من تاريخ الديناميكا الكهربائية. العمليات الكهرومغناطيسية الثابتة

محاضرة 1

موضوع الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية. الحقل الكهربائي. توتر الحقل الكهربائي.

موضوع الديناميكا الكهربائية. الديناميكا الكهربائية - فرع الفيزياء الذي يدرس التفاعل الجسيمات المشحونة كهربائيًا ونوع خاص من المادة الناتجة عن هذه الجسيمات - حقل كهرومغناطيسي .

1. الكهرباء الساكنة

الكهرباء الساكنة- قسم الديناميكا الكهربية الذي يدرس التفاعل أجسام مشحونة بلا حراك . يسمى المجال الكهربائي الذي ينفذ هذا التفاعل كهرباء .

1.1 الشحنات الكهربائية.

طرق الحصول على الرسوم. قانون حفظ الشحنة الكهربائية.

في الطبيعة ، هناك نوعان من الشحنات الكهربائية ، يطلق عليهما تقليديًا ، الموجبة والسالبة. تاريخيًا ، من المعتاد استدعاء الرسوم الإيجابية ، مواضيع مماثلةالتي تحدث عند حك الزجاج بالحرير ؛ سالبة - شحنة مماثلة لتلك التي تنشأ عند فرك العنبر بالفراء. تتنافر رسوم نفس العلامة مع بعضها البعض ، وتتجاذب رسوم العلامات المختلفة (الشكل 1.1).

في الأساس ، الشحنات الكهربائية ذري (منفصله). هذا يعني أنه يوجد في الطبيعة أصغر شحنة غير قابلة للتجزئة تسمى الشحنة الأولية. قيمة ابتدائي المسؤول عن طريق قيمه مطلقهفي SI:

الشحنات الكهربائية متأصلة في العديد من الجسيمات الأولية ، ولا سيما الإلكترونات والبروتونات ، التي تشكل جزءًا من ذرات مختلفة ، تُبنى منها جميع الأجسام في الطبيعة. وتجدر الإشارة ، مع ذلك ، وفقا ل الأفكار الحديثةالجسيمات شديدة التفاعل - الهادرونات (الميزونات والباريونات) - مبنية مما يسمى جسيمات دون الذرية – جسيمات خاصة، تحمل كسريتكلفة. حاليًا ، هناك ستة أنواع من الكواركات معروفة - u ، d ، s ، t ، b ، c - وفقًا للأحرف الأولى للكلمات: فوق- العلوي ، أسفل-أدنى، طريق جانبي- جانبي (أو غريب-غريب)، أعلى- أعلى، الأسفل- متطرف و سحر-سحر. تنقسم هذه الكواركات إلى أزواج: (ش ، د) ، (ج ، ق) ، (تي ، ب). الكواركات u ، c ، t لها شحنة +2/3 ، وشحنة الكواركات d ، s ، b هي -1/3. كل كوارك له خاصته أنتيكوارك. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يكون كل من الكواركات في واحدة من ثلاث حالات لونية (أحمر ، أصفر ، وأزرق). تتكون الميزونات من كواركين ، وتتكون الباريونات من ثلاثة. في الكواركات الحرة لم يلاحظ. هذا يسمح لنا بالنظر إلى أن الشحنة الأولية في الطبيعة لا تزال عدد صحيحتكلفة ه، لكن لا كسريتهمة الكوارك. تتشكل شحنة الأجسام العيانية من خلال توليفة الرسوم الأوليةوهكذا عدد صحيح من مضاعفات البريد.

لتجارب الشحنات الكهربائية ، استخدم طرق مختلفةاستقبالهم. أبسط وأقدم طريقة فركجسد تلو الآخر. في هذه الحالة ، لا يلعب الاحتكاك نفسه دورًا أساسيًا هنا. تنشأ الشحنات الكهربائية دائمًا عندما تكون أسطح الأجسام الملامسة على اتصال وثيق. يساعد الاحتكاك (الطحن) فقط في القضاء على المخالفات على سطح الأجسام المتلامسة ، مما يمنعها من الالتصاق بإحكام ببعضها البعض ، مما يخلق ظروفًا مواتية لنقل الشحنات من جسم إلى آخر. تعتمد طريقة الحصول على الشحنات الكهربائية على تشغيل بعض الآلات الكهربائية ، على سبيل المثال ، مولد الكهرباء الساكنة Van de Graaff (Van de Graaff R. ، 1901-1967) ، المستخدم في فيزياء الطاقة العالية.

طريقة أخرى للحصول على الشحنات الكهربائية تعتمد على استخدام هذه الظاهرة الحث الكهروستاتيكي . جوهرها موضح في الشكل 1.2. دعنا نقسمها إلى نصفين غير مشحونلجسم معدني (بدون لمسه) جسم آخر ، مشحون ، على سبيل المثال ، إيجابيًا. بسبب إزاحة جزء معين من الإلكترونات سالبة الشحنة الموجودة في المعدن ، فإن النصف الأيسر من الجسم الأصلي سيكتسب شحنة سالبة زائدة ، وسيكتسب النصف الأيمن شحنة موجبة بنفس الحجم ، ولكن عكس ذلك في إشارة. إذا قمنا الآن ، في وجود جسم مشحون خارجي ، بفصل كلا النصفين في اتجاهات مختلفة وإزالة الجسم المشحون ، فحينئذٍ سيتضح أن كل منهما متهم. نتيجة لذلك ، سنحصل على جسمين جديدين مشحونين بشحنات متساوية في الحجم ومعاكسة في الإشارة.

في حالتنا الخاصة ، لم تتغير الشحنة الإجمالية للجسم الأصلي قبل التجربة وبعدها - فقد ظلت مساوية للصفر:

q = q - + q + = 0

1.2 تفاعل الشحنات الكهربائية.

قانون كولوم. تطبيق قانون كولوم لحساب قوى التفاعل للأجسام المشحونة الممتدة.

تم وضع قانون تفاعل الشحنات الكهربائية في عام 1785 من قبل تشارلز كولوم (CoulombSh. ، 1736-1806). قاس كولوم قوة التفاعل بين كرتين صغيرتين مشحنتين ، اعتمادًا على حجم الشحنات والمسافة بينهما ، باستخدام ميزان الالتواء الذي صممه خصيصًا له (الشكل 1.3). نتيجة لتجاربه ، وجد كولوم ذلك تتناسب قوة التفاعل بين شحنتين نقطيتين طرديًا مع حجم كل من الشحنات وتتناسب عكسًا مع مربع المسافة بينهما ، بينما يتزامن اتجاه القوة مع الخط المستقيم الذي يمر عبر كلتا الشحنتين:

بمعنى آخر ، يمكننا أن نكتب:

يعتمد معامل التناسب k على اختيار وحدات قياس الكميات المدرجة في هذه الصيغة:

مشترك الآن النظام الدوليوحدات القياس (SI) قانون كولوم مكتوب ، لذلك ، في الشكل:

يجب التأكيد مرة أخرى على أنه في هذا الشكل ، تمت صياغة قانون كولوم فقط لشحنات النقاط ، أي ، مثل هذه الأجسام المشحونة ، والتي يمكن إهمال أبعادها مقارنة بالمسافة بينها. إذا لم يتم استيفاء هذا الشرط ، فيجب كتابة قانون كولوم شكل تفاضليلكل زوج من الشحنات الأولية dq1 و dq2 حيث "تنكسر" الأجسام المشحونة:

ثم يتم تمثيل القوة الكلية للتفاعل بين جسمين مشحونين بالعين المجردة على النحو التالي:

يتم إجراء التكامل في هذه الصيغة على جميع شحنات كل جسم.
مثال. أوجد القوة F المؤثرة على الشحنة النقطية Q من جانب خيط مشحون مستقيم الشكل ممتد بلا حدود (الشكل 1.4). المسافة من الشحنة إلى الفتيل أ ، كثافة الشحنة الخطية للفتيل τ.

