Темы кодификатора ЕГЭ : электризация тел, взаимодействие зарядов, два вида заряда, закон сохранения электрического заряда.

Электромагнитные взаимодействия принадлежат к числу наиболее фундаментальных взаимодействий в природе. Силы упругости и трения, давление газа и многое другое можно свести к электромагнитным силам между частицами вещества. Сами электромагнитные взаимодействия уже не сводятся к другим, более глубоким видам взаимодействий.

Столь же фундаментальным типом взаимодействия является тяготение - гравитационное притяжение любых двух тел. Однако между электромагнитными и гравитационными взаимодействиями имеется несколько важных отличий.

1. Участвовать в электромагнитных взаимодействиях могут не любые, а только заряженные тела (имеющие электрический заряд ).

2. Гравитационное взаимодействие - это всегда притяжение одного тела к другому. Электромагнитные взаимодействия могут быть как притяжением, так и отталкиванием.

3. Электромагнитное взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Например, сила электрического отталкивания двух электронов в раз превышает силу их гравитационного притяжения друг к другу.

Каждое заряженное тело обладает некоторой величиной электрического заряда . Электрический заряд - это физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия между объектами природы . Единицей измерения заряда является кулон (Кл).

Два вида заряда

Поскольку гравитационное взаимодействие всегда является притяжением, массы всех тел неотрицательны. Но для зарядов это не так. Два вида электромагнитного взаимодействия - притяжение и отталкивание - удобно описывать, вводя два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные .

Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, а заряды разных знаков друг от друга отталкиваются. Это проиллюстрировано на рис. 1 ; подвешенным на нитях шарикам сообщены заряды того или иного знака.

Рис. 1. Взаимодействие двух видов зарядов

Повсеместное проявление электромагнитных сил объясняется тем, что в атомах любого вещества присутствуют заряженные частицы: в состав ядра атома входят положительно заряженные протоны, а по орбитам вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны.

Заряды протона и электрона равны по модулю, а число протонов в ядре равно числу электронов на орбитах, и поэтому оказывается, что атом в целом электрически нейтрален. Вот почему в обычных условиях мы не замечаем электромагнитного воздействия со стороны окружающих тел: суммарный заряд каждого из них равен нулю, а заряженные частицы равномерно распределены по объёму тела. Но при нарушении электронейтральности (например, в результате электризации ) тело немедленно начинает действовать на окружающие заряженные частицы.

Почему существует именно два вида электрических зарядов, а не какое-то другое их число, в данный момент не известно. Мы можем лишь утверждать, что принятие этого факта в качестве первичного даёт адекватное описание электромагнитных взаимодействий.

Заряд протона равен Кл. Заряд электрона противоположен ему по знаку и равен Кл. Величина

называется элементарным зарядом . Это минимальный возможный заряд: свободные частицы с меньшей величиной заряда в экспериментах не обнаружены. Физика не может пока объяснить, почему в природе имеется наименьший заряд и почему его величина именно такова.

Заряд любого тела всегда складывается из целого количества элементарных зарядов:

Если , то тело имеет избыточное количество электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же , то наоборот, у тела электронов недостаёт: протонов на больше.

Электризация тел

Чтобы макроскопическое тело оказывало электрическое влияние на другие тела, его нужно электризовать. Электризация - это нарушение электрической нейтральности тела или его частей. В результате электризации тело становится способным к электромагнитным взаимодействиям.

Один из способов электризовать тело - сообщить ему электрический заряд, то есть добиться избытка в данном теле зарядов одного знака. Это несложно сделать с помощью трения.

Так, при натирании шёлком стеклянной палочки часть её отрицательных зарядов уходит на шёлк. В результате палочка заряжается положительно, а шёлк - отрицательно. А вот при натирании шерстью эбонитовой палочки часть отрицательных зарядов переходит с шерсти на палочку: палочка заряжается отрицательно, а шерсть - положительно.

Данный способ электризации тел называется электризацией трением . С электризацией трением вы сталкиваетесь всякий раз, когда снимаете свитер через голову;-)

Другой тип электризации называется электростатической индукцией , или электризацией через влияние . В этом случае суммарный заряд тела остаётся равным нулю, но перераспределяется так, что в одних участках тела скапливаются положительные заряды, в других - отрицательные.

Рис. 2. Электростатическая индукция

Давайте посмотрим на рис. 2 . На некотором расстоянии от металлического тела находится положительный заряд . Он притягивает к себе отрицательные заряды металла (свободные электроны), которые скапливаются на ближайших к заряду участках поверхности тела. На дальних участках остаются нескомпенсированные положительные заряды.

Несмотря на то, что суммарный заряд металлического тела остался равным нулю, в теле произошло пространственное разделение зарядов. Если сейчас разделить тело вдоль пунктирной линии, то правая половина окажется заряженной отрицательно, а левая - положительно.

Наблюдать электризацию тела можно с помощью электроскопа. Простой электроскоп показан на рис. 3 (изображение с сайта en.wikipedia.org).

