Kutoka kwa historia ya electrodynamics. Michakato ya umeme ya stationary

Hotuba ya 1

Mada ya electrodynamics ya classical. Uwanja wa umeme. Mvutano uwanja wa umeme.

Mada ya electrodynamics. Electrodynamics - tawi la fizikia linalosoma mwingiliano chembe chembe za umeme na aina maalum ya maada inayotokana na chembe hizi - uwanja wa sumakuumeme .

1. ELECTROSTATIS

Electrostatics- tawi la electrodynamics ambayo inasoma mwingiliano miili ya kushtakiwa iliyosimama . Sehemu ya umeme inayofanya mwingiliano huu inaitwa umemetuamo .

1.1. Gharama za umeme.

Mbinu za kupata malipo. Sheria ya uhifadhi wa malipo ya umeme.

Kwa asili kuna aina mbili za malipo ya umeme, kwa kawaida huitwa chanya na hasi. Kihistoria, ni desturi kuita malipo chanya mada zinazofanana, ambayo hutokea wakati kioo kikisugua kwenye hariri; hasi - mashtaka sawa na yale yanayotokea wakati amber inasuguliwa kwenye manyoya. Malipo ya ishara sawa huwafukuza kila mmoja, malipo ya ishara tofauti huvutia (Mchoro 1.1).

Kimsingi malipo ya umeme kiatomi (kabisa). Hii ina maana kwamba katika asili kuna malipo madogo, yasiyogawanyika, inayoitwa msingi. Ukubwa msingi malipo kwa thamani kamili katika SI:

Chaji za umeme ni asili katika chembe nyingi za msingi, haswa, elektroni na protoni, ambazo ni sehemu ya atomi anuwai ambayo miili yote katika maumbile hujengwa. Ikumbukwe, hata hivyo, kwamba kulingana na mawazo ya kisasa chembe zinazoingiliana sana - hadrons (mesons na baryons) - zimejengwa kutoka kwa kinachojulikana. quarks – chembe maalum, kubeba sehemu malipo. Hivi sasa, aina sita za quarks zinajulikana - u, d, s, t, b na c - kulingana na herufi za kwanza za maneno: juu-juu, chini-chini, njia ya upande- upande (au ajabu- ajabu), juu-juu, chini- uliokithiri na haiba-enye haiba. Quarks hizi zimegawanywa katika jozi: (u,d), (c,s), (t,b). Quarks u, c, t ina malipo ya +2/3, na malipo ya quarks d, s, b ni sawa na - 1/3. Kila quark ina yake mwenyewe antiquark. Kwa kuongeza, kila moja ya quarks inaweza kuwa katika moja ya majimbo matatu ya rangi (nyekundu, njano na bluu). Mesons hujumuisha quarks mbili, baryons - ya tatu. Katika hali ya bure, quarks haijazingatiwa. Hii inaruhusu sisi kuzingatia kwamba malipo ya msingi katika asili bado nambari kamili malipo e, lakini sivyo sehemu malipo ya quark. Malipo ya miili ya macroscopic huundwa na mchanganyiko malipo ya msingi na iko hivi tarakimu kamili ya e.

Kufanya majaribio na malipo ya umeme, tumia njia mbalimbali kuwapokea. Njia rahisi na ya zamani zaidi ni kusugua baadhi ya miili na wengine. Katika kesi hii, msuguano yenyewe haina jukumu la msingi hapa. Malipo ya umeme daima hutokea wakati nyuso za miili ya kuwasiliana zinawasiliana kwa karibu. Msuguano (kusaga) husaidia tu kuondokana na kutofautiana juu ya uso wa miili ya kuwasiliana, ambayo inazuia kufaa kwao kwa karibu kwa kila mmoja, ambayo hujenga hali nzuri kwa uhamisho wa malipo kutoka kwa mwili mmoja hadi mwingine. Njia hii ya kuzalisha chaji za umeme ni msingi wa uendeshaji wa baadhi ya mashine za umeme, kwa mfano, jenereta ya umemetuamo ya Van de Graaff (Van de Graaff R., 1901-1967), inayotumiwa katika fizikia ya juu ya nishati.

Njia nyingine ya kupata malipo ya umeme inategemea matumizi ya jambo hilo uingizwaji wa kielektroniki . Kiini chake kinaonyeshwa kwenye Mchoro 1.2. Hebu tulete kwa kugawanywa katika nusu mbili bila chaji mwili wa chuma (bila kugusa) mwili mwingine, kushtakiwa, kusema, vyema. Kwa sababu ya kuhamishwa kwa sehemu fulani ya elektroni zilizochajiwa hasi za bure zilizopo kwenye chuma, nusu ya kushoto ya mwili wa asili itapata malipo hasi ya ziada, na nusu ya kulia itapata malipo chanya ya ukubwa sawa, lakini kinyume chake. ishara. Ikiwa sasa, mbele ya mwili wa kushtakiwa wa nje, tunasonga nusu zote mbili kwa mwelekeo tofauti na kuondoa mwili ulioshtakiwa, basi kila mmoja wao atageuka kuwa. kushtakiwa. Kwa hivyo, tutapata vyombo viwili vipya vinavyotozwa malipo sawa kwa ukubwa na kinyume katika ishara.

Kwa upande wetu, malipo ya jumla ya mwili wa asili hayakubadilika kabla na baada ya jaribio - ilibaki sawa na sifuri:

q = q - + q + = 0

1.2. Mwingiliano wa malipo ya umeme.

Sheria ya Coulomb. Utumiaji wa sheria ya Coulomb kukokotoa nguvu za mwingiliano wa miili iliyoongezewa chaji.

