Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

ТВЕРДОХЛЕБОВ С.И., СИВОВ Ю.А.

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Курс лекций

Томск – 2008

ЛЕКЦИЯ № 1 Раздел – ЭЛЕКТРИЧЕСТВО.

ФИЗИКА – НАУКА О ПРИРОДЕ. СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИКА – НАУКА, ИЗУЧАЮЩАЯ ОБЩИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИИ – ВЕЩЕСТВА И ПОЛЯ. Первый шаг при выбранной концепции построения курса физики – Механика рассматривала физические модели: материальная точка и абсолютно твердое тело, не вникая во внутреннюю структуру. Следующий шаг в познании свойств материи – Статистическая физика устанавливает из каких частей (атомов и молекул) состоит тело, и как эти части взаимодействуют между собой. Поскольку атомы построены из электрически заряженных частиц (электронов и ядер), то следующий шаг в познании строения вещества – исследование электромагнитных взаимодействий.

Электричество 1. Электростатика. 2. Постоянный ток. 3. Электромагнетизм.

1

ЭЛЕКТРОСТАТИКА ВВЕДЕНИЕ Закон Кулона

Исторический очерк. Электрические явления были известны в глубокой древности. Приведем некоторые известные факты. 1) Порядка 500 лет до нашей эры Фалес Милетский обнаружил, что потертый шерстью янтарь притягивает легкие пушинки. Его дочь пыталась почистить шерстью янтарное веретено и обнаружила этот эффект. От слова «электрон», означающий по-гречески «янтарь» и произошел термин «электричество». Термин ввел английский врач Гильберт в XVI веке. Он обнаружил, что еще ряд веществ электризуется. Кстати, он же открыл и точку Кюри. 2) При раскопках древнего Вавилона (4000 лет назад) обнаружены сосуды из глины, содержащие железный и медный стержни. На дне битум – изолирующий материал. Стержни разъедены лимонной или уксусной кислотой, то есть находка напоминает гальванический элемент. 3) Золотое покрытие вавилонских украшений можно объяснить только гальваническим способом их нанесения.

Электростатика – раздел физики, изучающий взаимодействие и свойства систем электрических зарядов неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отсчета. Электрический заряд – мера электрических свойств тел или их составных частей. Термин ввел Б.Франклин в 1749 г. Он же – «батарея», «конденсатор», «проводник», «заряд», «разряд», «обмотка».

Свойства электрических зарядов

1. В природе существуют 2 рода электрических зарядов:

● положительные (стекло ↨ кожа), ● отрицательные (янтарь ↨ шерсть). ●между одноименными электрическими зарядами действуют силы отталкивания, а между разноименными – силы притяжения. Выбор наименований исторически случаен. Безусловный смысл имеет только различие знаков заряда. Законы не изменились бы, если

бы положительные заряды переименовали в отрицательные и наоборот: законы взаимодействия зарядов симметричны к замене + q на – q.

2

Фундаментальное свойство – наличие зарядов в двух видах – то, что заряды одного знака отталкиваются, а противоположного – притягиваются. Причина этого современной теорией не объяснена. Существует мнение, что положительные и отрицательные заряды – это противоположное проявление одного качества. Точно также «правое» и «левое» – противоположные проявления свойства симметрии. 2. Закон сохранения заряда – фундаментальный закон (экспериментально

подтвержден Фарадеем в 1845 г.) Полный электрический заряд изолированной системы есть величина постоянная.

.constqi =∑ Полный электрический заряд – сумма положительных и отрицательных зарядов, составляющих систему. Под изолированной в электрическом поле системой понимают систему, через границы которой не может пройти никакое вещество, кроме света. Вообще, в соответствии с законом сохранения заряда разноименные заряды рождаются и исчезают попарно: сколько родилось (исчезло) положительных зарядов, столько родилось (исчезло) отрицательных зарядов. Два элементарных заряда противоположных знаков в соответствии с законом сохранения заряда всегда рождаются и исчезают одновременно. Пример: электрон и позитрон, встречаясь друг с другом, аннигилируют, рождая два или более гамма-фотонов.

e – + e + 2γ. Свет может входить и выходить из системы, не нарушая закона сохранения заряда, так как фотон не имеет заряда; при фотоэффекте возникают равные по величине положительные и отрицательные заряды, а фотон исчезает. И наоборот, гамма-фотон, попадая в поле атомного ядра, превращается в пару частиц – электрон и позитрон.