Рис. 3. Электроскоп

Что происходит в данном случае? Положительно заряженная палочка (например, предварительно натёртая) подносится к диску электроскопа и собирает на нём отрицательный заряд. Внизу, на подвижных листочках электроскопа, остаются нескомпенсированные положительные заряды; отталкиваясь друг от друга, листочки расходятся в разные стороны. Если убрать палочку, то заряды вернутся на место и листочки опадут обратно.

Явление электростатической индукции в грандиозных масштабах наблюдается во время грозы. На рис. 4 мы видим идущую над землёй грозовую тучу.

Рис. 4. Электризация земли грозовой тучей

Внутри тучи имеются льдинки разных размеров, которые перемешиваются восходящими потоками воздуха, сталкиваются друг с другом и электризуются. При этом оказывается, что в нижней части тучи скапливается отрицательный заряд, а в верхней - положительный.

Отрицательно заряженная нижняя часть тучи наводит под собой на поверхности земли заряды положительного знака. Возникает гигантский конденсатор с колоссальным напряжением между тучей и землёй. Если этого напряжения будет достаточно для пробоя воздушного промежутка, то произойдёт разряд - хорошо известная вам молния.

Закон сохранения заряда

Вернёмся к примеру электризации трением - натирании палочки тканью. В этом случае палочка и кусок ткани приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды. Их суммарный заряд как был равен нулю до взаимодействия, так и остаётся равным нулю после взаимодействия.

Мы видим здесь закон сохранения заряда , который гласит: в замкнутой системе тел алгебраическая сумма зарядов остаётся неизменной при любых процессах, происходящих с этими телами :

Замкнутость системы тел означает, что эти тела могут обмениваться зарядами только между собой, но не с какими-либо другими объектами, внешними по отношению к данной системе.

При электризации палочки ничего удивительного в сохранении заряда нет: сколько заряженных частиц ушло с палочки - столько же пришло на кусок ткани (или наоборот). Удивительно то, что в более сложных процессах, сопровождающихся взаимными превращениями элементарных частиц и изменением числа заряженных частиц в системе, суммарный заряд всё равно сохраняется!

Например, на рис. 5 показан процесс , при котором порция электромагнитного излучения (так называемый фотон ) превращается в две заряженные частицы - электрон и позитрон . Такой процесс оказывается возможным при некоторых условиях - например, в электрическом поле атомного ядра.

Рис. 5. Рождение пары электрон–позитрон

Заряд позитрона равен по модулю заряду электрона и противоположен ему по знаку. Закон сохранения заряда выполнен! Действительно, в начале процесса у нас был фотон, заряд которого равен нулю, а в конце мы получили две частицы с нулевым суммарным зарядом.

Закон сохранения заряда (наряду с существованием наименьшего элементарного заряда) является на сегодняшний день первичным научным фактом. Объяснить, почему природа ведёт себя именно так, а не иначе, физикам пока не удаётся. Мы можем лишь констатировать, что эти факты подтверждаются многочисленными физическими экспериментами.

Простые опыты по электризации различных тел иллюстрируют следующие положения.

1. Существуют заряды двух видов: положительные (+) и отрицательные (-). Положительный заряд возникает при трении стекла о кожу или шелк, а отрицательный — при трении янтаря (или эбонита) о шерсть.

2. Заряды (или заряженные тела ) взаимодействуют друг с другом. Одноименные заряды оттал-киваются, а разноименные заряды притягиваются.

3. Состояние электризации можно передать от одного тела к другому, что связано с переносом электрического заряда . При этом телу можно передать больший или меньший заряд, т. е. заряд имеет величину. При электризации трением заряд приобретают оба тела, причем одно — поло-жительный, а другое — отрицательный. Следует подчеркнуть, что абсолютные величины зарядов наэлектризованных трением тел равны, что подтверждается многочисленными измерениями заря-дов с помощью электрометров.

Объяснить, почему тела электризуются (т. е. заряжаются) при трении, стало возможным после открытия электрона и изучения строения атома. Как известно, все вещества состоят из атомов; атомы , в свою очередь, состоят из элементарных частиц — отрицательно заряженных электронов , положительно заряженных протонов и нейтральных частиц - нейтронов . Электроны и протоны являются носителями элементарных (минимальных) электрических зарядов.

Элементарный электрический заряд (е ) — это наименьший электрический заряд, положи-тельный или отрицательный, равный величине заряда электрона:

е = 1,6021892(46) · 10 -19 Кл .

Заряженных элементарных частиц существует много, и почти все они обладают зарядом +e или -e , однако эти частицы весьма недолговечны. Они живут меньше миллионной доли се-кунды. Только электроны и протоны существуют в свободном состоянии неограниченно долго.

Протоны и нейтроны (нуклоны) составляют положительно заряженное ядро атома , вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны, число которых равно числу протонов, так что атом в целом электроцентралей.

В обычных условиях тела, состоящие из атомов (или молекул), электрически нейтральны. Однако в процессе трения часть электронов, покинувших свои атомы, может перейти с одного тела на другое. Перемещения электронов при этом не превышают размеров межатомных расстояний. Но если тела после трения разъединить, то они окажутся заряженными; тело, которое отдало часть своих электронов, будет заряжено положительно, а тело, которое их приобрело, — отрицательно.