Sheria ya mwingiliano wa malipo ya umeme ilianzishwa mwaka 1785 na Charles Coulomb (CoulombSh., 1736-1806). Coulomb alipima nguvu ya mwingiliano kati ya mipira miwili midogo iliyochajiwa kulingana na ukubwa wa chaji na umbali kati yao kwa kutumia mizani ya msokoto aliyotengeneza mahususi (Mchoro 1.3). Kama matokeo ya majaribio yake, Coulomb alianzisha hilo nguvu ya mwingiliano kati ya malipo ya nukta mbili ni sawia moja kwa moja na saizi ya kila moja ya chaji na inalingana kinyume na mraba wa umbali kati yao, wakati mwelekeo wa nguvu unalingana na mstari wa moja kwa moja unaopitia chaji zote mbili.:

Kwa maneno mengine, tunaweza kuandika:

Mgawo wa uwiano k inategemea uchaguzi wa vitengo vya kipimo vilivyojumuishwa katika fomula hii:

Sasa inakubaliwa kwa ujumla Mfumo wa kimataifa vitengo vya kipimo (SI), sheria ya Coulomb kwa hivyo imeandikwa kama:

Ni muhimu kusisitiza tena kwamba katika fomu hii sheria ya Coulomb imeundwa tu kwa malipo ya uhakika, yaani, miili hiyo iliyoshtakiwa ambayo vipimo vinaweza kupuuzwa kwa kulinganisha na umbali kati yao. Ikiwa hali hii haijafikiwa, basi sheria ya Coulomb lazima iandikwe fomu tofauti kwa kila jozi ya malipo ya msingi dq1 na dq2 ambayo miili inayotozwa "huvunjwa":

Kisha jumla ya nguvu ya mwingiliano kati ya miili miwili iliyoshtakiwa kwa macroscopic itawasilishwa kwa fomu:

Ujumuishaji katika fomula hii unafanywa kwa gharama zote za kila mwili.
Mfano. Tafuta nguvu F inayotenda kwa malipo ya uhakika Q kutoka kwa upande wa uzi uliopanuliwa wa mstatili wa kushtakiwa (Mchoro 1.4). Umbali kutoka kwa malipo hadi kwenye thread ni, wiani wa malipo ya mstari wa thread ni τ.

Nguvu inayohitajika ni F = Fx= Qτ/(2πε0a).

1.3. Uwanja wa umeme. Nguvu ya uwanja wa umeme. Kanuni ya superposition ya mashamba ya umeme.
Uingiliano wa malipo ya umeme unafanywa kwa njia ya aina maalum ya suala linalozalishwa na chembe za kushtakiwa - uwanja wa umeme. Chaji za umeme hubadilisha mali ya nafasi inayowazunguka. Hii inajidhihirisha kwa ukweli kwamba nguvu hufanya juu ya malipo mengine yaliyowekwa karibu na mwili ulioshtakiwa (hebu tuiite malipo ya mtihani) (Mchoro 1.5). Kwa ukubwa wa nguvu hii mtu anaweza kuhukumu "nguvu" ya shamba iliyoundwa na malipo q. Ili nguvu inayofanya kazi kwenye malipo ya mtihani iangaze uwanja wa umeme kwa usahihi katika sehemu fulani katika nafasi, malipo ya mtihani lazima yawe malipo ya uhakika.

Mchoro.1.5. Kuelekea uamuzi wa nguvu ya uwanja wa umeme.
Baada ya kuweka malipo ya mtihani qpr kwa umbali fulani r kutoka kwa malipo q (Mchoro 1.5), tutaona kwamba inafanywa na nguvu ambayo ukubwa wake ni.

inategemea saizi ya malipo ya jaribio iliyochukuliwa qpr. Ni rahisi, hata hivyo, kuona kwamba kwa malipo yote ya mtihani uwiano F / qpr itakuwa sawa na inategemea tu maadili ya q na r, ambayo huamua uwanja wa malipo q katika hatua fulani r. Kwa hivyo, ni kawaida kuchukua uwiano huu kama thamani inayoashiria "nguvu" au, kama wanasema, nguvu ya uwanja wa umeme (katika kesi hii, uwanja wa malipo ya uhakika):
.
Kwa hivyo, nguvu ya uwanja wa umeme ni tabia yake ya nguvu. Kwa nambari, ni sawa na nguvu inayofanya kazi kwenye malipo ya jaribio qpr = +1 iliyowekwa kwenye uwanja fulani.
Nguvu ya shamba ni vekta. Mwelekeo wake unafanana na mwelekeo wa vector ya nguvu inayofanya kazi kwenye malipo ya uhakika iliyowekwa kwenye uwanja huu. Kwa hivyo, ikiwa malipo ya uhakika q yamewekwa kwenye uwanja wa nguvu wa umeme, basi nguvu itachukua hatua juu yake:

Kipimo cha nguvu ya uwanja wa umeme katika SI:.
Ni rahisi kuwakilisha uwanja wa umeme kwa kutumia mistari ya nguvu. Mstari wa nguvu ni mstari ambao vekta ya tangent katika kila hatua inafanana na mwelekeo wa vector ya nguvu ya shamba la umeme katika hatua hiyo. Inakubaliwa kwa ujumla kuwa mistari ya nguvu anza kwa malipo chanya na kuishia kwa malipo hasi (au nenda kwa infinity) na hazikatizwi popote. Mifano ya mistari ya nguvu ya baadhi ya mashamba ya umeme yanaonyeshwa kwenye Mchoro 1.6.
Mchoro.1.6. Mifano ya kuonyesha mashamba ya umeme kwa kutumia mistari ya nguvu: malipo ya uhakika (chanya na hasi), dipole, uwanja wa umeme sare.
Sehemu ya umeme iko chini ya kanuni ya uwekaji juu (nyongeza), ambayo inaweza kutengenezwa kama ifuatavyo: ukubwa wa uwanja wa umeme ulioundwa kwa wakati fulani wa nafasi na mfumo wa malipo ni sawa na jumla ya vekta ya ukali wa sehemu za umeme zilizoundwa kwa sehemu sawa katika nafasi na kila chaji kando:

Mfano. Pata nguvu ya uga wa umeme E ya dipole (mfumo wa malipo ya pointi mbili zilizounganishwa kwa uthabiti ishara kinyume) kwa hatua iko umbali r1 kutoka kwa malipo - q na kwa umbali r2 kutoka kwa malipo + q (Mchoro 1.7). Umbali kati ya chaji (mkono wa dipole) ni sawa na l.

Mchoro.1.7. Kuelekea hesabu ya nguvu ya uwanja wa umeme wa mfumo wa malipo ya pointi mbili.

Kutoka kwa historia ya electrodynamics

Kozi ya jumla ya fizikia (mihadhara)

Sehemu ya II Electrodynamics

Moscow, 2003

Hotuba ya 1 "Misingi ya umemetuamo"

Muhtasari wa hotuba

1. Utangulizi. Mada ya electrodynamics ya classical.

a. Kutoka kwa historia ya electrodynamics.

b. Electrodynamics na maendeleo ya kisayansi na kiteknolojia.

2. Malipo ya umeme.

a. Mali ya malipo ya umeme.

b. Sheria ya Coulomb.

3. Uwanja wa umeme.

a. Mawazo karibu karibu na hatua kwa mbali.

b. Nguvu ya uwanja wa umeme. Sehemu ya malipo ya pointi. Uwakilishi wa picha mashamba ya umeme.

