<<
>>

Основные понятия и единицы измерений

Вся совокупность электрических и магнитных явлений есть проявление существования, движения и взаимодействия электрических зарядов и их полей. Электрический заряд - это физическая величина, отражающая особые, электрические свойства его материальных носителей - элементарных частиц, микрочастиц и физических тел (в понятии электрического заряда часто отождествляют само свойство с его носителем).

Существование электрического заряда является фундаментальным свойством материи и определяет один из четырех известных типов фундаментальных взаимодействий - электромагнитное взаимодействие (остальные три типа - гравитационное, слабое и сильное). Электрическим зарядом обладает большинство элементарных частиц (в частности, электрон е и протон р), которые совместно с электрически нейтральными (незаряженными) частицами образуют структуру вещества на всех его иерархических уровнях, начиная с атомов и молекул и заканчивая звездами с планетными системами и обитающими на них организмами (включая людей).

Электрический заряд - физическая величина, определяющая особый тип сил - электромагнитные силы, и характеризующая свойство электрически заряженных частиц и тел вступать в электромагнитные взаимодействия

Действие электрических зарядов проявляет их фундаментальные свойства [2.1- 2.3]:

1) полярность (двойственность) зарядов: существуют два вида электрических зарядов, противоположных друг другу по действию и условно названных положительными (+) и отрицательными (-); одноименные электрические заряды в виде заряженных частиц или физических тел, приведенные в соприкосновение или пространственно удаленные друг от друга, отталкиваются, а разноименные - притягиваются (полярность электрических зарядов была установлена именно по этим механическим проявлениям действия электрических сил - перемещениям и вращениям, и в данном отношении эти силы отличаются от гравитационных, которые всегда являются силами только притяжения); *

2) дискретность (квантуемость) зарядов: величина электрического заряда q любой частицы или физического тела всегда кратна минимально возможному и постоянному кванту заряда - наименьшему, или элементарному заряду е, отрицательному или положительному, равному по

3) создание электромагнитного поля: каждый неподвижный в рассматриваемой системе отсчета электрический заряд создает в пространстве вокруг себя электрическое (электростатическое), а движущийся - электромагнитное поле с силовым действием на другие электрические заряды, появляющиеся в этом поле.

***

* Причина существования этого универсального свойства пока не известна. Современная физика рассматривает двойственность зарядов как противоположные проявления некоего качества, подобного свойствам «левый» и «правый» в симметрии.

** Природа такого квантования электрических зарядов и точного равенства зарядов всех заряженных элементарных частиц, независимо от их массы, элементарному заряду не выяснена (например, для протона, который в 1836 раз тяжелее электрона, установлено с относительной погрешностью измерения не более 10-20 [2.1], что он имеет тот же заряд, что и электрон). Современная теория элементарных частиц предполагает существование гипотетических частиц с дробным электрическим зарядом, кратным 1/3 элементарного заряда, - кварков, которые образуют барионы (тяжелые элементарные частицы с массой не менее массы протона; к ним, в частности, относят нуклоны - протоны и нейтроны) и другие элементарные частицы (мезоны, резонансы), участвующие в сильных взаимодействиях (весь класс таких частиц именуют адронами) [2.3]. Существуют и некварковые гипотезы о структурном устройстве стабильных элементарных частиц, причем не только адронов, но и лептонов - легких частиц типа электрона (например, одна из гипотез, вопреки общепринятому мнению о том, что электрон не имеет никакой структуры и существует в виде материальной точки бесконечно малых размеров, рассматривает его как размерное образование - устойчивый вращающийся сгусток электромагнитного поля, т.е. не заряженная частица порождает поле, а, наоборот, поле порождает частицу).

*** поле является материальным носителем электромагнитных сил, самостоятельной физической реальностью, отличной от вещества, но существующей наряду и одновременно с ним; поле не сводится к механическим, тепловым или другим явлениям, но проявляет свои действия и через них; поле придает пространству локальное свойство близкодействия, через которое осуществляется дальнодействие удаленных друг от друга электрических зарядов; хотя и говорят, что вещество, т.е.

носитель электрического заряда, «создает» поле, но поле существует вместе с веществом; электромагнитное поле возникает при изменении электромагнитного состояния вещества и может затем существовать в пространстве совершенно независимо, самостоятельно от него [2.4]; взаимодействие и взаимопревращения между веществом и полем во многом только предстоит еще исследовать и понять (возможно, один из путей к этому - исследование среды физического вакуума).

Отдельные магнитные заряды (магнитные монополи), ни положительные, ни отрицательные, в отличие от электрических зарядов, в природе не обнаружены. Постоянное или переменное магнитное поле не имеет других источников, кроме движущихся электрических зарядов (электрических токов) и меняющегося во времени электрического поля. В свою очередь, меняющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, замыкая цикл образования электромагнитного поля (взаимосвязь электрических и магнитных полей описывается уравнениями Максвелла). Таким образом, электрические и магнитные поля являются частной формой электромагнитного поля, которое может создаваться как электрическими зарядами, так и переменными электрическими и магнитными полями.