Итак, тела электризуются, т. е. получают электрический заряд, когда они теряют или приоб-ретают электроны. В некоторых случаях электризация обусловлена перемещением ионов. Новые электрические заряды при этом не возникают. Происходит лишь разделение имеющихся заря-дов между электризующимися телами: часть отрицательных зарядов переходит с одного тела на другое.

Определение заряда.

Следует особо подчеркнуть, что заряд является неотъемлемым свойством частицы. Частицу без заряда представить себе можно, но заряд без частицы — нельзя.

Проявляют себя заряженные частицы в притяжении (разноименные заряды) либо в отталкивании (одноименные заряды) с силами, на много порядков превышающими гравитационные. Так, сила электрического притяжения электрона к ядру в атоме водорода в 10 39 раз больше силы гра-витационного притяжения этих частиц. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным взаимодействием , а электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий.

В современной физике так определяют заряд:

Электрический заряд — это физическая величина , являющаяся источником электрического поля, посредством которого осуществляется взаимодействие частиц, обладающих зарядом.

1. Элементарный электрический заряд; два вида электрических зарядов; закон сохранения электри­ческого заряда; закон Кулона; электрическое поле: напряжённость электрического поля; линии напря­жённости электрического поля; принцип суперпози­ции электрических полей.

Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным. Интенсивность электромагнитного взаимодействия определяется физической величиной - электрическим зарядом , который обозначается q.

Единица электрического заряда - кулон (Кл).

1 кулон - это такой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1 с, создает в нем ток силой 1 А.

Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух видов зарядов. Один вид заряда назвали положительным, носителем элементарного положительного заряда является протон. Другой вид заряда назвали отрицательным, его носителем является электрон. Элементарный заряд равен Одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые - притягиваются

Заряд частиц всегда представляется числом, кратным величине элементарного заряда.
Закон сохранения электрического заряда :
Полный заряд замкнутой системы (в которую не входят заряды извне), т. е. алгебраическая сумма зарядов всех тел, остается постоянной: q 1 + q 2 + ... + q n = const.

Электрический заряд не создается и не исчезает, а только переходит от одного тела к другому.
Электризация - это сообщение телу электрического заряда. Электризация может происходить, например, при соприкосновении (трении) разнородных веществ и при облучении. При электризации в теле возникает избыток или недостаток электронов.
В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка - положительный.
Закон Кулона: модуль силы взаимодействия двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению величин этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними. r- расстояние между ними, k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц, в СИ

Величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называется диэлектрической проницаемостью среды ε. Для среды с диэлектрической проницаемостью е закон Кулона записывается следующим образом:
В СИ коэффициент k принято записывать следующим образом:
- электрическая постоянная, численно равная

2. Солнечная система. Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхож­дении и эволюции Солнца и звёзд.

1.Солнце - пылающий огненный шар, оно то чрезвычайно активно, то относительно спокойно. Температура поверхности Солнца около 6 000 градусов: при такой темпера­туре все известные нам вещества обращаются в пар. Темпера­тура же в центре Солнца значительно больше: около 15 мил­лионов градусов.

В солнечном спектре было найдено более шестидесяти хими­ческих элементов. Предполагается, что внешние слои Солнца имеют тот же химический состав, что и в момент его образова­ния: около 71% водорода, 27% гелия и 2% других элементов

Солнце условно разделяют на четыре области:

1. ядро,
2. лучи­стая зона,
3. зона конвекции
4. атмосфера.

Солнечное ядро представляет собой атомную электростан­цию, где солнечная энергия генерируется в реакциях ядерного синтеза. Источником энергии Солнца являются реакции тер­моядерного синтеза. В недрах Солнца происходит превращение ядер водорода в ядра гелия: в результате цепи трех последовательных реакций четыре ядра водорода превращаются в одно ядро гелия. Лучистая зона - зона, где отдельные кванты путешеству­ют сотни тысяч лет, пока достигнут фотосферы. В зоне конвекции циркулирующие потоки газа переносят теплоту от горячих недр наружу. Атмосфера условно разделена на фотосферу, хромосферу и солнечную корону.

Планетами земной группы называют четыре ближайшие к Солнцу планеты: Меркурий, Венеру, Землю и Марс.

Эти планеты характеризуются сравни­тельно небольшими размерами и массой и довольно большой средней плотностью. Общим свойством планет земной группы можно считать и то, что они весьма бедны спутниками.

Меркурий(самая близкая к Солнцу планета ). Меркурий получил свое имя в честь древнеримско­го бога-посланника. Он обращается вокруг Солнца быстрее всех планет со скоростью 47,9 км/с. Меркурий похож на Луну с ее множеством кратеров, гор и морей. Температура ни экваторе Меркурия меняется от 700 К в полдень до 90 К в полночь.

На Меркурии имеются следы атмосферы: зафиксированы гелий, аргон, кислород, углерод и ксенон, но атмосферы нет.