القوة المطلوبة هي F = Fx = Qτ / (2πε0a).

1.3 الحقل الكهربائي. شدة المجال الكهربائي. مبدأ تراكب المجالات الكهربائية.
يتم تنفيذ تفاعل الشحنات الكهربائية من خلال نوع خاص من المواد الناتجة عن الجسيمات المشحونة - مجال كهربائي. تغير الشحنات الكهربائية خصائص الفضاء المحيط. يتجلى ذلك في حقيقة أن شحنة أخرى موضوعة بالقرب من جسم مشحون (دعنا نسميها شحنة اختبار) تتأثر بقوة (الشكل 1.5). من خلال حجم هذه القوة ، يمكن للمرء أن يحكم على "شدة" المجال الناتج عن الشحنة q. لكي تتمكن القوة المؤثرة على شحنة الاختبار من تمييز المجال الكهربائي بدقة عند نقطة معينة في الفضاء ، من الواضح أن شحنة الاختبار يجب أن تكون شحنة نقطية.

الشكل 1.5. لتحديد شدة المجال الكهربائي.
بوضع شحنة اختبار qpr على مسافة معينة r من الشحنة q (الشكل 1.5) ، نجد أنها تتأثر بقوة مقدارها

يعتمد على قيمة شحنة الاختبار المأخوذة qpr. ومع ذلك ، فمن السهل أن نرى أنه بالنسبة لجميع رسوم الاختبار ، فإن النسبة F / qpr ستكون هي نفسها وتعتمد فقط على الكميتين q و r التي تحدد مجال الشحنة q عند نقطة معينة r. لذلك ، من الطبيعي أن نأخذ هذه النسبة كقيمة تميز "الشدة" أو ، كما يقولون ، شدة المجال الكهربائي (في هذه الحالة ، مجال الشحنة النقطية):
.
وبالتالي ، فإن قوة المجال الكهربائي هي خاصية قوته. عدديًا ، فهي تساوي القوة المؤثرة على شحنة الاختبار qpr = +1 الموضوعة في هذا المجال.
شدة المجال متجه. يتزامن اتجاهه مع اتجاه متجه القوة الذي يعمل على شحنة نقطية موضوعة في هذا المجال. لذلك ، إذا تم وضع نقطة شحنة q في مجال كهربائي بقوة ، فعندئذٍ ستؤثر عليها قوة:

أبعاد شدة المجال الكهربائي في النظام الدولي للوحدات:.
يتم تصوير المجال الكهربائي بشكل ملائم باستخدام خطوط القوة. خط القوة هو خط يتزامن متجه المماس عند كل نقطة مع اتجاه متجه شدة المجال الكهربائي عند تلك النقطة. من المقبول عمومًا أن خطوط القوةتبدأ بشحنات موجبة وتنتهي بالشحنات السالبة (أو تنتقل إلى ما لا نهاية) ولا تنقطع في أي مكان. يوضح الشكل 1.6 أمثلة على خطوط القوة لبعض المجالات الكهربائية.
الشكل 1.6. أمثلة على صورة المجالات الكهربائية باستخدام خطوط القوة: شحنة نقطية (موجبة وسالبة) ، ثنائي القطب ، مجال كهربائي منتظم.
يخضع المجال الكهربائي لمبدأ التراكب (الإضافة) ، والذي يمكن صياغته على النحو التالي: قوة المجال الكهربائي الذي تم إنشاؤه في نقطة معينة في الفضاء بواسطة نظام الشحنات يساوي مجموع متجه لقوى المجالات الكهربائية تم إنشاؤها في نفس النقطة في الفضاء بواسطة كل من الشحنات على حدة:

مثال. أوجد شدة المجال الكهربائي E لثنائي القطب (نظام من شحنتين نقطيتين متصلتين بشكل صارم علامة المعاكس) عند نقطة تقع على مسافة r1 من الشحنة - q وعلى مسافة r2 من الشحنة + q (الشكل 1.7). المسافة بين الشحنات (ذراع ثنائي القطب) تساوي l.

الشكل 1.7. عند حساب شدة المجال الكهربائي لنظام من شحنتين نقطتين.

من تاريخ الديناميكا الكهربائية

دورة الفيزياء العامة (محاضرات)

القسم الثاني الديناميكا الكهربائية

موسكو 2003

المحاضرة 1 "أساسيات الكهرباء الساكنة"

خطة المحاضرة

1 المقدمة. موضوع الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية.

أ. من تاريخ الديناميكا الكهربائية.

ب. الديناميكا الكهربائية والتقدم العلمي والتقني.

2. الشحنات الكهربائية.

أ. خواص الشحنات الكهربائية.

ب. قانون كولوم.

3. المجال الكهربائي.

أ. أفكار قريبة - وبعيدة المدى.

ب. شدة المجال الكهربائي. مجال الشحنة النقطية. تمثيل رسوميالمجالات الكهربائية.

4. مبدأ تراكب المجالات الكهربائية.

أ. مجال ثنائي القطب.

ب. مجال خيط مشحون لانهائي.

مقدمة. موضوع الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية

من تاريخ الديناميكا الكهربائية

مختلف الكهربائية و الظواهر المغناطيسية، التي كان الناس يراقبونها منذ زمن سحيق ، تثير فضولهم واهتمامهم دائمًا. ومع ذلك ، "لاحظ" لا تعني "استكشاف".

تم اتخاذ الخطوات العلمية الأولى في دراسة الكهرباء والمغناطيسية فقط في نهاية القرن السادس عشر بواسطة طبيب الملكة الإنجليزية إليزابيث ويليام جيلبرت (1540 - 1603). في كتابه "حول المغناطيس والأجسام المغناطيسية والمغناطيس الكبير - الأرض" ، قدم جيلبرت لأول مرة مفهوم "المجال المغناطيسي للأرض" ... مواد متعددة، اكتشف أن ليس فقط الكهرمان المفرك على الحرير له خاصية جذب الأجسام الخفيفة ، ولكن أيضًا العديد من الأجسام الأخرى: الماس ، والكريستال ، والراتنج ، والكبريت ، وما إلى ذلك. وقد أطلق على هذه المواد اسم "كهربائي" ، أي "مثل العنبر". هكذا ولدت كلمة "كهرباء".

النظرية الأولى الظواهر الكهربائيةحاول إنشاء المستكشف الفرنسي تشارلز دوفاي (1698 - 1739). أثبت أن هناك نوعين من الكهرباء: "نوع" ، كتب ، "سميت بالكهرباء" زجاجية "، والأخرى" راتنج ". خصوصية هذين النوعين من الكهرباء هي صد ما هو متجانس معها وجذب العكس ... "(1733).

تم تطوير نظرية الكهرباء بشكل أكبر في أعمال العالم الأمريكي بنجامين فرانكلين (1706-1790). قدم مفهوم الكهرباء "الإيجابية" و "السلبية" ، وأسس قانون الحفاظ على الشحنة الكهربائية ، ودرس "كهرباء الغلاف الجوي" ، واقترح فكرة مانع الصواعق. خط كاملمن صنعه مرافق تجريبيةأصبحوا كلاسيكيين وعملوا على تزيين مختبرات الفيزياء لأكثر من 200 عام المؤسسات التعليمية(على سبيل المثال ، "عجلة فرانكلين").