Микроскопическое магнитное поле возникает в физической среде как при направленном движении электрически заряженных микрочастиц (электронов, протонов, ионов) - микротоках, так и при вращательном движении микрочастиц вокруг собственных осей. В последнем случае говорят о собственном (спиновом) магнитном моменте микрочастиц. Им обладают многие элементарные частицы, ядра и электронные оболочки атомов и молекул. Микротоки и магнитные моменты электрически заряженных микрочастиц являются причиной намагничивания физических тел и создания ими макроскопических магнитных полей и магнитных моментов, которые в каждом магните проявляются в виде совместного и нераздельного действия его двух противоположных полюсов, условно названных «северным» и «южным» (модель полюсов магнита - противоположные стороны плоского витка с током, «магнитного лепестка»).

Магнитное поле оказывает силовое действие на движущиеся электрические заряды (токи) и тела, обладающие магнитным моментом, независимо от того, движутся эти тела или покоятся в рассматриваемой системе отсчета.

К электромагнитному взаимодействию сводятся не только электрические и магнитные явления, но опосредовано и большинство наблюдаемых микро- и макроскопических явлений: механические, химические, оптические и многие другие. Электромагнитное взаимодействие по широте и разнообразию своих проявлений занимает первое место среди всех других известных видов взаимодействий, что обусловлено его фундаментальностью, дальнодействием (в отличие от сильного взаимодействия, которое проявляет себя только на субъядерных расстояниях) и интенсивностью, превосходящей гравитационное и слабое взаимодействия на много порядков.

Все физические тела содержат электрические заряды обоих знаков, которые могут, как компенсировать друг друга, обеспечивая электрическую нейтральность тела в целом, так и

создавать избыток зарядов того или иного знака. Для характеристики электрического состояния физического тела используют понятие количества электричества.

Если q=0, то тело электрически нейтрально, или незаряжено. То, что q=0, еще не

означает, что тело не может участвовать в электромагнитных взаимодействиях. последние зависят от того, как физически взаимосвязаны и распределены в объеме тела противоположные заряды. Различают свободные (квазисвободные) электрические заряды, которые способны под воздействием электрического поля перемещаться в веществе на макроскопические расстояния, и связанные заряды, удерживаемые электрическими силами в составе атомов, молекул или кристаллической решетки вещества. В электрически нейтральных проводниках и диэлектриках, помещенных в электростатическое поле, под воздействием электростатической индукции происходит на отдельных участках поверхности или объема тела перераспределение свободных и смещение с переориентацией (поляризация) связанных зарядов с приданием телу в целом электрических свойств, присущих электрическим диполям*.

В результате, такие в целом электрические нейтральные тела вступают в электромагнитные взаимодействия.

Если q>0, то тело заряжено положительно, а если qприложенные со стороны поля одного заряда к другому; в индексах первая цифра относится к источнику силы, а вторая - к телу, на которое действует сила поля источника)

В абсолютной электростатической системе единиц СГСЭ сила F измеряется в динах (1дин=1г1см/с2), расстояние r - в сантиметрах и принимается к=1 [динсм2]. Если F=1dun, г=1см и q=q2=q, то q=1, т.е. заряды величиной в одну абсолютную электростатическую единицу (ед. СГСЭФ' эта единица не имеет собственного наименования), расположенные в вакууме на удалении 1 см друг от друга взаимодействуют с силой в одну дину. В этой системе единиц элементарный заряд - заряд протона или электрона - равен еК4,8^1О10ед. СГСЭц. Если бы изначально заряд электрона был принят за единицу, то тогда заряд любого тела выражался бы целым числом элементарных зарядов. Но исторически элементарный заряд был измерен уже после выбора единицы заряда. Тем не менее, в целых единицах выражается заряд ядра атома: e+Z, где Z - атомный номер, т.е. порядковый номер химического элемента в периодической системе элементов. СГС система единиц широко применяется в работах по теоретической физике и астрономии, но в технике используется Международная система единиц (СИ).

отрицательных зарядах или уходят в бесконечность. Для поля точечного заряда, как показано выше, силовые линии и векторы напряженности направлены радиально по радиусам. При исследовании напряженности электрического поля, созданного системой из нескольких зарядов-источников, используют принцип суперпозиции, или принцип независимости действия электрических полей: полная напряженность поля в данной точке определяется геометрической суммой напряженностей полей, создаваемых в этой точке отдельными зарядами-источниками.

Иными словами, векторы напряженностей в точке от соответствующих источников складываются по правилу параллелограмма.

Рис.2.1.2 Силовые линии поля электрического диполя и определение напряженностей поля ЕА,ЕВ в точках А и B по принципу суперпозиции

Применительно к электростатическому полю, работа A - это мера изменения потенциальной энергии U подвижного электрического заряда при его перемещении в этом поле, т.е. A=AU. Следует различать потенциальную энергию подвижного заряда в поле, созданном системой других (неподвижных) зарядов, и потенциальную энергию самой системы этих образующих поле зарядов. В первом случае потенциальная энергия подвижного заряда рассматривается относительно той точки поля, в которой он находится. Эта энергия зависит как от величины заряда, так и от потенциальной энергии поля в точке его нахождения, которая в свою очередь зависит от величины и взаиморасположения электрических зарядов, создающих поле (предполагается, что влиянием подвижного заряда на поле можно пренебречь).