4. Kanuni ya superposition ya mashamba ya umeme.

a. Uwanja wa dipole.

b. Sehemu ya nyuzi iliyochajiwa isiyo na kikomo.

Utangulizi. Mada ya electrodynamics ya classical

Kutoka kwa historia ya electrodynamics

Mbalimbali za umeme na matukio ya sumaku ambayo watu wameyaona tangu zamani daima yameamsha udadisi na shauku yao. Hata hivyo, "kuchunguza" haimaanishi "kuchunguza".

Hatua za kwanza za kisayansi katika utafiti wa umeme na sumaku zilifanywa tu mwishoni mwa karne ya 16 na daktari wa Malkia Elizabeth wa Uingereza, William Gilbert (1540 - 1603). Katika monograph yake "Kwenye Sumaku, Miili ya Sumaku na Sumaku Kubwa - Dunia," Gilbert alianzisha kwanza dhana ya "uwanja wa sumaku wa Dunia"... Akifanya majaribio na nyenzo mbalimbali, aligundua kwamba sio tu amber iliyopigwa kwenye hariri ina mali ya kuvutia vitu vya mwanga, lakini pia miili mingine mingi: almasi, kioo, resin, sulfuri, nk. Aliviita vitu hivyo “vya umeme,” yaani, “kama kaharabu.” Hivi ndivyo neno "umeme" lilivyotokea.

Nadharia ya kwanza matukio ya umeme Mtafiti wa Kifaransa Charles Dufay (1698 - 1739) alijaribu kuunda. Aligundua kuwa kuna aina mbili za umeme: "Aina moja," aliandika, "niliita umeme wa "glasi", nyingine "resin" umeme. Upekee wa aina hizi mbili za umeme ni kufukuza kile kinachofanana nayo na kuvutia kinyume chake...” (1733).

Nadharia ya umeme iliendelezwa zaidi katika kazi za mwanasayansi wa Marekani Benjamin Franklin (1706 - 1790). Alianzisha wazo la umeme "chanya" na "hasi", akaanzisha sheria ya uhifadhi wa malipo ya umeme, akachunguza "umeme wa anga", na akapendekeza wazo la fimbo ya umeme. Mstari mzima aliyeumbwa naye vifaa vya majaribio zimekuwa za kitambo na zimekuwa zikipamba maabara za fizikia kwa zaidi ya miaka 200 taasisi za elimu(kwa mfano, "gurudumu la Franklin").

Mnamo 1785, mtafiti wa Ufaransa Charles Coulomb (1736 - 1806) alianzisha kwa majaribio sheria ya mwingiliano wa chaji za umeme na baadaye - miti ya sumaku. Sheria ya Coulomb ni msingi wa umemetuamo. Hatimaye alifanya iwezekanavyo kuanzisha kitengo cha kipimo kwa malipo ya umeme na raia wa magnetic. Ugunduzi wa sheria hii ulichochea maendeleo nadharia ya hisabati matukio ya umeme na magnetic.

Hata hivyo, kwa muda mrefu (tangu wakati wa Gilbert) iliaminika kuwa umeme na magnetism hawana kitu sawa. Mnamo 1820 tu, Dane Hans Oersted (1777 - 1851) aligundua athari ya sasa ya umeme kwenye sindano ya sumaku, ambayo alielezea na ukweli kwamba "vortex ya sumaku huundwa karibu na waya inayobeba sasa." Kwa maneno mengine, Oersted aligundua kuwa sasa umeme ndio chanzo cha uwanja wa sumaku. Msimamo huu ukawa wa kwanza wa sheria mbili za msingi za electrodynamics. Ya pili ilianzishwa kwa majaribio na mwanafizikia wa Kiingereza Michael Faraday (1791 - 1867). Mnamo mwaka wa 1831, aliona kwa mara ya kwanza jambo la "induction ya magnetoelectric", wakati umeme uliosababishwa ulipotokea katika mzunguko wa uendeshaji wakati wa kubadilisha. flux ya magnetic kutoboa contour hii.

Mwishoni mwa karne ya 19, matokeo yaliyotawanyika ya tafiti za matukio ya sumakuumeme yalifupishwa na mwanafizikia mchanga wa Uskoti James Clarke Maxwell (1831 - 1879). Aliumba nadharia ya classical electrodynamics, ambayo, hasa, alitabiri kuwepo mawimbi ya sumakuumeme, kuweka mbele wazo la asili ya sumakuumeme ya mwanga, kukokotoa msongamano wa nishati ya ujazo wa wimbi la sumakuumeme, na kukokotoa shinikizo ambalo wimbi la sumakuumeme linapaswa kutoa linapoanguka kwenye uso unaonyonya.

Mada ya electrodynamics ya classical

Classical electrodynamics ni nadharia inayoelezea tabia ya uwanja wa sumakuumeme ambayo hubeba mwingiliano wa sumakuumeme kati ya chaji za umeme.

Sheria za electrodynamics ya classical macroscopic imeundwa katika milinganyo ya Maxwell, ambayo inafanya uwezekano wa kuamua maadili ya sifa za uwanja wa umeme: nguvu ya uwanja wa umeme. E na induction ya sumaku KATIKA katika utupu na katika miili ya macroscopic, kulingana na usambazaji wa malipo ya umeme na mikondo katika nafasi.

Mwingiliano wa chaji za umeme zilizosimama huelezewa na milinganyo ya umemetuamo, ambayo inaweza kupatikana kama matokeo ya milinganyo ya Maxwell.

Sehemu ndogo ya sumakuumeme inayoundwa na chembe chembe zinazochajiwa hubainishwa katika mienendo ya zamani ya kieletroniki na milinganyo ya Lorentz-Maxwell, ambayo ni msingi wa nadharia ya kitakwimu ya michakato ya sumakuumeme katika miili mikroskopu. Ukadiriaji wa milinganyo hii husababisha milinganyo ya Maxwell.

Miongoni mwa aina zote zinazojulikana za mwingiliano, mwingiliano wa sumakuumeme huchukua nafasi ya kwanza kwa upana na udhihirisho anuwai. Hii ni kutokana na ukweli kwamba miili yote imejengwa kutoka kwa chembe za umeme (chanya na hasi), mwingiliano wa umeme kati ya ambayo, kwa upande mmoja, ni amri nyingi za ukubwa zaidi kuliko mwingiliano wa mvuto na dhaifu, na kwa upande mwingine. , ni ya muda mrefu, tofauti na mwingiliano mkali.