في عام 1785 ، أنشأ الباحث الفرنسي تشارلز كولوم (1736-1806) قانونًا تجريبيًا للتفاعل بين الشحنات الكهربائية الثابتة وفيما بعد - أقطاب مغناطيسية. قانون كولوم هو أساس الكهرباء الساكنة. أخيرًا ، سمح بإنشاء وحدة قياس الشحنة الكهربائية والكتل المغناطيسية. حفز اكتشاف هذا القانون التطور النظرية الرياضيةالظواهر الكهربائية والمغناطيسية.

ومع ذلك ، لفترة طويلة (منذ زمن جيلبرت) كان يعتقد أن الكهرباء والمغناطيسية لا يوجد بينهما شيء مشترك. فقط في عام 1820 ، اكتشف Dane Hans Oersted (1777-1851) تأثير التيار الكهربائي على إبرة مغناطيسية ، وهو ما أوضحه بحقيقة أن "دوامة مغناطيسية تتشكل حول سلك يحمل تيارًا". بمعنى آخر ، أثبت Oersted أن التيار الكهربائي هو مصدر المجال المغناطيسي. أصبح هذا الحكم أول قانونين أساسيين للديناميكا الكهربائية. تم إنشاء الثانية تجريبيا من قبل الفيزيائي الإنجليزي مايكل فاراداي (1791 - 1867). في عام 1831 ، لاحظ لأول مرة ظاهرة "الحث الكهرومغناطيسي" ، عندما ظهر تيار كهربائي حثي في دائرة موصلة عندما الفيض المغناطيسياختراق هذه الدائرة.

في نهاية القرن التاسع عشر ، لخص الفيزيائي الاسكتلندي الشاب جيمس كلارك ماكسويل (1831-1879) النتائج المتناثرة لدراسات الظواهر الكهرومغناطيسية. ابتكر النظرية الكلاسيكيةالديناميكا الكهربية ، التي تنبأ فيها على وجه الخصوص بوجودها موجات كهرومغناطيسية، طرح فكرة الطبيعة الكهرومغناطيسية للضوء ، وحساب كثافة الطاقة الحجمية لموجة كهرومغناطيسية ، وحساب الضغط الذي يجب أن تنتجه الموجة الكهرومغناطيسية عندما تسقط على سطح ماص.

موضوع الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية

الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية هي نظرية تشرح سلوك المجال الكهرومغناطيسي الذي ينفذ التفاعل الكهرومغناطيسي بين الشحنات الكهربائية.

تمت صياغة قوانين الديناميكا الكهربائية العيانية الكلاسيكية في معادلات ماكسويل ، والتي تسمح لك بتحديد قيم خصائص المجال الكهرومغناطيسي: شدة المجال الكهربائي هوالحث المغناطيسي فيفي الفراغ وفي الأجسام العيانية ، اعتمادًا على توزيع الشحنات الكهربائية والتيارات في الفضاء.

يتم وصف تفاعل الشحنات الكهربائية الثابتة من خلال معادلات الكهرباء الساكنة ، والتي يمكن الحصول عليها كنتيجة لمعادلات ماكسويل.

يتم تحديد المجال الكهرومغناطيسي المجهري الناتج عن الجسيمات المشحونة الفردية في الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية من خلال معادلات لورنتز ماكسويل ، التي تكمن وراء النظرية الإحصائية الكلاسيكية للعمليات الكهرومغناطيسية في الأجسام العيانية. يؤدي حساب متوسط هذه المعادلات إلى معادلات ماكسويل.

من بين جميع أنواع التفاعلات المعروفة ، يحتل التفاعل الكهرومغناطيسي المرتبة الأولى من حيث اتساع وتنوع المظاهر. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن جميع الأجسام مبنية من جسيمات مشحونة كهربائيًا (موجبة وسالبة) ، والتفاعل الكهرومغناطيسي الذي يكون ، من ناحية ، أكثر كثافة بكثير من الجاذبية والضعف ، ومن ناحية أخرى اليد ، هو بعيد المدى ، على عكس التفاعل القوي.

يحدد التفاعل الكهرومغناطيسي بنية الأصداف الذرية ، التصاق الذرات في الجزيئات (القوى رابطة كيميائية) وتكوين المادة المكثفة (التفاعل بين الذرات ، التفاعل بين الجزيئات).

قوانين الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية غير قابلة للتطبيق على الترددات العالية ، وبالتالي أطوال صغيرة من الموجات الكهرومغناطيسية ، أي للعمليات التي تحدث على فترات زمنية مكانية صغيرة. في هذه الحالة ، فإن قوانين الديناميكا الكهربائية الكمية صالحة.

1.2 الشحنة الكهربية وتقديرها.
نظرية المدى القصير

لقد أظهر تطور الفيزياء أن الفيزيائية و الخواص الكيميائيةيتم تحديد المواد إلى حد كبير من خلال قوى التفاعل بسبب وجود وتفاعل الشحنات الكهربائية لجزيئات وذرات مواد مختلفة.

من المعروف أنه يوجد في الطبيعة نوعان من الشحنات الكهربائية: موجبة وسالبة. قد تكون موجودة في النموذج الجسيمات الأولية: الإلكترونات ، البروتونات ، البوزيترونات ، الأيونات الموجبة والسالبة ، إلخ ، وكذلك "الكهرباء الحرة" ، ولكن فقط في شكل إلكترونات. لذلك ، فإن الجسم الموجب الشحنة عبارة عن مجموعة من الشحنات الكهربائية مع نقص الإلكترونات ، والجسم سالب الشحنة - مع فائضها. تعوض شحنة العلامات المختلفة بعضها البعض ، لذلك ، في الأجسام غير المشحونة ، توجد دائمًا رسوم لكلتا العلامتين بكميات يتم تعويض تأثيرها الكلي.

عملية إعادة التوزيعايجابي و رسوم سلبيةجثث غير مشحونة ، أو بين أجزاء منفصلة من نفس الجسم ، تحت التأثير عوامل مختلفةاتصل كهربة.

لأن الكهرباء هي إعادة توزيع الإلكترونات الحرةإذن ، على سبيل المثال ، كلا الجسمين المتفاعلين مكهربين ، أحدهما موجب والآخر سلبي. عدد الشحنات (الموجبة والسالبة) لم يتغير.

يشير هذا إلى استنتاج مفاده أن الشحنات لا تنشأ ولا تختفي ، بل يتم إعادة توزيعها فقط بين الأجسام المتفاعلة وأجزاء من نفس الجسم ، في كمياتبقى دون تغيير.

هذا هو معنى قانون حفظ الشحنات الكهربائية ، والذي يمكن كتابته رياضياً كالآتي:

أولئك. في نظام منعزل مجموع جبريتظل الشحنات الكهربائية ثابتة.

يُفهم النظام المعزول على أنه نظام لا تخترق من خلاله أي مادة أخرى ، باستثناء فوتونات الضوء ، والنيوترونات ، لأنها لا تحمل شحنة.

يجب ألا يغيب عن البال أن الشحنة الكهربائية الكلية لنظام معزول ثابتة نسبيًا ، منذ ذلك الحين يقع المراقبون في أي مكان نظام بالقصور الذاتيإحداثيات ، قياس الشحنة ، الحصول على نفس القيمة.

أظهر عدد من التجارب ، ولا سيما قوانين التحليل الكهربائي ، تجربة ميليكان مع قطرة من الزيت ، أن الشحنات الكهربائية في الطبيعة منفصلة عن شحنة الإلكترون. أي شحنة هي مضاعف عدد صحيح لشحنة الإلكترون.