γ e – + e +. 3. Электрический заряд – инвариант, т.е. его величина не зависит от выбора

системы отсчета.

4. Электрический заряд – величина релятивистки инвариантная, т.е. не зависит от того движется заряд или покоится.

5. Квантование заряда, т.е. электрический заряд дискретен, его величина

изменяется скачком. Опыт Милликена (1910 – 1914 гг.): заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда е = 1,6⋅10−19 Кл (Кулон).

q = ± n⋅e, где n − целое число. Суммарный заряд элементарных частиц, если частица им обладает, равен элементарному заряду.

3

● Наименьшая частица, обладающая отрицательным элементарным электрическим зарядом, – электрон, me= 9,11·10-31 кг, ● Наименьшая частица, обладающая положительным элементарным электрическим зарядом, – позитрон, mр= 1,67·10-27 кг. Таким же зарядом обладает протон, входящий в состав ядра. Равенство зарядов электрона и протона справедливо с точностью до одной части на 1020. То есть фантастическая степень точности. Причина неясна. Более точно: установлено, что элементарные частицы представляют собой

комбинацию частиц с дробным зарядом – кварков, имеющих заряды e31

± и

e32

± . В свободном состоянии кварки не обнаружены.

6. Различные тела в классической физике в зависимости от концентрации свободных зарядов делятся на ● проводники (электрические заряды могут перемещаться по всему их объему), ● диэлектрики (практически отсутствуют свободные электрические заряды, содержит только связанные заряды, входящие в состав атомов и молекул), ● полупроводники (по электропроводящим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками). Проводники делятся на две группы: 1) проводники первого рода (металлы), в которых перенос зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями, 2) проводники второго рода (электролиты – водные растворы солей, кислот и оснований), перенос зарядов (+ и − ионов) в них сопровождается химическими изменениями. 7. Единица электрического заряда в СИ [1 Кл] – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с.

q = I·t.

Закон Кулона – основной закон электростатики

Описывает взаимодействие точечных зарядов. Точечный заряд сосредоточен на теле, линейные размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел. Точечный заряд, как физическая модель, играет в электростатике ту же роль, что и материальная точка и абсолютно твердое тело в механике, идеальный газ в молекулярной физике, равновесные процессы и состояния в термодинамике.

4

Впервые был открыт в 1772 г. Кавендишем.

В 1785 г. Шарль Огюстен Кулон (французский военный инженер) экспериментальным путем с помощью крутильных весов, повторив опыт Кавендиша по гравитационному взаимодействию, определил, что сила взаимодействия F двух неподвижных точечных зарядов пропорциональна величине каждого из зарядов q1, q2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними

r

221

rqq

kF = , (1)

k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбранной системы единиц. В опытах определялся вращающий момент: .FrM == γϕ Сам Кавендиш, работы которого остались неизвестными, еще в 1770 г. получил «закон Кулона» с большей точностью. Сила направлена по прямой, соединяющей взаимодействующие заряды, т.к. из всех возможных направлений в пространстве, по которым можно провести силу, существует одно выделенное. Эта прямая соединяет два точечных заряда. Остальные направления равноправны. Сам заряд, будучи величиной скалярной, не создает выделенного направления, так как является скалярной величиной. Кулоновская сила является центральной силой.

Fr

Сила – величина векторная. Поэтому запишем закон Кулона в векторном

виде. 1) Для произвольно выбранного начала отсчета.

).()( 123

12

2121 rr

rrqq

k rrrr

r−

−=F (2)

112

12 =−−

rrrrrr

rr

– единичный вектор.

.FF 2112rr

−= 2) Начало отсчета совпадает с одним из зарядов.

.rr

qqkF rr

321

21 = (3)

5

Эксперименты показывают, что закон Кулона выполняется при расстояниях

5·10-18 м < r < 4·104 км. Нет оснований полагать, что при других расстояниях он не выполняется. Теория показывает, что если бы закон Кулона не выполнялся на географических расстояниях, то фотон имел бы отличную от нуля массу покоя. Это привело бы к тому, что скорость света с в вакууме зависела бы от λ или ν. Но дисперсия света в вакууме не наблюдается. Нижний предел установлен в опытах по изучению рассеяния электронов на электронах (позитронах).

В системе СИ: k = 04

1πε

= 9·109 ⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡ ⋅2Кл

2мH; [ м / Ф].