Венера (2 от Солнца) обладает атмосферой, причем очень плотной: давление у поверхности Венеры в 90 раз превышает давление у поверхности Земли. Атмосфера Венеры состоит в основном из углекислого газа,

Поверхность Венеры сухая и каменистая, примерно 60% поверхности занимают сравнительно ровные холмистые рав­нины с хорошо различимыми кратерами. Около 16% поверх­ности - безводные бассейны и долины.

Венера является еще более горячей планетой, чем Мерку­рий, причем из-за плотной атмосферы на ней практически от­сутствуют суточные и годичные колебания температуры - вблизи ее поверхности температура всегда около 450 0 С.

Особенность Венеры состоит в том, что при своем суточном враще­нии она вращается в направлении, противоположном направ­лению суточного вращения всех других планет, кроме Урана. Вращается она медленнее всех других планет, делая один оборот вокруг своей оси только за 243 земных суток.

Земля(3 от Солнца) - единственная планета, в атмосфере которой есть много кислорода: он появился благодаря жизнедеятельности растений.

Особенностью Земли среди других планет земной группы яв­ляется наличие у нее большого естественного спутника - Луны.

Луна очень схожа с Меркурием тем, что у нее тоже (и по тем же причинам) нет атмосферы, и поэтому ее поверхность изрыта огромными ударными кратерами. Интересная особен­ность Луны в том, что она всегда обращена к Земле одной стороной.

Марс(4 от Солнца) имеет две сходные с Землей особенности: во-первых, период его обращения вокруг своей оси составляет чуть больше 24 часов, то есть, почти совпадает с земными сут­ками, во-вторых, ось вращения наклонена к плоскости его орбиты примерно так же. как у Земли, вследствие чего на Марсе, как и на Земле, есть четыре времени года.

Атмосфера Марса слишком разрежена, чтобы задерживать губительные солнечные ультрафиолетовые лучи. Ее состав примерно такой: 95% углекислого газа, 2-3% азота, 1-2% аргона, 0,1-0,4% кислорода, а также следы водяного пара и

красноватый вид планеты (из-за чего она была названа Марсом, именем бога войны) обусловлен наличием большого числа окислов железа в марсианской коре.

Планеты-гиганты.

Планеты-гиганты не имеют твердой поверхности, так как но химическому составу и плотностью напоминают звезды, а их большая масса является причиной нагревания ядер до температуры большей 10000 С. У всех планет-гигантов имеются спутники (исчисляемые десятками), причем некоторые из них превышают своими размерами Луну.

Юпитер(5 от Солнца) был назван в честь мифологического римского царя богов и владыки Вселенной Юпитер представ­ляет собой огромный, быстро вращающийся жидкий шар, увенчанный толстой атмосферой, состоящей в основном из во­дорода и гелия. Юпитер является источником энергии: он излучает почти в два раза больше энергии, чем получает от Солнца. Источником энергии Юпитера является продолжаю­щееся до сих пор сжатие под действием сил тяготения. Так что Юпитер, в некотором смысле, является несостоявшейся (из-за слишком «малой» массы) звездой.

Сатурн (6 от Солнца) особенностью является его роскошное кольцо, открытое еще Галилеем. Сатурн - это многослойный шар с постепенным переходом от жидкости к газу состоящий в основном из водорода и гелия. Вблизи верхней границы облаков температура около 86 К, а в центре экваториальной зоны она доходит до 92 К. Там полыхают молнии и сверкают полярные сияния.

Уран(7 от Солнца) обладает всеми свойствами планет-гигантов, отличие его состоит в том, что осевое вращение Урана происходит в направлении, противоположном направлению вращения всех других планет. Вращается Уран «лежа на боку», поэтому в течение года происходит значительное изменение условий освещенности планеты.

Нептун(8 от Солнца) самая удаленная от Солнца из планет гигантов, поэтому температура очень низкая (менее – 200 0 С). Нептун имеет 3 спутника.

И. В. Яковлев | Материалы по физике | MathUs.ru

Электродинамика

Данное пособие посвящено третьему разделу ¾Электродинамика¿ кодификатора ЕГЭ по физике. Оно охватывает следующие темы.

Электризация тел. Взаимодействие зарядов. Два вида заряда. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона.

Действие электрического поля на электрические заряды. Напряжённость электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей.

Потенциальность электростатического поля. Потенциал электрического поля. Напряжение (разность потенциалов).

Проводники в электрическом поле. Диэлектрики в электрическом поле.

Электрическая ёмкость. Конденсатор. Энергия электрического поля конденсатора.

Постоянный электрический ток. Сила тока. Напряжение. Электрическое сопротивление. Закон Ома для участка цепи.

Параллельное и последовательное соединение проводников. Смешанное соединение проводников.

Работа электрического тока. Закон Джоуля–Ленца. Мощность электрического тока.

Электродвижущая сила. Внутреннее сопротивление источника тока. Закон Ома для полной электрической цепи.

Носители свободных электрических зарядов в металлах, жидкостях и газах.

Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников.

Взаимодействие магнитов. Магнитное поле проводника с током. Сила Ампера. Сила Лоренца.