في عملية الكهربة ، تتغير الشحنة بشكل منفصل (كميًا) بقيمة شحنة الإلكترون. تكميم الشحنة هو قانون عالمي للطبيعة.

في الكهرباء الساكنة ، يتم دراسة خصائص وتفاعلات الشحنات غير المتحركة في الإطار المرجعي الذي توجد فيه.

يؤدي وجود شحنة كهربائية في الأجسام إلى تفاعلها مع أجسام مشحونة أخرى. في الوقت نفسه ، تتنافر الجثث المشحونة بنفس الاسم ، وتتحرك بشكل معاكس ، فهي تتجاذب.

تعد نظرية التفاعل قصير المدى إحدى نظريات التفاعل في الفيزياء. في الفيزياء ، يُفهم التفاعل على أنه أي تأثير للأجسام أو الجسيمات على بعضها البعض ، مما يؤدي إلى تغيير في حالة حركتها.

في ميكانيكا نيوتن ، يتسم الفعل المتبادل للأجسام ببعضها البعض بالقوة كميًا. أكثر السمة المشتركةالتفاعل هو الطاقة الكامنة.

في البداية ، في الفيزياء ، تم تأسيس فكرة أن التفاعل بين الأجسام يمكن أن يتم مباشرة من خلال الفضاء الفارغ ، والذي لا يشارك في نقل التفاعل. يحدث نقل التفاعل على الفور. وبالتالي ، كان يعتقد أن حركة الأرض يجب أن تؤدي على الفور إلى تغيير في قوة الجاذبية المؤثرة على القمر. كان هذا هو معنى ما يسمى بنظرية التفاعل ، والتي تسمى نظرية الفعل بعيد المدى. ومع ذلك ، تم التخلي عن هذه الأفكار باعتبارها غير صحيحة بعد اكتشاف ودراسة المجال الكهرومغناطيسي.

لقد ثبت أن تفاعل الأجسام المشحونة كهربائيًا ليس فوريًا وأن حركة الجسيم المشحون تؤدي إلى تغيير القوى المؤثرة على الجسيمات الأخرى ، ليس في نفس اللحظة ، ولكن فقط بعد فترة زمنية محدودة.

يخلق كل جسيم مشحون كهربائيًا مجالًا كهرومغناطيسيًا يعمل على الجسيمات الأخرى ، أي ينتقل التفاعل من خلال "وسيط" - مجال كهرومغناطيسي. سرعة انتشار المجال الكهرومغناطيسي تساوي سرعة انتشار الضوء في الفراغ. نشأت نظرية جديدةنظرية التفاعل للتفاعل قصير المدى.

وفقًا لهذه النظرية ، يتم التفاعل بين الأجسام من خلال مجالات معينة (على سبيل المثال ، الجاذبية عبر مجال الجاذبية) ، الموزعة باستمرار في الفضاء.

بعد ظهور نظرية المجال الكمومي ، تغير مفهوم التفاعلات بشكل كبير.

وفقًا لنظرية الكم ، فإن أي مجال ليس مستمرًا ، ولكن له بنية منفصلة.

بسبب ثنائية الموجة الجسدية ، تتوافق بعض الجسيمات مع كل مجال. تنبعث الجسيمات المشحونة باستمرار وتمتص الفوتونات التي تشكل المجال الكهرومغناطيسي المحيط بها. التفاعل الكهرومغناطيسي في نظرية المجال الكمومي هو نتيجة تبادل الجسيمات بواسطة الفوتونات (الكوانتا) في المجال الكهرومغناطيسي ، أي الفوتونات حاملة لهذا التفاعل. وبالمثل ، تنشأ أنواع أخرى من التفاعلات نتيجة لتبادل الجسيمات بكميات الحقول المقابلة.

على الرغم من تنوع تأثيرات الأجسام على بعضها البعض (اعتمادًا على تفاعل الجسيمات الأولية المكونة لها) ، في الطبيعة ، وفقًا للبيانات الحديثة ، لا يوجد سوى أربعة أنواع من التفاعلات الأساسية: الجاذبية والضعيفة والكهرومغناطيسية والقوية (بترتيب زيادة كثافة التفاعل). يتم تحديد شدة التفاعلات من خلال ثوابت الاقتران (على وجه الخصوص ، الشحنة الكهربائية للتفاعل الكهرومغناطيسي هي ثابت الاقتران).

عصري نظرية الكميصف التفاعل الكهرومغناطيسي بشكل مثالي جميع الظواهر الكهرومغناطيسية المعروفة.

في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي ، تم بناؤه بشكل أساسي نظرية موحدةالتفاعلات الضعيفة والكهرومغناطيسية (ما يسمى بالتفاعل الكهرومغناطيسي) للبتونات والكواركات.

النظرية الحديثةالتفاعل القوي هو الديناميكا الكمومية.

تُبذل المحاولات لدمج القوة الكهروضعيفة والتفاعلات القوية فيما يسمى "التوحيد العظيم" ، بالإضافة إلى دمجهم في مخطط واحدتفاعل الجاذبية.

ملاحظات المحاضرة

معتمدة من مجلس التحرير والنشر بالجامعة كمذكرات محاضرة

المراجعون:

دكتوراه في العلوم الفيزيائية والرياضية ، رئيس. قسم T و EF KSTU ، أستاذ أ. روديونوف

مرشح العلوم الفيزيائية والرياضية رئيس.  قسم، أقسام
الفيزياء العامة KSU Yu.A. نيروتشيف

مُرَشَّح العلوم التقنية، رأس قسم الفيزياء KSHA
دي. ياكيرفيتش

Polunin V.M. ، Sychev G.T.

الفيزياء. الكهرباء الساكنة. التيار الكهربائي المستمر: محاضرة ملاحظات / كورسك. حالة تقنية. un-t. كورسك ، 2003. 196 ص.

يتم تجميع ملاحظات المحاضرة وفقًا لمتطلبات معيار التعليم الحكومي 2000 ، برنامج عينةتخصصات "الفيزياء" (2000) و برنامج العملفي الفيزياء لطلاب التخصصات الهندسية والتقنية من KSTU (2000).

يوفر عرض المواد في هذه الورقة معرفة الطلاب بالفيزياء والرياضيات في نطاق المناهج الدراسية ، اهتمام كبيريتم إعطاؤه للأسئلة التي يصعب فهمها ، مما يسهل على الطلاب الاستعداد للامتحان.

ملخص المحاضرات عن الكهرباء الساكنة والتيار الكهربائي المباشر موجه لطلاب التخصصات الهندسية والفنية في جميع أشكال التعليم.

انا. 96. ببليوغرافيا: 11 عنوانا.