Mwingiliano wa sumakuumeme huamua muundo wa makombora ya atomiki, mshikamano wa atomi ndani ya molekuli (nguvu). dhamana ya kemikali) na uundaji wa jambo lililofupishwa (mwingiliano wa interatomic, mwingiliano wa intermolecular).

Sheria za electrodynamics ya classical hazitumiki kwa mzunguko wa juu na, ipasavyo, urefu mfupi wa mawimbi ya umeme, i.e. kwa michakato inayotokea kwa vipindi vidogo vya muda wa nafasi. Katika kesi hii, sheria za electrodynamics ya quantum ni halali.

1.2. Chaji ya umeme na uwazi wake.
Nadharia ya masafa mafupi

Maendeleo ya fizikia yameonyesha kuwa kimwili na Tabia za kemikali dutu kwa kiasi kikubwa imedhamiriwa na nguvu za mwingiliano unaosababishwa na uwepo na mwingiliano wa malipo ya umeme ya molekuli na atomi za vitu mbalimbali.

Inajulikana kuwa katika asili kuna aina mbili za malipo ya umeme: chanya na hasi. Wanaweza kuwepo kwa fomu chembe za msingi: elektroni, protoni, positroni, ions chanya na hasi, nk, pamoja na "umeme wa bure," lakini tu kwa namna ya elektroni. Kwa hiyo, mwili ulio na chaji chanya ni mkusanyiko wa malipo ya umeme na ukosefu wa elektroni, na mwili ulioshtakiwa vibaya ni ziada yao. Malipo ya ishara tofauti hulipa fidia, kwa hiyo, katika miili isiyo na malipo daima kuna malipo ya ishara zote mbili kwa kiasi kwamba athari yao ya jumla inalipwa.

Mchakato wa ugawaji upya chanya na mashtaka hasi miili isiyochajiwa, au kati ya sehemu tofauti za mwili huo, chini ya ushawishi mambo mbalimbali kuitwa umeme.

Kwa kuwa wakati wa kusambaza umeme kuna ugawaji elektroni za bure, basi, kwa mfano, miili yote inayoingiliana ina umeme, mmoja wao ni chanya na mwingine hasi. Idadi ya malipo (chanya na hasi) bado haijabadilika.

Hii inasababisha hitimisho kwamba ada hazijaundwa wala kuharibiwa, lakini zinasambazwa tena kati ya miili inayoingiliana na sehemu za mwili sawa, katika kiasi iliyobaki bila kubadilika.

Hii ndio maana ya sheria ya uhifadhi wa malipo ya umeme, ambayo inaweza kuandikwa kihisabati kama ifuatavyo:

hizo. katika mfumo wa pekee jumla ya algebra malipo ya umeme kubaki mara kwa mara.

Mfumo uliotengwa unaeleweka kama mfumo kupitia mipaka ambayo hakuna dutu nyingine hupenya, isipokuwa fotoni za mwanga na neutroni, kwani hazibeba chaji.

Ni lazima ikumbukwe kwamba malipo ya jumla ya umeme ya mfumo wa pekee ni tofauti, kwa sababu. waangalizi walio katika eneo lolote mfumo wa inertial kuratibu, kupima malipo, wanapata thamani sawa.

Majaribio kadhaa, haswa sheria za elektrolisisi, majaribio ya Millikan na tone la mafuta, yalionyesha kuwa kwa asili chaji za umeme ni tofauti kwa malipo ya elektroni. Chaji yoyote ni nambari kamili ya chaji ya elektroni.

Wakati wa mchakato wa umeme, malipo hubadilika kwa uwazi (quantized) na kiasi cha malipo ya elektroni. Kuhesabu malipo ni sheria ya ulimwengu ya asili.

Katika umemetuamo, mali na mwingiliano wa malipo ambayo yamesimama katika sura ya kumbukumbu ambayo ziko husomwa.

Uwepo wa malipo ya umeme katika miili husababisha kuingiliana na miili mingine iliyoshtakiwa. Katika kesi hii, miili iliyoshtakiwa vile vile hufukuza, na miili iliyoshtakiwa kinyume huvutia.

Nadharia ya mwingiliano wa masafa mafupi ni nadharia mojawapo ya mwingiliano katika fizikia. Katika fizikia, mwingiliano unaeleweka kama ushawishi wowote wa miili au chembe kwa kila mmoja, na kusababisha mabadiliko katika hali ya mwendo wao.

Katika mechanics ya Newton, hatua ya kuheshimiana ya miili kwa kila mmoja inaonyeshwa kwa kiasi kikubwa na nguvu. Zaidi tabia ya jumla mwingiliano ni nishati inayowezekana.

Hapo awali, fizikia ilianzisha wazo kwamba mwingiliano kati ya miili unaweza kufanywa moja kwa moja kupitia nafasi tupu, ambayo haishiriki katika upitishaji wa mwingiliano. Uhamisho wa mwingiliano hutokea mara moja. Kwa hivyo, iliaminika kuwa harakati ya Dunia inapaswa kusababisha mara moja mabadiliko katika nguvu ya mvuto inayofanya kazi kwenye Mwezi. Hii ndio ilikuwa maana ya ile inayoitwa nadharia ya mwingiliano, inayoitwa nadharia ya vitendo vya masafa marefu. Walakini, maoni haya yaliachwa kama sio kweli baada ya ugunduzi na uchunguzi wa uwanja wa sumakuumeme.

Imethibitishwa kuwa mwingiliano wa miili ya kushtakiwa kwa umeme sio mara moja na harakati ya chembe moja ya kushtakiwa husababisha mabadiliko katika nguvu zinazofanya kazi kwenye chembe nyingine, si kwa wakati huo huo, lakini tu baada ya muda wa mwisho.

Kila chembe ya kushtakiwa kwa umeme huunda uwanja wa umeme unaofanya kazi kwenye chembe nyingine, i.e. mwingiliano hupitishwa kupitia "mpatanishi" - uwanja wa sumakuumeme. Kasi ya uenezi wa uwanja wa umeme ni sawa na kasi ya uenezi wa mwanga katika utupu. Iliamka nadharia mpya nadharia ya mwingiliano wa mwingiliano wa masafa mafupi.

Kulingana na nadharia hii, mwingiliano kati ya miili hufanywa kupitia nyanja fulani (kwa mfano, mvuto kupitia uwanja wa mvuto) unaosambazwa kila wakati kwenye nafasi.

Baada ya ujio wa nadharia ya uwanja wa quantum, wazo la mwingiliano lilibadilika sana.

Kulingana na nadharia ya quantum, uwanja wowote hauendelei, lakini una muundo tofauti.