Явление электромагнитной индукции. Магнитный поток. Закон электромагнитной индукции Фарадея. Правило Ленца.

Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля.

Свободные электромагнитные колебания. Колебательный контур. Вынужденные электромагнитные колебания. Резонанс. Гармонические электромагнитные колебания.

Переменный ток. Производство, передача и потребление электрической энергии.

Электромагнитное поле.

Свойства электромагнитных волн. Различные виды электромагнитных излучений и их применение.

Пособие содержит также некоторый дополнительный материал, не входящий в кодификатор ЕГЭ (но входящий в школьную программу!). Этот материал позволяет лучше понять рассматриваемые темы.

1.2 Электризация тел . . . . . . . 7

2.1 Принцип суперпозиции . 11

2.2 Закон Кулона в диэлектрике . . 12

3.1 Дальнодействие и близкодействие 13

3.2 Электрическое поле . . 13

3.3 Напряжённость поля точечного заряда 14

3.4 Принцип суперпозиции электрических полей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.5 Поле равномерно заряженной плоскости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.6 Линии напряжённости электрического поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.1 Консервативные силы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.2 Потенциальность электростатического поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.3 Потенциальная энергия заряда в однородном поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.6 Разность потенциалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.7 Принцип суперпозиции для потенциалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.8 Однородное поле: связь напряжения и напряжённости . . . . . . . . . . . . . . . . 24

5.2 Заряд внутри проводника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.1 Диэлектрическая проницаемость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6.2 Полярные диэлектрики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6.3 Неполярные диэлектрики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

7.1 Ёмкость уединённого проводника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

7.2 Ёмкость плоского конденсатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7.3 Энергия заряженного конденсатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

7.4 Энергия электрического поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

8.1 Направление электрического тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

8.2 Действие электрического тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

8.5 Стационарное электрическое поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

9.1 Закон Ома для участка цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

9.2 Электрическое сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

11.1 Работа тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

11.2 Мощность тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

11.3 Закон Джоуля–Ленца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

12.3 КПД электрической цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

12.4 Закон Ома для неоднородного участка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

13.1 Свободные электроны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

13.2 Опыт Рикке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

14.1 Электролитическая диссоциация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

14.2 Ионная проводимость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

14.3 Электролиз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

15.1 Свободные заряды в газе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

15.2 Несамостоятельный разряд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

16.1 Ковалентная связь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

16.2 Кристаллическая структура кремния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

16.3 Собственная проводимость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

16.4 Примесная проводимость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

16.5 p–n-переход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

17.1 Взаимодействие магнитов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

17.2 Линии магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

17.5 Магнитное поле витка с током . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

17.6 Магнитное поле катушки с током . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

19.2 ЭДС индукции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

19.3 Закон электромагнитной индукции Фарадея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

19.4 Правило Ленца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

19.7 Вихревое электрическое поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

19.8 ЭДС индукции в движущемся проводнике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

21.4 Гармонический закон колебаний в контуре . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

21.5 Вынужденные электромагнитные колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

24.1 Мощность тока через резистор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

24.2 Мощность тока через конденсатор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

24.3 Мощность тока через катушку . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

26.1 Гипотеза Максвелла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

26.2 Понятие электромагнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

27.1 Открытый колебательный контур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

27.2 Свойства электромагнитных волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

27.3 Плотность потока излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

27.4 Виды электромагнитных излучений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

1 Электрический заряд

Электромагнитные взаимодействия принадлежат к числу наиболее фундаментальных взаимодействий в природе. Силы упругости и трения, давление жидкости и газа и многое другое можно свести к электромагнитным силам между частицами вещества. Сами электромагнитные взаимодействия уже не сводятся к другим, более глубоким видам взаимодействий.

Столь же фундаментальным типом взаимодействия является тяготение гравитационное притяжение любых двух тел. Однако между электромагнитными и гравитационными взаимодействиями имеется несколько важных отличий.

1. Участвовать в электромагнитных взаимодействиях могут не любые, а только заряженные

тела (имеющие электрический заряд).

2. Гравитационное взаимодействие это всегда притяжение одного тела к другому. Электромагнитные взаимодействия могут быть как притяжением, так и отталкиванием.

3. Электромагнитное взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Например, сила электрического отталкивания двух электронов в 10 42 раз превышает силу их гравитационного притяжения друг к другу.

Каждое заряженное тело обладает некоторой величиной электрического заряда q. Электрический заряд это физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия между объектами природы. Единицей измерения заряда является кулон (Кл)1 .

1.1 Два вида заряда

Поскольку гравитационное взаимодействие всегда является притяжением, массы всех тел неотрицательны. Но для зарядов это не так. Два вида электромагнитного взаимодействия притяжение и отталкивание удобно описывать, вводя два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные.

Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, а заряды одного знака друг от друга отталкиваются. Это проиллюстрировано на рис. 1 ; подвешенным на нитях шарикам сообщены заряды того или иного знака.