Ó ولاية كورسك
جامعة فنية, 2003

^ Polunin V.M. ، Sychev GT ، 2003

مقدمة .. 7

محاضرة 1. الكهرباء الساكنة في الفراغ والمادة. المجال الكهربائي 12

1.1 موضوع الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية .. 12

1.2 الشحنة الكهربية وتقديرها. نظرية العمل القريب. 13

1.3 قانون كولوم. شدة المجال الكهربائي. مبدأ تراكب المجالات الكهربائية .. 16

1.4 تدفق متجه لشدة المجال الكهروستاتيكي. 22

1.5 نظرية Ostrogradsky-Gauss للمجال الكهربائي في الفراغ. 24

1.6 عمل مجال كهربائي على حركة شحنة كهربائية. تداول متجه شدة المجال الكهربائي. 25

1.7 طاقة الشحنة الكهربائية في مجال كهربائي. 26

1.8 فرق الجهد والاحتمال في المجال الكهربائي. ربط شدة المجال الكهربائي بإمكانياته .. 28

1.9. الأسطح متساوية الجهد.. 30

1.10. المعادلات الأساسية للكهرباء الساكنة في الفراغ. 32

1.11. بعض الأمثلة على المجالات الكهربائية التي تولدها أبسط أنظمة الشحنات الكهربائية. 33

محاضرة 2. الموصلات في المجال الكهربائي .. 42

2.1. الموصلات وتصنيفها. 42

2.2. المجال الكهروستاتيكي في تجويف الموصل المثالي وبالقرب من سطحه. حماية الكهرباء الساكنة. توزيع الشحنات في حجم الموصل وعلى سطحه .. 43

2.3 سعة الموصل الانفرادي و المعنى المادي. 46

2.4 المكثفات وسعتها. 47

2.5 وصلات مكثف. 51

2.6. تصنيف المكثفات. 54

محاضرة 3. المجال الكهربائي الساكن في المادة .. 55

3.1. عوازل. الجزيئات القطبية وغير القطبية. ثنائي القطب في مجالات كهربائية متجانسة وغير متجانسة. 55

3.2 الشحنات الحرة والمقيدة (الاستقطاب) في المواد العازلة. استقطاب العوازل. متجه الاستقطاب (الاستقطاب) 58

3.3 مجال في العوازل. الإزاحة الكهربائية. الحساسية العازلة للمادة. نسبيا ثابت العزلبيئة. نظرية Ostrogradsky-Gauss لتدفق ناقل تحريض المجال الكهربائي. 61

3.4. الظروف في الواجهة بين عازلين. 63

3.5 الكهرباء. تأثير كهرضغطية. الفيروكهربائيات وخصائصها وتطبيقاتها. تأثير كهربية. 65

3.6 المعادلات الأساسية للكهرباء الساكنة للمواد العازلة. 72

المحاضرة 4. طاقة المجال الكهربائي .. 75

4.1 طاقة تفاعل الشحنات الكهربائية. 75

4.2 طاقة الموصلات المشحونة ، ثنائي القطب في مجال كهربائي خارجي ، جسم عازلمكثف مشحون في مجال كهربائي خارجي. 77

4.3 طاقة المجال الكهربائي. الكثافة الظاهريةطاقة المجال الكهربائي 81

4.4 القوى المؤثرة على الأجسام المشحونة العيانية الموضوعة في مجال كهربائي. 82

محاضرة 5. التيار الكهربائي المباشر .. 84

5.1 تيار كهربائي مستمر. الإجراءات الأساسية وشروط الوجود التيار المباشر. 84

5.2 الخصائص الرئيسية للتيار الكهربائي المباشر: القيمة / القوة / التيار ، كثافة التيار. قوى الطرف الثالث .. 85

5.3. القوة الدافعة الكهربائية(EMF) ، فرق الجهد والجهد. معناها المادي. العلاقة بين المجالات الكهرومغناطيسية والجهد وفرق الجهد. 90

المحاضرة 6. النظرية الإلكترونية الكلاسيكية لتوصيل المعادن. القوانين الحالية المباشرة .. 92

6.1 النظرية الإلكترونية الكلاسيكية للتوصيل الكهربائي للمعادن إثباتات تجريبية. قانون أوم في التفاضل
وأشكال متكاملة. 92

6.2. المقاومة الكهربائيةالموصلات. تغيير مقاومة الموصلات من درجة الحرارة والضغط. الموصلية الفائقة. 98

6.3 وصلات المقاومة: سلسلة ، متوازية ، مختلطة. تحويل أدوات القياس الكهربائية. مقاومات إضافية لأجهزة القياس الكهربائية .. 104

6.4. قواعد (قوانين) كيرشوف وتطبيقها لحساب أبسط الدوائر الكهربائية 108

6.5. قانون جول لينز في أشكال تفاضلية ومتكاملة. 110

6.6. تنطلق الطاقة في دائرة التيار المستمر. معامل في الرياضيات او درجة عمل مفيد(كفاءة) مصدر تيار مباشر. 112

المحاضرة 7. التيار الكهربائي في الفراغ والغازات والسوائل .. 115

7.1 التيار الكهربائي في الفراغ. انبعاث حراري. 115

7.2 الانبعاث الثانوي والميداني. 122

7.3. التيار الكهربائي في الغاز. عمليات التأين وإعادة التركيب .. 124

7.4. مفهوم البلازما. تردد البلازما. طول ديباي. 142- التوصيل الكهربائي بالبلازما

7.5 الشوارد. التحليل الكهربائي. قوانين التحليل الكهربائي. 149

7.6. الإمكانات الكهروكيميائية .. 151

7.7 التيار الكهربائي من خلال الإلكتروليتات. قانون أوم للكهارل. 152

المحاضرة 8. الإلكترونات في البلورات .. 161

8.1 نظرية الكم للتوصيل الكهربائي للمعادن. مستوى فيرمي. عناصر نظرية عصابة البلورات. 161

8.2 ظاهرة الموصلية الفائقة من وجهة نظر نظرية فيرمي ديراك. 170

8.3 الموصلية الكهربائية لأشباه الموصلات. مفهوم توصيل الثقب. أشباه الموصلات الداخلية والخارجية. مفهوم p-n - الانتقال. 171

8.4. الظواهر الكهرومغناطيسيةفي الواجهة بين 178

الخاتمة .193

المراجع 195

تم تجميع هذا الدليل على أساس المواد التي طورها المؤلفون في عملية إلقاء المحاضرات عليها الفيزياء العامةطلاب التخصصات الهندسية والتقنية ، مع حجم صغير نسبيًا من الدراسات الصفية ، على مدى فترة زمنية طويلة.

إن وجود ملاحظات المحاضرة هذه لطلاب التخصصات الهندسية والتقنية سيسمح لهم وللمحاضر باستخدام وقت المحاضرة بشكل أكثر كفاءة ، وإيلاء المزيد من الاهتمام للأسئلة التي يصعب فهمها ، وتسهيل تحضير الطلاب للامتحان.

على وجه الخصوص في حاجة إلى مثل هذه المنفعة ، في رأينا ، والمراسلات الطلاب المعجل و النماذج البعيدةالطلاب الذين بدأوا في دراسة الفيزياء لديهم مهارات غير كافية للإدراك المناسب المفاهيم الفيزيائيةوالتعاريف والقوانين.

يوفر عرض المادة في هذا العمل معرفة الطلاب بالفيزياء والرياضيات في نطاق المناهج المدرسية ، وبالتالي ، لا يتم الكشف عن العديد من المفاهيم بالتفصيل ، ولكن يتم استخدامها كمفاهيم معروفة. بالإضافة إلى ذلك ، تفترض هذه الورقة أن الطلاب قد درسوا بالفعل أو يدرسون بالتوازي مسارالجهاز الرياضي المقابل (التفاضلية و حساب متكاملتحليل دالة المعادلات التفاضلية ناقلات الجبر، صفوف).

ميزة الدليل هي أن المادة معروضة فيه بتسلسل معين غير تقليدي ، وتحتوي على الرسومات والتفسيرات اللازمة.

على الرغم من صغر حجمه ، إلا أن الدليل المقترح يحتوي على بيان بالمسائل التي تعتبر معرفتها ضرورية لدراسة التخصصات ، التي أساسها القوانين والأحكام الأساسية للفيزياء.

تم تحقيق الانخفاض في الحجم بشكل أساسي من خلال رفض النظر في بعض القضايا غير المبدئية ، وكذلك من خلال تقديم بعض القضايا لدراستها في عملية الفصول العملية والمخبرية.

يتم تقديم قضايا مثل نظرية النطاق للمعادن وأشباه الموصلات والتيار في الفراغ والغازات والإلكتروليتات بتفاصيل كافية.