Kwa sababu ya uwili wa chembe ya wimbi, kila uwanja unalingana na chembe fulani. Chembe zinazochajiwa huendelea kutoa na kunyonya fotoni, ambazo huunda uga wa sumakuumeme unaozizunguka. Uingiliano wa umeme katika nadharia ya uwanja wa quantum ni matokeo ya kubadilishana kwa chembe na photons (quanta) ya uwanja wa umeme, i.e. fotoni ni wabebaji wa mwingiliano kama huo. Vile vile, aina nyingine za mwingiliano hutokea kama matokeo ya kubadilishana kwa chembe na quanta ya mashamba yanayolingana.

Licha ya anuwai ya ushawishi wa miili kwa kila mmoja (kulingana na mwingiliano wa chembe za msingi zinazounda), kwa maumbile, kulingana na data ya kisasa, kuna aina nne tu za mwingiliano wa kimsingi: mvuto, dhaifu, sumakuumeme na nguvu (katika. utaratibu wa kuongezeka kwa kasi ya mwingiliano). Nguvu ya mwingiliano imedhamiriwa na viunga vya kushikamana (haswa, malipo ya umeme kwa mwingiliano wa sumakuumeme ni safu ya kuunganisha).

Kisasa nadharia ya quantum mwingiliano wa sumakuumeme huelezea kikamilifu matukio yote yanayojulikana ya sumakuumeme.

Imejengwa zaidi katika miaka ya 60 na 70 nadharia ya umoja mwingiliano dhaifu na sumakuumeme (kinachojulikana mwingiliano dhaifu wa umeme) wa leptoni na quarks.

Nadharia ya kisasa mwingiliano mkali ni chromodynamics ya quantum.

Majaribio yanafanywa ili kuchanganya udhaifu wa elektroni na mwingiliano wenye nguvu katika kile kinachoitwa "Umoja Mkuu", pamoja na kuwajumuisha katika mpango mmoja mwingiliano wa mvuto.

Vidokezo vya mihadhara

Imeidhinishwa na Baraza la Uhariri na Uchapishaji la Chuo Kikuu kama maelezo ya mihadhara

Wakaguzi:

Daktari wa Sayansi ya Kimwili na Hisabati, Mkuu. Idara ya Teknolojia na Uchumi ya KSTU, profesa A.A. Rodionov

Mgombea wa Sayansi ya Fizikia na Hisabati, Mkuu. idara
Fizikia ya Jumla KSU Yu.A. Neruchev

Mgombea sayansi ya kiufundi, Meneja Idara ya Fizikia KSHA
DI. Yakirevich

Polunin V.M., Sychev G.T.

Fizikia. Electrostatics. Umeme wa moja kwa moja: Vidokezo vya hotuba / Kursk. jimbo teknolojia. chuo kikuu. Kursk, 2003. 196 p.

Vidokezo vya mihadhara vimeundwa kulingana na mahitaji ya Kiwango cha Kielimu cha Jimbo-2000, Mpango wa sampuli nidhamu "Fizikia" (2000) na programu ya kazi katika fizikia kwa wanafunzi wa uhandisi na utaalam wa kiufundi wa KSTU (2000).

Uwasilishaji wa nyenzo katika kazi hii unadhani kwamba wanafunzi wana ujuzi wa fizikia na hisabati ndani ya upeo wa mtaala wa shule, umakini mkubwa huzingatia maswali magumu kuelewa, na kurahisisha wanafunzi kujiandaa kwa mtihani.

Vidokezo vya mihadhara juu ya umemetuamo na mkondo wa umeme wa moja kwa moja ni lengo kwa wanafunzi wa uhandisi na utaalam wa kiufundi wa aina zote za masomo.

Il. 96. Bibliografia: Majina 11.

Jimbo la Kursk
Chuo Kikuu cha Ufundi, 2003

О Polunin V.M., Sychev G.T., 2003

Utangulizi... 7

Hotuba ya 1. Electrostatics katika utupu na jambo. Sehemu ya umeme 12

1.1. Mada ya mienendo ya zamani ya elektroni.. 12

1.2. Chaji ya umeme na uwazi wake. Nadharia ya vitendo vya masafa mafupi. 13

1.3. Sheria ya Coulomb. Nguvu ya uwanja wa umeme. Kanuni ya nafasi ya juu ya sehemu za umeme.. 16

1.4. Mtiririko wa vekta ya nguvu ya uga wa kielektroniki. 22

1.5. Nadharia ya Ostrogradsky-Gauss kwa uwanja wa umeme katika utupu. 24

1.6. Kazi ya uwanja wa umeme kusonga chaji ya umeme. Mzunguko wa vector ya nguvu ya shamba la umeme. 25

1.7. Nishati ya malipo ya umeme katika uwanja wa umeme. 26

1.8. Tofauti inayowezekana na inayowezekana ya uwanja wa umeme. Uhusiano kati ya nguvu ya uwanja wa umeme na uwezo wake.. 28

1.9. Nyuso za equipotential.. 30

1.10. Milinganyo ya kimsingi ya tungo za kielektroniki kwenye utupu. 32

1.11. Baadhi ya mifano ya mashamba ya umeme yanayotokana na mifumo rahisi zaidi ya malipo ya umeme. 33

Hotuba ya 2. Makondakta katika uwanja wa umeme.. 42

2.1. Makondakta na uainishaji wao. 42

2.2. Sehemu ya umeme katika cavity ya kondakta bora na kwenye uso wake. Ulinzi wa umeme. Usambazaji wa malipo katika ujazo wa kondakta na juu ya uso wake.. 43

2.3. Uwezo wa umeme wa kondakta pekee na yake maana ya kimwili. 46

2.4. Capacitors na uwezo wao. 47

2.5. Viunganisho vya capacitor. 51

2.6. Uainishaji wa capacitors. 54

Hotuba ya 3. Sehemu ya umeme tuli katika maada.. 55

3.1. Dielectrics. Molekuli za polar na zisizo za polar. Dipole katika uwanja wa umeme wa homogeneous na inhomogeneous. 55

3.2. Gharama za bure na zilizofungwa (polarization) katika dielectrics. Polarization ya dielectrics. Vekta ya polarization (polarization) 58

3.3. Shamba katika dielectrics. Upendeleo wa umeme. Unyeti wa dielectric wa dutu. Jamaa mara kwa mara ya dielectric mazingira. Nadharia ya Ostrogradsky-Gauss kwa mtiririko wa vector ya induction ya shamba la umeme. 61

