точці розташування частинки й розрахунок сили, виникає у її взаємодії з цим полем. Нині поняття поля використовується для описи всіх типів фундаментальних взаємодій.

Электростатическое полі, і його властивості. Електростатичне полі створюється зарядженими частинками. У разі кількох частки виконується принцип суперпозиции: повне полі одно сумі полів, створюваних кожним із джерел. Кількісної характеристикою електростатичного поля є вектор напруженості Є, рівний з визначення силі, діючої із боку поля на одиничний заряд, поміщений у аналізовану точку пространства.

(4) .

Графически полі зручно передавати у вигляді силових ліній, кривих, у кожному точці яких вектор Є спрямований дотично. Розмір напруженості визначається густотою ліній. Лінії вектора Є починаються на позитивних зарядах чи нескінченності, закінчуються — на негативних чи нескінченності. Замкнутих ліній електростатичного поля немає (рис. 9₁).

Потенциал електростатичного поля. Поля з переліченими властивостями типу називаються потенційними, бо поміщених у них тіл то, можливо уведено поняття потенційної енергії як роботи сил поля по переміщенню заряду в точку, прийняту за нульову. У цьому потенційна енергія виявляється пропорційної величині заряду вміщеного на полі тіла. Це дозволяє запровадити характеризує лише полі поняття потенціалу як енергії одиничного заряду в аналізованої точке:

(4) ,.

где символ «(,)» використаний позначення операції скалярного твори векторів, обумовленою равенством:

(5) ;

в найпростішому геометричному поданні вектором як стрілок скалярне твір числено одно твору довжин векторів на косинус кута між ними.

Потенциал у системі одиниць Сі вимірюється в вольтах. Людина здатна відчувати різницю потенціалів близько 1 В. Напруга (різницю потенціалів), перевершували 30 В, вважається небезпечним жизни.

Движение частинок в електростатичних полях. Електричні сили (F=QE), спрямовані вздовж поля (у разі позитивно заряджених частинок) та «проти (у разі негативних), спроможні змінювати швидкість зарядів як у величині, і по напрямку. Це зумовлює широке використання електростатичних полів для розгону та управління рухом заряджених частинок. Так було в електронно-променевих трубках телевізорів і осцилографів електрони створюються та розганяють в зарядженому до різниці потенціалів ок.30кВ конденсаторі - електронної гарматі і посилаються у потрібний точку флюоресцирующего за її ударах ударах екрана при допомоги змінюваних у часі полів в конденсаторах, їхнім виокремленням отклоняющую систему (рис. 9₂).

Магнитные взаємодії. Досвід свідчить, що сили, виникаючі між зарядами за її русі, від електростатичних. Для описи виникаючих відмінностей запроваджено новим типом взаємодій — магнітні та його переносник — магнітне полі. Для кількісного магнітних полів запроваджено вектор магнітної індукції У те щоб діюча на що просувалася зі швидкістю v заряд Q сила обчислювалася по формуле:

(6) ,.

где символ «[, ]» використаний позначення операції векторного множення, обумовленою в тривимірному разі соотношением:

(7) .

и є вектор, числено рівний площі паралелограма, побудованого на перемножаемых вектори, і спрямований перпендикулярно його площини у боку, котру визначаємо за правилом правої руки (рис. 9₃).

Магнитное полі, і його властивості. Магнітні поля створюються рухливими зарядами, підпорядковуються принципу суперпозиции і може бути розраховані согласно:

(8) .

Обычно магнітні поля зображують з допомогою ліній, у кожному точці яких вектор У спрямований дотично. Що стосується рушійної рівномірно і прямолінійно заряду лінії У є сімейство окружностей з центрами, лежать з його траєкторії (рис. 9₄). У випадку лінії магнітного поля є замкнуті криві, ніде не виникаючі і обрывающиеся. Поля з цими властивостями називають вихревыми.

Движение заряджених частинок в магнітних полях у випадку іде за рахунок гвинтовим траєкторія, «накрученим» на лінії У (рис.9₄). Радіус кривизни траєкторії (при заданому полі) визначається перпендикулярній полю складової початковій швидкості і питомим зарядом частки (q/m), період обертання визначається лише питомим зарядом, крок траєкторії - спрямованої полем складової швидкості. При русі у магнітному полі кінетична енергія частинок не змінюється, діючі сили викликають лише зміни напрями руху. Магнітні поля широко йдуть на управління пучками заряджених частинок (магнітна фокусування в електронно-променевих трубках), їх сортування за швидкостями (монокинетизации електронних пучків) або питомою зарядам (мас-спектроскопія, пузырьковые камери в магнітних полях тощо.).

Магнитное полі Землі охороняє біосфери від влучення небезпечні життя потоків заряджених частинок, які із космосу. Ці частки, закручуючись навколо ліній У, «подорожують» від однієї магнітного полюси планети до іншого за середнє час порядку. 1.5 с.

Электрические і магнітні поля була в речовині. З погляду теорії електрики речовина при нормальних умов можна як вакуум з відносно невеликим кількістю пов’язаних зарядів і молекулярних струмів. Перші є переважно сукупності позитивно заряджених ядер і що оточують їх негативно заряджених електронних хмар; другі - обумовлені рухом електронів в атомах і специфічним (властивим микрообъектам) внутрішнім рухом — спіном. Повні електричне і магнітне поля була в речовині є суперпозицией зовнішніх полів (створюваних «вільними» зарядами і струмами) і полів, створюваних зарядами речовини. За відсутності зовнішнього поля заряди і струми в речовині зазвичай будуть розподілятися, що й середні електричне і магнітне поля виявляються рівними нулю. Зовнішні поля викликають перерозподіл пов’язаних зарядів і молекулярних струмів як наслідок, поява додаткових полів в веществе.

В більшості речовин (диэлектрика) негативно заряджені електрони досить міцно пов’язані електричними силами з позитивними ядрами, і зовнішня полі не може призвести до значному перерозподілу зарядів. У цих речовинах електричне полі виявляється меншим проти полем, яке створювали б вільні заряди в вакуумі. У металах електрони здатні практично безперешкодно переміщатися й під дією електричного поля рухаються до того часу, доки створять в речовині конфігурації, коли він повне полі звернеться в 0. У діелектриках електричне полі слабшає, в металах одно 0.

По відношення до реакцію зовнішнє магнітне полі речовини поділяються на диамагнетики (послаблюють магнітне полі), парамагнетики (полі речовині незначно збільшується) і ферромагнетики (полі зростає у десятки тисяч разів, і жевріє після вимикання зовнішнього поля). На відміну від электростатики, несуперечлива теорія магнітних властивостей речовини може бути викладена тільки мові квантової механики.

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із сайту internet.