يعتمد عرض المادة ، مع استثناءات نادرة لاعتبارات منهجية ، على تجربة. التجارب الأساسية التي كانت بمثابة الأساس التدريس الحديثحول الكهرومغناطيسية ، موصوفة بالتفصيل الكافي.

بالإضافة إلى ذلك ، يتم إيلاء بعض الاهتمام لشرح مبادئ قياس الرئيسي الكميات الكهربائية، والتي ، إن أمكن ، تتبع مباشرة إدخال المفاهيم الفيزيائية ذات الصلة. ومع ذلك ، فإن وصف التجارب المختلفة لا يدعي أنه كامل ، وعلاوة على ذلك ، يتعلق فقط بمبادئ هذه التجارب ، حيث يستمع الطلاب إلى دورة محاضرة مع العروض التوضيحية ويعملون في المعامل الفيزيائية. للسبب نفسه ، تم عمل معظم الرسومات في النموذج دوائر بسيطةويعكس فقط النوعية هذه القضيةالتبعيات دون الإشارة إلى وحدات القياس والقيم العددية للكميات قيد الدراسة ، مما يساهم في فهم أفضل للمادة التي يدرسها الطلاب.

نظرًا لوجود كتب إشكالية في الوقت الحالي تتوافق مع المقرر الجامعي للفيزياء ، لم يتم توفير تضمين مهام وتمارين محددة للقسم قيد الدراسة. لذلك ، تم تقديم أمثلة قليلة نسبيًا في ملاحظات المحاضرة لتوضيح تطبيق أهم القوانين.

يتم تنفيذ العرض في النظام الدولي للوحدات (SI). تسميات الوحدة كميات فيزيائيةيتم تقديمها من حيث الوحدات الأساسية والمشتقة للنظام ، وفقًا لتعريفها في نظام SI.

يمكن استخدام الدليل من قبل طلاب الدراسات العليا والمعلمين الذين ليس لديهم خبرة كافية في الجامعة.

سيكون المؤلفون ممتنين لجميع الذين يراجعون هذا الدليل بعناية ويقدمون تعليقات معينة على مزايا. بالإضافة إلى ذلك ، سيحاولون مراعاة جميع التعليقات المنطقية من زملائهم الفيزيائيين وطلاب الدراسات العليا والطلاب وإجراء التصحيحات والإضافات المناسبة.

مقدمة

ملاحظات المحاضرة هذه مخصصة لأحد الأقسام دورة عامةقسم الفيزياء قسم "الكهرباء" الذي يقرأ على طلبة تلك التخصصات وأشكال التربية في مناهجالتي يتم توفير هذه الدورة التدريبية من أجلها.

يركز على حقيقة أن الطاقة الكهربائية تلعب دورًا كبيرًا في التكنولوجيا للأسباب التالية:

1. السهولة القصوى في تحويل الكهرباء إلى أنواع أخرى من الطاقة: ميكانيكية وحرارية وخفيفة وكيميائية.

2. القدرة على نقل الكهرباء لمسافات طويلة.

3. كفاءة عالية للأجهزة الكهربائية والأجهزة الكهربائية.

4. للغاية حساسية عاليةأدوات القياس والتسجيل الكهربائي وتطويرها الطرق الكهربائيةقياسات الكميات غير الكهربائية المختلفة.

5. الفرص الاستثنائية التي توفرها الأجهزة والأجهزة الكهربائية للأتمتة والميكانيكا عن بعد والتحكم في الإنتاج.

6. تطوير الطرق الكهربائية والكهربائية الحرارية والكهروكيميائية والكهروميكانيكية والكهرومغناطيسية لمعالجة المواد.

عقيدة الكهرباء لها تاريخها الخاص ، المرتبط عضوياً بتاريخ تطور القوى المنتجة للمجتمع ومجالات أخرى من العلوم الطبيعية. في تاريخ عقيدة الكهرباء يمكن التمييز بين ثلاث مراحل:

1. فترة تراكم الحقائق التجريبية وتأسيس المفاهيم الأساسية والقوانين.

2. فترة تشكيل عقيدة المجال الكهرومغناطيسي.

3. فترة تكوين النظرية الذرية للكهرباء.

تعود أصول الأفكار حول الكهرباء إلى اليونان القديمة. جاذبية الأجسام الخفيفة عن طريق فرك الكهرمان وأشياء أخرى معروفة للناس لفترة طويلة. ومع ذلك ، كانت القوى الكهربائية غامضة تمامًا ، ولم يتم الشعور بإمكانية تطبيقها العملي ، لذلك لم يكن هناك حافز للبحث المنهجي في هذا المجال.

فقط اكتشافات النصف الأول من القرن الثالث عشر. فرض تغيير حاد في الموقف تجاه الظواهر الكهربائية. مما لا شك فيه ، تم تسهيل ذلك من خلال اختراع الآلة الكهربائية (النصف الثاني من القرن السابع عشر) ، والتي على أساسها تم توسيع إمكانيات التجريب بشكل كبير.

بحلول منتصف القرن الثالث عشر. يتزايد الاهتمام بالكهرباء ، ويتم تضمين علماء الطبيعة من العديد من البلدان في البحث. لا يمكن أن تؤدي ملاحظة التفريغ الكهربائي القوي إلا إلى تشابه بين الشرارة الكهربائية والبرق. تم إثبات الطبيعة الكهربائية للبرق من خلال التجارب المباشرة لـ W. Franklin ، M.V. لومونوسوف ، ج. ريتشمان (1752 - 1753). كان اختراع مانع الصواعق أول تطبيق عملي لعقيدة الكهرباء. هذا ساهم في التنمية اهتمام عامإلى الكهرباء ، وجذب باحثين جدد إلى هذا المجال.

طرح عالم الطبيعة الإنجليزي R. Simmer (1759) فرضية مثمرة حول طبيعة الكهرباء. تطوير أفكار دو فاي ، خلص سيمر إلى أن الجثث في الدول العاديةتحتوي على نوعين من الكهرباء بكميات متساوية ، مما يؤدي إلى تحييد عمل كل منهما. تتسبب الكهربة في وجود فائض في جسم كهرباء على أخرى. كان تأكيدًا ممتازًا لهذه الفرضية هو اكتشاف الحث الكهروستاتيكي بواسطة الأكاديمي الروسي F. Epinus (1759).

كان قانون حفظ الطاقة والمادة الذي وضعه لومونوسوف أعظم إنجازفي فيزياء القرن الثامن عشر. تم الكشف تدريجياً عن محتوى قانون الحفظ الذي اكتشفه لومونوسوف ولعب دورًا كبيرًا في تطوير نظرية الكهرباء. وبالتالي ، فإن القانون المكتشف لاحقًا لحفظ الشحنات الكهربائية هو مظهر خاص من مظاهر القانون العالمي لحفظ المادة والحركة.

حتى منتصف القرن الثالث عشر. استمرت التجارب الكهربائية في كونها نوعية بحتة. تم اتخاذ الخطوة الأولى نحو تجربة كمية بواسطة ريتشمان ، الذي اقترح أول أداة للقياسات تسمى مقياس الكهرومغناطيسي (1745). أهم مرحلةفي التنمية تقنية تجريبيةكان اختراع الشيخ كولوم في عام 1784 لموازين الالتواء الحساسة للغاية ، والتي لعبت دورا هامافي دراسة القوى طبيعة مختلفة. سمح هذا الجهاز لكولوم بتأسيس قانون التفاعل بين المغناطيس والشحنات الكهربائية (1785). خدمت قوانين كولوم كأساس لتطوير النظرية الرياضية للكهرباء الساكنة والمغناطيسية.