Рис. 1. Взаимодействие двух видов зарядов

Повсеместное проявление электромагнитных сил объясняется тем, что в атомах любого вещества присутствуют заряженные частицы: в состав ядра атома входят положительно заряженные протоны, а по орбитам вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны. Заряды протона и электрона равны по модулю, а число протонов в ядре равно числу электронов на орбитах, и поэтому оказывается, что атом в целом электрически нейтрален. Вот почему в обычных условиях мы не замечаем электромагнитного воздействия со стороны окружающих

1 Единица измерения заряда определяется через единицу измерения силы тока. 1 Кл это заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока в 1 А.

тел: суммарный заряд каждого из них равен нулю, а заряженные частицы равномерно распределены по объёму тела. Но при нарушении электронейтральности (например, в результате электризации) тело немедленно начинает действовать на окружающие заряженные частицы.

Почему существует именно два вида электрических зарядов, а не какое-то другое их число, в данный момент не известно. Мы можем лишь утверждать, что принятие этого факта в качестве первичного даёт адекватное описание электромагнитных взаимодействий.

Заряд протона равен 1;6 10 19 Кл. Заряд электрона противоположен ему по знаку и равен

1;6 10 19 Кл. Величина

e = 1;6 10 19 Кл

называется элементарным зарядом. Это минимальный возможный заряд: свободные частицы с меньшей величиной заряда в экспериментах не обнаружены. Физика не может пока объяснить, почему в природе имеется наименьший заряд и почему его величина именно такова.

Заряд любого тела q всегда складывается из целого количества элементарных зарядов:

Если q < 0, то тело имеет избыточное количество N электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же q > 0, то наоборот, у тела электронов недостаёт: протонов на N больше.

1.2 Электризация тел

Чтобы макроскопическое тело оказывало электрическое влияние на другие тела, его нужно электризовать. Электризация это нарушение электрической нейтральности тела или его частей. В результате электризации тело становится способным к электромагнитным взаимодействиям.

Один из способов электризовать тело сообщить ему электрический заряд, то есть добиться избытка в данном теле зарядов одного знака. Это несложно сделать с помощью трения.

Так, при натирании шёлком стеклянной палочки часть её отрицательных зарядов уходит на шёлк. В результате палочка заряжается положительно, а шёлк отрицательно. А вот при натирании шерстью эбонитовой палочки часть отрицательных зарядов переходит с шерсти на палочку: палочка заряжается отрицательно, а шерсть положительно.

Данный способ электризации тел называется электризацией трением. С электризацией трением вы сталкиваетесь всякий раз, когда снимаете свитер через голову;-)

Другой тип электризации называется электростатической индукцией, или электризацией через влияние. В этом случае суммарный заряд тела остаётся равным нулю, но перераспределяется так, что в одних участках тела скапливаются положительные заряды, в других отрицательные.

Рис. 2. Электростатическая индукция

Давайте посмотрим на рис. 2 . На некотором расстоянии от металлического тела находится положительный заряд q. Он притягивает к себе отрицательные заряды металла (свободные электроны), которые скапливаются на ближайших к заряду участках поверхности тела. На дальних участках остаются нескомпенсированные положительные заряды.

Несмотря на то, что суммарный заряд металлического тела остался равным нулю, в теле произошло пространственное разделение зарядов. Если сейчас разделить тело вдоль пунктирной линии, то правая половина окажется заряженной отрицательно, а левая положительно.

Наблюдать электризацию тела можно с помощью электроскопа. Простой электроскоп показан2 на рис.3 .

Рис. 3. Электроскоп

Что происходит в данном случае? Положительно заряженная палочка (например, предварительно натёртая) подносится к диску электроскопа и собирает на нём отрицательный заряд. Внизу, на подвижных листочках электроскопа, остаются нескомпенсированные положительные заряды; отталкиваясь друг от друга, листочки расходятся в разные стороны. Если убрать палочку, то заряды вернутся на место и листочки опадут обратно.

Явление электростатической индукции в грандиозных масштабах наблюдается во время грозы. На рис. 4 мы видим идущую над землёй грозовую тучу3 .

Рис. 4. Электризация земли грозовой тучей

Внутри тучи имеются льдинки разных размеров, которые перемешиваются восходящими потоками воздуха, сталкиваются друг с другом и электризуются. При этом оказывается, что в нижней части тучи скапливается отрицательный заряд, а в верхней положительный.

Отрицательно заряженная нижняя часть тучи наводит под собой на поверхности земли заряды положительного знака. Возникает гигантский конденсатор с колоссальным напряжением

2 Изображение с сайтаen.wikipedia.org .

3 Изображение с сайтаelementy.ru.

между тучей и землёй. Если этого напряжения будет достаточно для пробоя воздушного промежутка, то произойдёт разряд хорошо известная вам молния.

1.3 Закон сохранения заряда

Вернёмся к примеру электризации трением натирании палочки тканью. В этом случае палочка и кусок ткани приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды. Их суммарный заряд как был равен нулю до взаимодействия, так и остаётся равным нулю после взаимодействия.