Во втором случае потенциальная энергия образующих поле зарядов относится не к тому или иному из этих зарядов или к какой-либо точке их результирующего поля, а к системе в целом. Величина этой энергии зависит как от величины и данного взаимоположения зарядов, так и от того их начального положения, из которого они были переведены в данное. При этом потенциальная энергия системы определяется той работой, которую затратили внешние силы, чтобы, преодолевая силы электростатического отталкивания зарядов, объединить их в систему (эта работа может быть рассчитана на основе принципа суперпозиции, предполагая последовательное создание системы из отдельных зарядов). Если нас не интересует то, каким путем была получена эта система зарядов, то

ЙРПТЯШЯНУ ГГГѴТРТЯТТТЯЯ ТТТтГѴТЯ 'ЯТЯРПГТЯТЯ ЛЯГГЯЛЯГѴ ЯЯТТЯТК ТТТП^ТГѴТЯ КТѴТЯГТЯТЯТГѴТЯ ТЯТТТЯ ТЯѴТТРЛЯ

Рис.2.1.3 Работа сил потенциального электрического поля точечного заряда qи по перемещению пробного заряда q: а) положительного q+, б) отрицательного q-: (U1, U2 и U2 - потенциалы поля на плоском сечении эквипотенциальных поверхностей с радиус-векторами r1, r2 и r3; Ar12=Ar21= r2-r1 - приращение пути, совпадающего с направлением действия сил поля

точек электрического поля можно определить как работу, совершаемую полем при перемещении между ними единичного положительного заряда. Работа по перемещению электрических зарядов производится электрическим полем всегда в направлении от большего своего потенциала к меньшему, от более положительного потенциала к более отрицательному, от положительного потенциала к отрицательному, но не наоборот.

Если между двумя близко расположенными точками 1 и 2 в электростатическом поле разность потенциалов равна Лф=ф1-ф2, а расстояние между ними по линии напряженности Е равно Al=r2-rl (рис.2.1.4), то справедливо равенство:

Рис.2.1.4 Градиент потенциала электростатического скалярного поля потенциалов

Разность потенциалов точек электрического поля является той причиной, которая вызывает направленное движение свободных электрических зарядов в поле. Перемещение зарядов в электрическом поле в обратном направлении, от низкого потенциала к более высокому, возможно только за счет действия внешних (сторонних) относительно данного электрического поля сил. Электростатические силы (как и гравитационные), консервативны, т.е. их работа не зависит от формы траектории перемещаемого в поле тела и определяется только значениями потенциалов начальной и конечной точек пути. Работа консервативной силы по произвольной замкнутой траектории всегда равна нулю, так как точки начала и конца такой траектории совпадают. Потенциал, как и напряженность, является “функцией точки”, т.е. зависит лишь от координат точек

ттп п а

утверждение может рассматриваться как второе определение единицы потенциала В или разности потенциалов в 1В). С учетом введенной единицы измерения потенциала В можно переопределить единицы измерения напряженности поля: [Н/Кл]=(Дж/м)/(Дж/В)=[В/м]. Единица «вольт на метр» является наиболее распространенной единицей измерения напряженности электрического поля.

Таблица єдиним измерения силы., работы (энергии), заряда, напряженности поля. и. потенциала

Приведенные понятия электрических зарядов, полей и сил, а также единицы измерений сил, зарядов, напряженности поля и его потенциалов, разности потенциалов и работы (энергии) важны для понимания в дальнейшем всех рассматриваемых электрических процессов.

<< | >>
Источник: Гуртовцев А.Л.. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ: ПОНЯТИЯ, ЗАКОНЫ, ИЗМЕРЕНИЕ (Законченная глава из незаконченной книги) Минск- 2009. 2009

Еще по теме Основные понятия и единицы измерений:

  1. Понятие "качества окружающей среды".
  2. §4. Основные направления совершенствования статистики международного туризма
  3. Измерение
  4. 3 Основные положения тактики осмотра места происшествия
  5. 7.1. Понятие переходного времени
  6. 2.1 Основные понятия, связанные с финансовыми операциями
  7. 2.4. Основные параметры денежных потоков
  8. 2. Теневая аксиоматика (или эклектика понятий)
  9. § 1. Понятие толкования права в свете современной философской герменевтики
  10. Основные понятия и категории курса «Экономическая теория»
  11. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ: ПОНЯТИЯ, ЗАКОНЫ, ИЗМЕРЕНИЕ
  12. Основные понятия и единицы измерений
  13. Примечание 1 Определенность понятия математического бесконечного
  14. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗДАТЕЛЬСКОЙ ПРОДУКЦИИ
  15. Единицы и способы концептуализации в семантическом, синтаксическом и прагматическом аспектах
  16. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МАРКЕТИНГА