علاوة على ذلك ، بفضل تجارب L. Galvani (1789) و A. Volta (1792) ، تم اكتشاف الظواهر الكهربائية التلامسية ، والتي بدورها أدت إلى الاختراع. الخلايا الجلفانيةوالكشف عن التيار الكهربائي (1800).

اكتشف الباحثان الإنجليزيان أ.كارلايل و دبليو نيكولسون أن التيار الجلفاني ، الذي يمر عبر الماء ، يحللها إلى هيدروجين وأكسجين. تم إنشاء علاقة إثراء متبادل بين الفيزياء والكيمياء. الكهرباء آخذة في الارتفاع قيمة عمليةالذي يحفز مزيد من التطويرهذا الفرع من العلم.

يؤدي تحسين تصميم العمود الفولتية إلى اكتشاف إجراءات جديدة للتيار الكهربائي. في عام 1802 V. يتلقى بيتروف ، بمساعدة عمود فولطائي قوي ، قوسًا كهربائيًا. أدى قوس بتروف إلى ظهور عدد من التطبيقات الجديدة للتأثيرات الحرارية للتيار.

مع اكتشاف تأثير التيار على إبرة مغناطيسية ، أرسى H. Oersted (1820) الأساس لفصل جديد في نظرية الكهرباء - عقيدة الخواص المغناطيسيةالحالي ، مما جعل من الممكن تضمين المغناطيسية في نظرية موحدة للظواهر الكهرومغناطيسية.

استمرت دراسة التيار الكهربائي في التقدم بوتيرة متزايدة. لقد وجد أن عمل مغناطيسييتم تضخيم التيار إذا تم لف الموصل في دوامة. هذا فتح إمكانية تصميم عدادات التيار الكهرومغناطيسي.

في عام 1820 ، أنشأ A. Ampère قانونًا يتم بموجبه تحديد قوة التفاعل بين تيارين أوليين. بناءً على هذه الحقيقة التجريبية ، يفترض A. Ampère الطبيعة الكهربائية للمغناطيسية. يقترح أن " التيارات الكهربائية… توجد حول الجزيئات الموجودة في الحديد والنيكل والكوبالت بالفعل قبل المغنطة. ومع ذلك ، كونها موجهة في جميع الاتجاهات الممكنة ، لا يمكن أن تسبب أي عمل خارجي ناتج ، لأن بعضها يميل إلى جذب ما يصده الآخرون ... ". هكذا ظهرت فرضية التيارات الجزيئية في الفيزياء ، والتي كان عمقها كشف فقط في القرن العشرين.

في مزيد من البحوثبشأن الكهرباء ، أصبح القانون الذي وضعه الفيزيائي الألماني ج. أوم ، والذي أطلق عليه قانون أوم عام 1827 ، أداة فعالة.

خلال هذه الفترة بدأت النشاط العلميم. فاراداي. خاصة أهمية عظيمةفي تاريخ الفيزياء لها اكتشافان لفارادي: الظاهرة الحث الكهرومغناطيسي(1831) وقوانين التحليل الكهربائي (1834). قدم فاراداي هذه الاكتشافات اساس نظرىالعديد من التطبيقات الفنية للكهرباء. إ. Lenz على الحث الكهرومغناطيسي (قاعدة لينز) ووضع قانون للعمل الحراري للتيار (قانون جول لينز) ساهم في زيادة تطبيق عمليكهرباء.

ثبت تجريبياً أن القوى الكهربائية تعمل من خلال وسيط يملأ الفراغ بين الأجسام المتفاعلة. استكشاف التفاعل بين الهيئات المشحونة ، قدم فاراداي مفهوم القوى الكهربائيةخطوط جديدة وأعطت فكرة المجالات المغناطيسية والكهربائية - المساحات التي يتم فيها الكشف عن عمل القوى الكهربائية. يعتقد فاراداي أن المجالات الكهربائية والمغناطيسية تمثل حالات مشوهة لبعض الوسط عديم الوزن المخترق - الأثير.

وفقًا لفاراداي ، ليست الشحنة الكهربائية هي التي تعمل على الأجسام المحيطة ، ولكن خطوط القوة المرتبطة بالشحنة. بهذا طرح فاراداي فكرة نظرية الفعل قصير المدى ، والتي بموجبها ينتقل عمل بعض الأجسام على البعض الآخر من خلال بيئةبسرعة معينة.

في الستينيات سنوات XIXقرن D. ماكسويل تعميم نظرية فاراداي الكهربائية و المجالات المغناطيسيةوخلق نظرية موحدة للمجال الكهرومغناطيسي. يكمن المحتوى الرئيسي لهذه النظرية في معادلات ماكسويل ، التي تلعب نفس الدور في الكهرومغناطيسية مثل قوانين نيوتن في الميكانيكا.

وتجدر الإشارة إلى الأهمية الكبرى لعمل عدد من الفيزيائيين الروس أواخر التاسع عشرفي. على تأكيد تجريبينظريات ماكسويل. من بين هذه الدراسات ، تجارب P.N. ليبيديف حول كشف وقياس الضغط الخفيف (1901).

حتى نهاية القرن التاسع عشر. تم تمثيل الكهرباء على أنها سائل عديم الوزن. تتطلب مسألة ما إذا كانت الكهرباء منفصلة أم مستمرة تحليل المواد التجريبية وإعداد تجارب جديدة. يمكن رؤية فكرة التحفظ في الكهرباء في قوانين التحليل الكهربائي التي اكتشفها فاراداي. بناءً على هذه القوانين ، اقترح الفيزيائي الألماني ج. هيلمهولتز (1881) وجود أصغر أجزاء الشحنة الكهربائية. منذ ذلك الوقت ، بدأ تطوير النظرية الإلكترونية ، والتي فسرت ظواهر مثل الانبعاث الحراري ، وظهور أشعة الكاثود. يعود الفضل في إنشاء النظرية الإلكترونية بشكل أساسي إلى الفيزيائي الهولندي ج. لورنتز ، الذي في عمله "نظرية الإلكترونات" (1909) ربط عضوياً نظرية ماكسويل في المجال الكهرومغناطيسي بالخصائص الكهربائية للمادة ، واعتبر كمجموعة من الشحنات الكهربائية الأولية.

استنادًا إلى التمثيلات الإلكترونية في الربع الأول من القرن العشرين. طورت نظرية العوازل والمغناطيس. يتم حاليًا تطوير نظرية أشباه الموصلات. أدت دراسة الظواهر الكهربائية إلى النظرية الحديثة لبنية المادة. توجت نجاحات الفيزياء في هذا الاتجاه باكتشاف طرق لإطلاق الطاقة النووية ، والتي رفعت نوعيًا علوم وتكنولوجيا البشرية إلى مرحلة جديدة من التطور.

وتجدر الإشارة بشكل خاص إلى أنه في العديد من التطبيقات التقنية للكهرباء ، في نظرية الكهرباء والمغناطيسية ، تعود الأولوية للعاملين الروس في العلوم والتكنولوجيا. لذلك ، على سبيل المثال ، اخترع العلماء والمهندسون الروس واستخدموا لممارسة الطلاء الكهربائي والطلاء الكهربائي واللحام الكهربائي والإضاءة الكهربائية والمحركات الكهربائية والراديو. لقد طوروا العديد من الأسئلة التي ليست فقط ذات أهمية نظرية كبيرة ، ولكن أيضًا ذات أهمية عملية كبيرة. ويشمل ذلك فيزياء العوازل وأشباه الموصلات والمغناطيس وفيزياء تصريف الغاز والانبعاثات الحرارية والتأثير الكهروضوئي والتذبذبات الكهرومغناطيسية وموجات الراديو ، إلخ. في الآونة الأخيرةيتم تطوير مشاكل التحول المباشر طاقة شمسيةإلى طاقة كهربائية ، وإنشاء مصادر مغناطيسية هيدروديناميكية للكهرباء ، " خلايا الوقود". العلماء الروستلعب دورًا رائدًا في البحث الذي يهدف إلى حل أهم مشكلة علمية وتقنية في عصرنا - مشكلة إنشاء تفاعلات حرارية نووية مضبوطة باستخدام المجالات المغناطيسية والكهرومغناطيسية للعزل الحراري وتسخين غاز عالي التأين - بلازما.