Мы видим здесь закон сохранения заряда, который гласит: в замкнутой системе тел алгебраическая сумма зарядов остаётся неизменной при любых процессах, происходящих с этими телами:

q1 + q2 + : : : + qn = const:

Замкнутость системы тел означает, что эти тела могут обмениваться зарядами только между собой, но не с какими-либо другими объектами, внешними по отношению к данной системе.

При электризации палочки ничего удивительного в сохранении заряда нет: сколько заряженных частиц ушло с палочки столько же пришло на кусок ткани (или наоборот). Удивительно то, что в более сложных процессах, сопровождающихся взаимными превращениями элементарных частиц и изменением числа заряженных частиц в системе, суммарный заряд всё равно сохраняется!

Например, на рис. 5 показан процесс! e + e+ , при котором порция электромагнитного излучения (так называемый фотон) превращается в две заряженные частицы электрон e и позитрон e+ . Такой процесс оказывается возможным при некоторых условиях например, в электрическом поле атомного ядра.

Рис. 5. Рождение пары электрон–позитрон

Заряд позитрона равен по модулю заряду электрона и противоположен ему по знаку. Закон сохранения заряда выполнен! Действительно, в начале процесса у нас был фотон, заряд которого равен нулю, а в конце мы получили две частицы с нулевым суммарным зарядом.

Закон сохранения заряда (наряду с существованием наименьшего элементарного заряда) является на сегодняшний день первичным научным фактом. Объяснить, почему природа ведёт себя именно так, а не иначе, физикам пока не удаётся. Мы можем лишь констатировать, что эти факты подтверждаются многочисленными физическими экспериментами.

8.1. Два вида электрических зарядов

Если некоторые частицы (или тела) обладают способностью принимать участие в электрических взаимодействиях, то имеет смысл приписать им некоторую характеристику, которая и будет указывать на это их свойство. Такая характеристика получила название электрический заряд . Тела, принимающие участие в электрических взаимодействиях называются заряженными. Таким образом, термин «электрически заряженный» является синонимом выражения «участвует в электрических взаимодействиях». Почему некоторые элементарные частицы обладают электрическим зарядом, а другие нет – никому не известно!

Дальнейшие рассуждения, основанные на экспериментальных данных, призваны конкретизировать эту характеристику, по возможности, сделать ее количественной.

История изучения электрических явлений длительна и полна драматизма, …

Далее мы опишем ряд простых опытов, которые можно провести дома «на кухне», или в школьной лаборатории. При их объяснении мы будем пользоваться теми знаниями, которые получены в течение многими учеными нескольких сотен лет, в результате многочисленных и разнообразных экспериментов.

Сейчас, мы воспроизведем в очень упрощенной форме некоторые этапы экспериментальных исследований, выводы из которых послужили основой современной теории электрических взаимодействий.

Для проведения экспериментов, прежде всего, следует научиться получать заряженные тела. Простейший метод достижения этой цели – электризация трением . Например, хорошо электризуется, (то есть приобретает электрический заряд) стекло, если его потереть шелком. Появление электрического заряда проявляется в том, что такая палочка начинает притягивать кусочки бумаги, волоски, пылинки и т.д.

Также можно установить, что многие другие вещества также электризуются посредством трения. Зная результат заранее, в качестве второго «источника» электричества выберем эбонитовую палочку, потертую шерстью. Назовем электрический заряд, который появляется на стекле – «стеклянным», а заряд на эбоните «смоляным ».

Далее нам необходим «прибор», который мог бы реагировать на присутствие электрического заряда. Для этого подвесим на нити легкий стаканчик, скрученный из кусочка фольги. Легко проверить, что этот стаканчик не заряжен - чтобы мы не подносили к нему, карандаш, руку, учебник физики и т.д., никакого действия на стаканчик не проявляется.

Поднесем к незаряженному стаканчику заряженную стеклянную электрическую палочку (рис. 141). Стаканчик притягивается к ней, как и другие мелкие тела. По углу отклонения нити (при известной массе стаканчика и длине нити) можно даже рассчитать силу притяжения. Если стаканчик не соприкоснулся с заряженной палочкой он остается незаряженным, что легко можно проверить экспериментально. Если же стаканчик прикоснется к заряженной палочке, то он резко оттолкнется от нее. Если теперь убрать палочку, стаканчик окажется заряженным, что можно проверить, если поднести к нему другое незаряженное тело. Например, он будет притягиваться к поднесенной руке.

Аналогичные результаты получаются, если заменить стеклянную палочку, потертую о шелк, эбонитовой палочкой, потертой о шерсть.

Таким образом, в этих экспериментах различие между «стеклянным» и «смоляным» электричеством не проявляется.

Не будем пока, обсуждать, почему незаряженный стаканчик притягивается к заряженной палочке, а заряженный стаканчик притягивается к незаряженной руке. Единственный вывод, который мы сделаем из проведенного эксперимента – в результате контакта стаканчик приобрел электрический заряд. Следовательно, электрический заряд может передаваться от одного тела к другому.

Возьмем два одинаковых стаканчика из фольги, подвесим рядом их на нитях одинаковой длины. Если стаканчики зарядить одинаково (либо с помощью стеклянной, либо с помощью эбонитовой палочки), то стаканчики отталкиваются (рис, 142). Если же стаканчики заряжены различными зарядами, то они притягиваются.