3.4. Masharti katika kiolesura kati ya dielectri mbili. 63

3.5. Umeme. Athari ya piezoelectric. Ferroelectrics, mali zao na matumizi. Athari ya umeme. 65

3.6. Equations ya msingi ya electrostatics ya dielectrics. 72

Hotuba ya 4. Nishati ya uwanja wa umeme... 75

4.1. Nishati ya mwingiliano wa malipo ya umeme. 75

4.2. Nishati ya kondakta kushtakiwa, dipole katika uwanja wa nje wa umeme, mwili wa dielectric katika uwanja wa nje wa umeme, capacitor iliyoshtakiwa. 77

4.3. Nishati ya uwanja wa umeme. Wingi Wingi nishati ya uwanja wa umeme 81

4.4. Vikosi vinavyofanya kazi kwenye miili yenye chaji kubwa iliyowekwa kwenye uwanja wa umeme. 82

Hotuba ya 5. Mkondo wa umeme wa moja kwa moja... 84

5.1. Mkondo wa umeme wa mara kwa mara. Vitendo vya msingi na masharti ya kuwepo mkondo wa moja kwa moja. 84

5.2. Tabia kuu za sasa za umeme za moja kwa moja: ukubwa / nguvu / sasa, wiani wa sasa. Vikosi vya nje.. 85

5.3. Nguvu ya umeme(EMF), voltage na tofauti inayowezekana. Maana yao ya kimwili. Uhusiano kati ya EMF, voltage na tofauti inayowezekana. 90

Hotuba ya 6. Nadharia ya classical ya elektroniki ya conductivity ya metali. Sheria za mkondo wa moja kwa moja.. 92

6.1. Nadharia ya elektroniki ya classical ya conductivity ya umeme ya metali na yake uhalali wa majaribio. Sheria ya Ohm katika tofauti
na fomu muhimu. 92

6.2. Upinzani wa umeme makondakta. Mabadiliko katika upinzani wa kondakta kulingana na joto na shinikizo. Superconductivity. 98

6.3. Uunganisho wa upinzani: mfululizo, sambamba, mchanganyiko. Ufungaji wa vyombo vya kupimia vya umeme. Upinzani wa ziada kwa vyombo vya kupimia vya umeme.. 104

6.4. Sheria za Kirchhoff (sheria) na matumizi yao kwa hesabu ya rahisi zaidi nyaya za umeme 108

6.5. Sheria ya Joule-Lenz katika aina tofauti na muhimu. 110

6.6. Nishati iliyotolewa katika mzunguko wa DC. Mgawo hatua muhimu(ufanisi) wa chanzo cha sasa cha moja kwa moja. 112

Hotuba ya 7. Mkondo wa umeme katika ombwe, gesi na vimiminika.. 115

7.1. Umeme wa sasa katika utupu. Utoaji wa thermionic. 115

7.2. Uzalishaji wa sekondari na autoelectronic. 122

7.3. Umeme wa sasa katika gesi. Michakato ya ionization na uchanganyaji upya.. 124

7.4. Dhana ya plasma. Mzunguko wa plasma. Urefu wa deby. Uendeshaji wa umeme wa plasma 142

7.5. Electrolytes. Electrolysis. Sheria za electrolysis. 149

7.6. Uwezo wa kemikali ya kielektroniki.. 151

7.7. Umeme wa sasa kupitia elektroliti. Sheria ya Ohm kwa elektroliti. 152

Mhadhara wa 8. Elektroni katika fuwele... 161

8.1. Nadharia ya quantum ya conductivity ya umeme ya metali. Kiwango cha Fermi. Vipengele vya nadharia ya bendi ya fuwele. 161

8.2. Jambo la superconductivity kutoka kwa mtazamo wa nadharia ya Fermi-Dirac. 170

8.3. Conductivity ya umeme ya semiconductors. Dhana ya conductivity ya shimo. Semiconductors ya ndani na ya uchafu. Dhana ya makutano ya p-n. 171

8.4. Matukio ya sumakuumeme kwenye kiolesura kati ya vyombo vya habari. 178

hitimisho.. 193

ORODHA YA KIBIBLIA... 195

Mwongozo huu umeundwa kwa kuzingatia nyenzo zilizokusanywa na waandishi katika mchakato wa kufundisha fizikia ya jumla wanafunzi wa taaluma za uhandisi na ufundi, na kiasi kidogo cha mafunzo ya darasani, kwa muda mrefu.

Upatikanaji wa maelezo haya ya mihadhara kwa wanafunzi wa uhandisi na utaalam wa kiufundi itawaruhusu wao na mhadhiri kutumia wakati wa mihadhara kwa ufanisi zaidi, kuzingatia zaidi maswala ambayo ni ngumu kuelewa, na kurahisisha kwa wanafunzi kujiandaa kwa mtihani.

Kwa maoni yetu, mawasiliano, kasi na fomu za mbali wanafunzi ambao, wakati wa kuanza kusoma fizikia, hawana ujuzi wa kutosha wa kutambua vya kutosha dhana za kimwili, ufafanuzi na sheria.

Uwasilishaji wa nyenzo katika kazi hii inadhania kuwa wanafunzi wana ujuzi wa fizikia na hisabati ndani ya upeo wa mtaala wa shule, kwa hivyo dhana nyingi hazijadiliwi kwa undani, lakini hutumiwa kama zile zinazojulikana sana. Aidha, kazi hii inachukulia kuwa wanafunzi tayari wamesoma au wanasoma sambamba kozi inayofundishwa vifaa vya hisabati vinavyolingana (tofauti na hesabu muhimu, uchanganuzi wa utendakazi, milinganyo tofauti, algebra ya vekta, safu).

Kipengele maalum cha mwongozo ni kwamba nyenzo zinawasilishwa kwa mlolongo fulani, usio wa kawaida na ina michoro na maelezo muhimu.

Licha ya kiasi chake kidogo, mwongozo uliopendekezwa una uwasilishaji wa maswala ambayo maarifa yake ni muhimu kwa masomo ya taaluma, ambayo msingi wake ni sheria na kanuni za kimsingi za fizikia.

Kupunguzwa kwa kiasi kulipatikana hasa kwa kukataa kuzingatia masuala fulani yasiyo ya kanuni, na pia kwa kuwasilisha masuala fulani kwa ajili ya utafiti wao katika mchakato wa madarasa ya vitendo na maabara.

Masuala kama vile nadharia ya bendi ya metali na semiconductors, sasa katika utupu, gesi na elektroliti yanawasilishwa kwa undani wa kutosha.