В системе СГС: k = 1.

0ε = 8,85·10-12 ⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

⋅ 2мH

2Кл; [Ф / м] – электрическая постоянная.

Электрическое поле. Напряженность электрического поля

Известно, что поле – форма материи, обуславливающая взаимодействие частиц вещества. Электрическое поле – особая форма существования материи, посредством которой взаимодействуют электрические заряды. Электростатическое поле – поле, посредством которого осуществляется кулоновское взаимодействие неподвижных электрических зарядов. Оно является частным случаем электромагнитного поля. Для обнаружения и исследования электростатического поля используют пробный точечный положительный заряд q0 , величина которого q0 не вызывает заметного перераспределения зарядов на телах, создающих поле. Силовая характеристика электростатического поля определяет, с какой силой поле действует на единичный положительный точечный заряд q0. Такой характеристикой является напряженность электростатического поля. Напряженность электрического поля в данной точке – физическая величина, определяемая силой, действующей на пробный положительный точечный заряд q0, помещенный в эту точку поля.

6

.0+

=qFEr

r (1)

Из уравнения (1) следует, что напряженность электростатического поля в данной точке численно равна силе, действующей на единичный положительный точечный заряд, помещенный в данную точку поля.

kEjEiEE zyxrrrr

++= 222zyx EEEE ++= .

Зная напряженность поля в какой-либо точке пространства, можно найти силу, действующую на заряд q , помещенный в эту точку:

.EqFrr

= (2)

Уравнение (2) по существу другой вид закона Кулона, который и вводит понятие электрического поля, создающееся зарядами во всем окружающем пространстве, а также представляет закон действия данного поля на любой заряд. ● Напряженность поля точечного заряда в вакууме. q – источник поля. q0+ – пробный заряд.

rr

qq rr

30

041 +=πε

F ; rrq

qFE rr

r3

00 41πε

==+

, если начало отсчета совпадает с

зарядом .q Вектор напряженности электрического поля E совпадает с направлением силы F, действующей на пробный заряд q0+ . Поле создается положительным зарядом – вектор напряженности электрического поля E направлен от заряда. Поле создается отрицательным зарядом – вектор напряженности электрического поля E направлен к заряду. СИ: Напряженность электрического поля E измеряется в [1 Н /Кл = 1 В/м] – это напряженность такого поля, которое на точечный заряд 1 Кл действует с силой 1 Н.

7

Принцип суперпозиции напряженностей электрических полей Опытно установлено (принцип независимости действия сил), что взаимодействие двух зарядов не зависит от присутствия других зарядов. Если поле создано системой неподвижных точечных зарядов, то в соответствии с принципом независимости действия сил на пробный заряд, помещенный в некоторую точку, будет действовать сила F со стороны всех зарядов qi, равная векторной сумме сил Fi, действующих на него со стороны каждого из зарядов.

....1

21 ∑=

=+++=n

iin FFFFFrrrrr

Т.к. , → → EqFrr

0= ii EqFrr

0= ∑=

=n

iiEqEq

100rr

.1∑=

=n

iiEErr

Принцип суперпозиции: Напряженность электростатического поля, создаваемого системой точечных зарядов в данной точке, равна геометрической сумме напряженностей полей, создаваемых в этой точке каждым из зарядов в отдельности.

8

Первый способ определения напряженности электрического поля Е – с помощью закона Кулона и принципа суперпозиции.

Поле электрического диполя

Электрический диполь – система двух одинаковых по величине разноименных точечных зарядов, расстояние l между которыми значительно меньше расстояния до тех точек, в которых определяется поле. Ось диполя – прямая, проходящая через оба заряда.

l – плечо диполя – вектор, проведенный от отрицательного заряда к положительному.

- q + q l

r pl lqpl

rr= – дипольный момент.

r >> l → Диполь можно рассматривать как систему 2-х точечных зарядов. Пример диполя: молекула воды Н2О обладает

дипольным моментом р = 6,3⋅10−30 Кл⋅м. Вектор дипольного момента направлен от центра иона кислорода О2− к середине прямой, соединяющей центры ионов водорода Н+.

● Напряженность поля в точке, расположенной на оси диполя.