من أجل مساهمة كبيرة في تطوير علوم العالم ، قام العلماء الروس - الفيزيائيون I.E. تامو ، إ. فرانك وبي. شيرينكوف (1958) ، د. لانداو (1962) ، ن. باسوف وأ. بروخوروف (1964) ، ب. Kapitsa (1978) ، ZhI Alferov (2000) ، V.L. Ginzburg و A.A. حصل أبريكوسوف (2003) على جوائز نوبيلي.

محاضرة 1. الكهرباء الساكنة في الفراغ
والجوهر. الحقل الكهربائي

موضوع الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية. الشحنة الكهربية وتقديرها. نظرية العمل القريب. قانون كولوم. شدة المجال الكهربائي. مبدأ تراكب المجالات الكهربائية. المجال الكهربائي لثنائي القطب. تدفق متجه لشدة المجال الكهروستاتيكي. نظرية Ostrogradsky-Gauss للمجال الكهربائي في الفراغ. عمل مجال كهربائي على حركة شحنة كهربائية. تداول متجه شدة المجال الكهربائي. طاقة الشحنة الكهربائية في مجال كهربائي. فرق الجهد والاحتمال في المجال الكهربائي. شدة المجال الكهربائي كتدرج لإمكاناته. الأسطح متساوية الجهد. المعادلات الأساسية للكهرباء الساكنة في الفراغ. بعض الأمثلة على المجالات الكهربائية التي تولدها أبسط أنظمة الشحنات الكهربائية.

موضوع الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية

تمت صياغة قوانين الديناميكا الكهربائية العيانية الكلاسيكية في معادلات ماكسويل ، والتي تسمح لك بتحديد قيم خصائص المجال الكهرومغناطيسي - شدة المجال الكهربائي هوالحث المغناطيسي في- في الفراغ وفي الأجسام العيانية ، اعتمادًا على توزيع الشحنات الكهربائية والتيارات في الفضاء.

يحدد التفاعل الكهرومغناطيسي بنية الأصداف الذرية ، التصاق الذرات في الجزيئات (قوى الرابطة الكيميائية) وتكوين المادة المكثفة (التفاعل بين الذرات ، التفاعل بين الجزيئات).

1.2 الشحنة الكهربية وتقديرها.
نظرية المدى القصير

أظهر تطور الفيزياء أن الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمادة تتحدد إلى حد كبير من خلال قوى التفاعل بسبب وجود وتفاعل الشحنات الكهربائية للجزيئات والذرات من المواد المختلفة.

من المعروف أنه يوجد في الطبيعة نوعان من الشحنات الكهربائية: موجبة وسالبة. يمكن أن توجد في شكل جسيمات أولية: الإلكترونات ، البروتونات ، البوزيترونات ، الأيونات الموجبة والسالبة ، إلخ ، وكذلك "الكهرباء الحرة" ، ولكن فقط في شكل إلكترونات. لذلك ، فإن الجسم الموجب الشحنة عبارة عن مجموعة من الشحنات الكهربائية مع نقص الإلكترونات ، والجسم سالب الشحنة - مع فائضها. تعوض شحنة العلامات المختلفة بعضها البعض ، لذلك ، في الأجسام غير المشحونة ، توجد دائمًا رسوم لكلتا العلامتين بكميات يتم تعويض تأثيرها الكلي.

عملية إعادة التوزيعتسمى الشحنات الموجبة والسالبة للأجسام غير المشحونة ، أو بين أجزاء منفصلة من نفس الجسم ، تحت تأثير عوامل مختلفة كهربة.

نظرًا لأن إعادة توزيع الإلكترونات الحرة تحدث أثناء التحويل الكهربائي ، على سبيل المثال ، فإن كلا الجسمين المتفاعلين مكهربان ، أحدهما موجب والآخر سالب. عدد الشحنات (الموجبة والسالبة) لم يتغير.

يشير هذا إلى استنتاج مفاده أن الشحنات لا تنشأ ولا تختفي ، بل يتم إعادة توزيعها فقط بين الأجسام المتفاعلة وأجزاء من نفس الجسم ، وتبقى دون تغيير كميًا.

هذا هو معنى قانون حفظ الشحنات الكهربائية ، والذي يمكن كتابته رياضياً كالآتي:

أولئك. في نظام معزول كهربائيًا ، يظل المجموع الجبري للشحنات الكهربائية ثابتًا.

يُفهم النظام المعزول كهربائيًا على أنه نظام لا يمكن لأي شحنات كهربائية أخرى اختراقه.

يجب ألا يغيب عن البال أن الشحنة الكهربائية الكلية لنظام معزول ثابتة نسبيًا ، منذ ذلك الحين المراقبون الموجودون في أي نظام إحداثيات بالقصور الذاتي ، يقيسون الشحنة ، يحصلون على نفس القيمة.

في عملية الكهربة ، تتغير الشحنة بشكل منفصل (كميًا) بقيمة شحنة الإلكترون. تكميم الشحنة هو قانون عالمي للطبيعة.

في الكهرباء الساكنة ، يتم دراسة خصائص وتفاعلات الشحنات غير المتحركة في الإطار المرجعي الذي توجد فيه.

في الفيزياء ، يُفهم التفاعل على أنه أي تأثير للأجسام أو الجسيمات على بعضها البعض ، مما يؤدي إلى تغيير في حالة حركتها أو إلى تغيير في موقعها في الفضاء. يوجد أنواع مختلفةالتفاعلات.

في ميكانيكا نيوتن ، يتسم الفعل المتبادل للأجسام ببعضها البعض بالقوة كميًا. السمة الأكثر عمومية للتفاعل هي الطاقة الكامنة.

يخلق كل جسيم مشحون كهربائيًا مجالًا كهرومغناطيسيًا يعمل على الجسيمات الأخرى ، أي ينتقل التفاعل من خلال "وسيط" - مجال كهرومغناطيسي. سرعة انتشار المجال الكهرومغناطيسي تساوي سرعة انتشار الضوء في الفراغ. نشأت نظرية جديدة للتفاعل - نظرية التفاعل قصير المدى.

بعد ظهور نظرية المجال الكمومي ، تغير مفهوم التفاعلات بشكل كبير.

وفقًا لنظرية الكم ، فإن أي مجال ليس مستمرًا ، ولكن له بنية منفصلة.

تصف نظرية الكم الحديثة للتفاعل الكهرومغناطيسي بشكل مثالي جميع الظواهر الكهرومغناطيسية المعروفة.

في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي ، تم بناء نظرية موحدة للتفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة (ما يسمى بالتفاعل الكهروضعيف) للبتونات والكواركات.

النظرية الحديثة للتفاعل القوي هي الديناميكا اللونية الكمومية.

تُبذل محاولات لدمج القوة الكهروضعيفة والتفاعلات القوية فيما يسمى بـ "التوحيد العظيم" ، بالإضافة إلى تضمينها في مخطط واحد للتفاعل الثقالي.