Uwasilishaji wa nyenzo, isipokuwa nadra kwa sababu ya mazingatio ya kimbinu, unategemea majaribio. Majaribio ya kimsingi ambayo yalitumika kama msingi mafundisho ya kisasa kuhusu sumaku-umeme zimeelezewa kwa kina vya kutosha.

Kwa kuongeza, tahadhari fulani imelipwa kwa kuelezea kanuni za kupima msingi kiasi cha umeme, ambayo, ikiwa inawezekana, mara moja hufuata kuanzishwa kwa dhana za kimwili zinazofanana. Hata hivyo, maelezo ya majaribio mbalimbali hayajifanya kuwa kamili na, zaidi ya hayo, yanahusu tu kanuni za majaribio haya, kwa kuwa wanafunzi husikiliza kozi ya mihadhara na maandamano na kufanya kazi katika maabara ya fizikia. Kwa sababu hiyo hiyo, michoro nyingi zinafanywa kwa fomu nyaya rahisi na huonyesha ubora tu kwa kesi hii utegemezi bila kuonyesha vitengo vya kipimo na maadili ya nambari ya idadi inayozingatiwa, ambayo inachangia mtazamo bora wa wanafunzi wa nyenzo zinazosomwa.

Kwa kuwa kwa sasa kuna vitabu vya shida vinavyolingana na kozi ya fizikia ya chuo kikuu, kuingizwa kwa matatizo maalum na mazoezi ya sehemu inayosomwa haitolewa. Kwa hiyo, maelezo ya mihadhara yana mifano michache tu inayoonyesha matumizi ya sheria muhimu zaidi.

Uwasilishaji unafanywa katika Mfumo wa Kimataifa wa Vitengo (SI). Alama za kitengo kiasi cha kimwili hutolewa kupitia vitengo vya msingi na vinavyotokana na mfumo, kwa mujibu wa ufafanuzi wao katika mfumo wa SI.

Mwongozo unaweza kutumiwa na wanafunzi waliohitimu na walimu ambao hawana uzoefu wa kutosha kufanya kazi katika chuo kikuu.

Waandishi watashukuru kwa kila mtu ambaye anapitia mwongozo huu kwa uangalifu na kutoa maoni fulani muhimu. Kwa kuongezea, watajaribu kuzingatia maoni yote ya busara kutoka kwa wanafizikia wenzao, wanafunzi waliohitimu, na wanafunzi na kufanya masahihisho na nyongeza zinazofaa.

Utangulizi

Maelezo haya ya mihadhara yametolewa kwa moja ya sehemu kozi ya jumla fizikia, sehemu ya "Umeme", ambayo inasomwa kwa wanafunzi wa utaalam huo na aina za masomo, katika mtaala ambayo kozi hii imetolewa.

Inazingatia ukweli kwamba nishati ya umeme ina jukumu kubwa katika teknolojia kwa sababu zifuatazo:

1. Urahisi uliokithiri ambao umeme hubadilishwa kuwa aina nyingine za nishati: mitambo, mafuta, mwanga na kemikali.

2. Uwezekano wa kupeleka umeme kwa umbali mrefu.

3. Ufanisi mkubwa wa mashine za umeme na vifaa vya umeme.

4. Kubwa sana unyeti mkubwa vyombo vya kupima na kurekodi umeme na maendeleo mbinu za umeme vipimo vya viwango mbalimbali visivyo vya umeme.

5. Uwezo wa kipekee unaotolewa na vyombo vya umeme na vifaa vya automatisering, telemechanics na udhibiti wa uzalishaji.

6. Maendeleo ya njia za umeme, electrothermal, electrochemical, electromechanical na electromagnetic kwa vifaa vya usindikaji.

Mafundisho ya umeme yana historia yake mwenyewe, iliyounganishwa kikaboni na historia ya maendeleo ya nguvu za uzalishaji wa jamii na maeneo mengine ya sayansi ya asili. Katika historia ya utafiti wa umeme, hatua tatu zinaweza kutofautishwa:

1. Kipindi cha mkusanyiko wa ukweli wa majaribio na uanzishwaji wa dhana na sheria za msingi.

2. Kipindi cha malezi ya fundisho la uwanja wa sumakuumeme.

3. Kipindi cha kuundwa kwa nadharia ya atomiki ya umeme.

Asili ya mawazo kuhusu umeme yanarudi Ugiriki ya Kale. Mvuto wa miili ya mwanga kwa amber iliyopigwa na vitu vingine imejulikana kwa watu kwa muda mrefu. Hata hivyo, nguvu za umeme hazikuwa wazi kabisa, uwezekano wa maombi yao ya vitendo haukujisikia, na kwa hiyo hapakuwa na motisha ya utafiti wa utaratibu katika eneo hili.

Ugunduzi tu wa nusu ya kwanza ya karne ya XYIII. kutulazimisha kubadili kwa kiasi kikubwa mtazamo wetu kuelekea matukio ya umeme. Bila shaka, hii iliwezeshwa na uvumbuzi wa mashine ya umeme (nusu ya pili ya karne ya 18), kwa msingi ambao uwezekano wa majaribio uliongezeka kwa kiasi kikubwa.

Kufikia katikati ya karne ya XYIII. hamu ya umeme inaongezeka, na wanasayansi wa asili kutoka nchi nyingi wanashiriki katika utafiti. Uchunguzi wa kutokwa kwa umeme kwa nguvu haungeweza kusaidia lakini kupendekeza mlinganisho kati ya cheche za umeme na umeme. Hali ya umeme ya umeme ilithibitishwa na majaribio ya moja kwa moja na W. Franklin, M.V. Lomonosov, G.V. Richman (1752 - 1753). Uvumbuzi wa fimbo ya umeme ulikuwa matumizi ya kwanza ya vitendo ya mafundisho ya umeme. Hii ilichangia maendeleo maslahi ya jumla kwa umeme, na kuvutia watafiti wapya kwenye eneo hili.

Mtaalamu wa asili wa Kiingereza R. Simmer (1759) aliweka mbele nadharia yenye matunda kuhusu asili ya umeme. Kuendeleza mawazo ya Du Fay, Simmer alihitimisha kuwa miili katika hali ya kawaida vyenye aina mbili za umeme kwa wingi sawa, neutralizing madhara ya kila mmoja. Umeme husababisha ziada ya umeme mmoja juu ya mwingine katika mwili. Uthibitisho bora wa nadharia hii ulikuwa ugunduzi wa induction ya kielektroniki na mwanataaluma wa Kirusi F. Epinus (1759).