Таким образом, мы доказываем, что существует, по меньшей мере, два вида электрических зарядов .

Для дальнейших экспериментов заменим «измерительные стаканчики» более совершенным прибором, который называется электрометр (рис. 143). Прибор состоит из металлического стержня и легкой металлической стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. Это устройство помещено в металлический корпус, закрытый стеклянными крышками. Угол отклонения стрелки можно измерять с помощью шкалы. Стержень со стрелкой закреплен в корпусе с помощью плексигласовой втулки. Стержень со стрелкой играют ту же роль, что и стаканчики из фольги в предыдущих опытах – при прикосновении заряженного тела к стержню, заряд будет перетекать на стержень и на стрелку, что приведет к ее отклонению. Причем, направление отклонения стрелки не зависит от вида сообщенного заряда.

Для дальнейших экспериментов будем использовать два одинаковых электроскопа. Зарядим один из них с помощью, например, стеклянной палочки. Далее начнем соединять стержни электрометров с помощью различных материалов. При соединении стержней с помощью деревянной, незаряженных стеклянной, эбонитовой, пластмассовых палочек; текстильных нитей, никаких изменений не происходит – один электрометр остается заряженным, второй незаряженным. Если же соединить стержни с помощью металлической проволоки , то оказываются заряженными оба электрометра. Причем, отклонение стрелки первоначально заряженного электрометра уменьшится (рис. 144).

Из результатов этого опыта можно сделать два важных вывода: во-первых, некоторые материалы (металлы) могут передавать электрический заряд, другие (стекло, пластмасса, дерево) нет; во-вторых, заряд может изменяться, быть больше или меньше. Эти же эксперименты можно повторить с использованием и второго вида («смоляного») электричества. Результаты окажутся такими же – материалы, которые проводят «стеклянное» электричество, проводят и «смоляное». Если «стеклянный» заряд перераспределяется между электрометрами, то также себя ведет и «смоляной» заряд.

Итак, мы можем разделить материалы на две группы – те, которые передают электрический заряд (эти материалы назвали проводники ), и те, которые не передают электрический заряд (их назвали изоляторы ). Кстати, стержень электрометра отделен от корпуса с помощью втулки из изолятора, чтобы электрический заряд не «растекался» по корпусу, а оставался на стержне и стрелке.

Различные отклонения стрелки электрометра однозначно свидетельствуют о том, что сила взаимодействия между заряженными телами может быть различной, поэтому и величины зарядов могут быть различными. Следовательно, заряд можно характеризовать некоторой численной величиной (а не так, как мы говорили ранее – «есть, или нет»).

Еще один интересный результат – если к стержню заряженного электрометра прикоснуться рукой, то электрометр разряжается – заряд исчезает. Даже на основании этих качественных наблюдений можно объяснить, куда исчезает заряд, при прикосновении руки. Человеческое тело является проводником, поэтому заряд может перетечь в тело человека.

Для подтверждения этой идеи о количественном характере заряда можно провести следующий опыт. Зарядим один электрометр – заметим угол отклонения стрелки. Соединим его со вторым электрометром – угол отклонения стрелки заметно уменьшится. Уберем контакт между приборами и рукой разрядим второй электрометр, после чего опять соединим электрометры – отклонение стрелки опять уменьшится. Таким образом, электрический заряд можно делить на части. Можно провести и обратный эксперимент – постепенно добавляя заряд электрометру.

«Смешаем» сейчас, два имеющихся вида электричества. Для этого зарядим один электрометр «стеклянным» электричеством, а второй – «смоляным», стараясь, чтобы начальные отклонения стрелок обоих электрометров были примерно одинаковыми. После этого соединим стержни электрометров металлической проволокой (на изолирующей ручке, чтобы заряды не убежали»). Результат этого опыта может вызвать удивление – оба электроскопа разрядились, или «стеклянное» и «смоляное» электричество нейтрализовали, скомпенсировали друг друга (рис. 145). Следовательно, оказывается возможным приписать различным видам заряда различные алгебраические знаки – один заряд назвать положительным, второй отрицательным. Разумно предположить, что сила взаимодействия зависит от суммарного заряда. Если первоначально электрометры были заряжены разными видами электричества, но в разной степени (отклонения стрелок – различны), а потом их соединить, то произойдет лишь частичная компенсация зарядов – стрелки будут отклонены, но в гораздо меньшей степени.

Исторически сложилось, что положительным назвали «стеклянный» заряд, а «смоляной» заряд стал отрицательным .

Описанный нами прибор, электрометр, позволяет лишь качественно судить о величине зарядов, проводить с ним количественные измерения невозможно. Попробуйте, например, поднести к заряженному электрометру руку (не прикасаясь к стержню) – отклонение стрелки увеличится! Поднесите к незаряженному стержню заряженную палочку, не прикасаясь к стержню – стрелка отклонится, хотя электрометр не заряжен. К объяснению этих фактов мы вернемся позднее.