.21 EEErrr

+= (1)

x

l/2

r

- q +q E2 E1E1 – напряженность поля положительного заряда. E2 – напряженность поля отрицательного заряда. В проекциях на ось x: E = E1 – E2. (2)

(3)

.4

23

0rpE l

πε

rr= (4)

.4

224

)2

()2

(

)2

()2

(

4)2

(41

)2

(41

30

40

.)2

(,)2

(

22

22

02020

rql

rrlq

lrlr

lrlrqlr

qlr

qE

rlrrlrlr

πεπε

πεπεπε

==

=+⋅−

−−+=

+−

−=

≈+≈−⇒

444 3444 21

ff

Поле диполя убывает быстрее в зависимости от расстояния по сравнению с полем точечного заряда.

9

● Напряженность поля диполя в точке, лежащей на перпендикуляре, восстановленном к его середине.

.21 EEErrr

+= (1)

б б

- q + q

б

pl

E1 lpE rr

↑↓ . (2)

.)

4(4

12

201 lr

qE+

=πε

(3)

.)

4(4

12

202 lr

qE+

=πε

(4)

.cos2coscos

1

21

ααα

EEEE

==+=

(5)

.

4

2cos2

2 lr

l

+=α (6)

Уравнения (3), (4), (6)→(5): (7)

,lpE rr

↑↓ .lqpl

rr=

E2

l/2

r

E

.04

.4

42)

4(4

12

2

30

22

220

≈⇒

=+

⋅+

⋅=

llr

rql

lr

llr

qE

ff

πεπε

.4 3

0rpE l

πε

rr−=

10

● Напряженность поля диполя в произвольной точке С, лежащей на расстоянии r от середины диполя О.

В точке N расположен заряд – q.

l/2 O

N M

C

K

-q

В точке М расположен заряд + q.

Pl 2

φ – угол между вектором r и осью диполя: ∠СОМ. Из точки М опускаем перпендикуляр на прямую NC, получаем точку К, в которую помещаем два точечных заряда + q и – q. Эти заряды нейтрализуют друг друга и не искажают поле диполя. Закон сохранения заряда не нарушается.

Имеем 4 заряда, расположенных в точках M, N, K, которые можно рассматривать как два диполя: NK и MK. l << r → Угол СNM ≈ φ → ∠ • Электрический момент диполя NK: .coscos1 ϕϕ ll pqlNKqp === (1) • Электрический момент диполя MK: .sinsin2 ϕϕ ll pqlKMqp === (2)

.21 ll pp rr

⊥

Для диполя NK точка С лежит на его оси → .24

13

1

01 r

pE l

rr⋅=

πε (3)

Для диполя МК точка С лежит на перпендикуляре,

восстановленном из середины диполя → .4

132

02 r

pE l

rr⋅−=

πε (4)

21 ll pp rr⊥ → → 21 EE

rr⊥ .)2(1

41 2

22

130

22

21 ll pp

rEEE +⋅⋅=+=

πε (5)

Уравнения (1), (2) → (5):

.1cos3

4

sincos44

sincos44

1

23

0

223

0

22223

0

+⋅=

=+⋅=+⋅=

ϕπε

ϕϕπε

ϕϕπε

rp

rppp

rE

l

lll

+q

±q

~ц ц

Pl 1

E2

r

E

E1

11

В предельных случаях:

а) если 00=ϕ , то есть точка лежит на оси диполя, то получим .4

23

0rpE l

πε

rr=

б) если 090=ϕ , то есть точка лежит на перпендикуляре к оси диполя, то

получим .4 3

0rpE l

πε=

Линейная, поверхностная и объемная плотности зарядов Хотя электрический заряд дискретен, число его носителей в макроскопических телах столь велико, что можно ввести понятие плотности заряда, использовав представление о непрерывном «размазанном» распределении заряда в пространстве.

• Линейная плотность заряда: ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=мКл

dldq ,τ – заряд, приходящийся на единицу

длины.

• Поверхностная плотность заряда: ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡= 2,мКл

dSdqσ – заряд, приходящийся

на единицу площади.

• Объемная плотность заряда: ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡= 3,мКл

dVdqρ – заряд, приходящийся на

единицу объема.

dldq ⋅=τ 2rdlkdE ⋅

=τ .2∫

⋅=

l rdlkE τ

dSdq ⋅=σ 2rdSkdE ⋅

=σ .2∫

⋅=

S rdSkE σ

dVdq ⋅= ρ 2rdVkdE ⋅

=ρ .2∫

⋅=

V rdVkE ρ

12