Sheria ya uhifadhi wa nishati na jambo iliyoanzishwa na Lomonosov ilikuwa mafanikio makubwa zaidi katika fizikia ya karne ya XYIII. Maudhui ya sheria ya uhifadhi iliyogunduliwa na Lomonosov ilifunuliwa hatua kwa hatua na ilichukua jukumu kubwa katika maendeleo ya mafundisho ya umeme. Kwa hiyo, sheria iliyogunduliwa baadaye ya uhifadhi wa mashtaka ya umeme ni udhihirisho fulani wa sheria ya ulimwengu ya uhifadhi wa suala na mwendo.

Hadi katikati ya karne ya XYIII. majaribio ya umeme yaliendelea kuwa ya ubora tu. Hatua ya kwanza kuelekea majaribio ya kiasi ilichukuliwa na Richmann, ambaye alipendekeza kifaa cha kwanza cha kupimia, kinachoitwa electrometer (1745). Hatua muhimu zaidi katika maendeleo teknolojia ya majaribio ilikuwa uvumbuzi katika 1784 na Ch jukumu muhimu katika utafiti wa nguvu wa asili tofauti. Kifaa hiki kiliruhusu Coulomb kuanzisha sheria ya mwingiliano kati ya sumaku na chaji za umeme (1785). Sheria za Coulomb zilitumika kama msingi wa maendeleo ya nadharia ya hisabati ya umemetuamo na magnetostatics.

Zaidi ya hayo, kutokana na majaribio ya L. Galvani (1789) na A. Volta (1792), matukio ya umeme ya mawasiliano yaligunduliwa, ambayo, kwa upande wake, yalisababisha uvumbuzi. seli za galvanic na kugundua mkondo wa umeme (1800).

Watafiti wa Kiingereza A. Carlyle na V. Nicholson waligundua kwamba mkondo wa galvanic, unaopitia maji, hutengana na hidrojeni na oksijeni. Uhusiano unaoboresha pande zote umeanzishwa kati ya fizikia na kemia. Umeme unazidi kuwa mkubwa umuhimu wa vitendo kinachochochea maendeleo zaidi tawi hili la sayansi.

Uboreshaji katika muundo wa safu ya voltaic husababisha ugunduzi wa vitendo vipya vya sasa vya umeme. Mnamo 1802 V.V. Petrov, kwa kutumia pole yenye nguvu ya voltaic, hutoa arc ya umeme. Arc ya Petrov ilitoa idadi ya matumizi mapya ya athari za joto za sasa.

Pamoja na ugunduzi wa hatua ya sasa kwenye sindano ya sumaku, H. Oersted (1820) aliashiria mwanzo wa sura mpya katika nadharia ya umeme - fundisho la mali ya magnetic sasa, ambayo ilifanya iwezekane kujumuisha sumaku katika nadharia ya umoja ya matukio ya sumakuumeme.

Utafiti wa mkondo wa umeme uliendelea kwa kasi inayoongezeka. Ilibainika kuwa hatua ya sumaku Ya sasa huongezeka ikiwa conductor ni coiled. Hii ilifungua uwezekano wa kujenga mita za sasa za umeme.

Mnamo 1820, A. Ampere alianzisha sheria ambayo nguvu ya mwingiliano kati ya mikondo miwili ya msingi iliamua. Kulingana na ukweli huu wa majaribio, A. Ampere hufanya dhana kuhusu asili ya umeme ya sumaku. Anadhani kwamba " mikondo ya umeme... zipo karibu na chembe katika chuma, nikeli na kobalti tayari kabla ya sumaku. Kwa kuwa, hata hivyo, zimeelekezwa kwa pande zote zinazowezekana, haziwezi kusababisha hatua yoyote ya nje, kwani baadhi yao hujitahidi kuvutia kile ambacho wengine hufukuza ... "Hivi ndivyo nadharia ya mikondo ya molekuli ilionekana katika fizikia, ambayo kina chake kilifunuliwa. tu katika karne ya 20.

KATIKA utafiti zaidi kwa umeme, chombo cha ufanisi kilikuwa sheria iliyoanzishwa mwaka wa 1827 na mwanafizikia wa Ujerumani G. Ohm na kuitwa sheria ya Ohm.

Katika kipindi hiki ilianza shughuli za kisayansi M. Faraday. Hasa umuhimu mkubwa katika historia ya fizikia kuna uvumbuzi mbili za Faraday: jambo induction ya sumakuumeme(1831) na sheria za electrolysis (1834). Faraday alitoa uvumbuzi huu msingi wa kinadharia maombi mengi ya kiufundi ya umeme. Utafiti wa E.H. Nadharia ya Lenz ya induction ya sumakuumeme (sheria ya Lenz) na uanzishwaji wa sheria ya hatua ya joto ya sasa (sheria ya Joule-Lenz) ilichangia zaidi. matumizi ya vitendo umeme.

Ilianzishwa kwa majaribio kuwa nguvu za umeme hutenda kwa njia ya kati ambayo inajaza nafasi kati ya miili inayoingiliana. Wakati wa kuchunguza mwingiliano wa miili iliyoshtakiwa, Faraday alianzisha dhana ya nguvu za umeme mistari mpya na kutoa wazo la uwanja wa sumaku na umeme - nafasi ambazo hatua ya nguvu za umeme hugunduliwa. Faraday aliamini kuwa uwanja wa umeme na sumaku unawakilisha majimbo yaliyoharibika ya kati isiyo na uzito inayoenea - etha.

Kwa mujibu wa Faraday, sio malipo ya umeme ambayo hufanya juu ya miili inayozunguka, lakini mistari ya nguvu inayohusishwa na malipo. Kwa hivyo, Faraday aliweka mbele wazo la nadharia ya hatua fupi, kulingana na ambayo hatua ya miili mingine kwa wengine hupitishwa kupitia mazingira kwa kasi fulani.

Katika miaka ya 60 miaka ya XIX karne D. Maxwell alitoa muhtasari wa mafundisho ya Faraday kuhusu umeme na mashamba ya sumaku na kuunda nadharia ya umoja ya uwanja wa sumakuumeme. Maudhui kuu ya nadharia hii yamo katika milinganyo ya Maxwell, ambayo ina dhima sawa katika sumaku-umeme na sheria za Newton katika mechanics.

Ikumbukwe umuhimu mkubwa wa kazi ya idadi ya wanafizikia Kirusi marehemu XIX V. Na uthibitisho wa majaribio Nadharia za Maxwell. Miongoni mwa aina hii ya utafiti, majaribio ya P.N. Lebedev juu ya kugundua na kipimo cha shinikizo la mwanga (1901).

Karibu hadi mwisho wa karne ya 19. umeme ulifikiriwa kuwa kioevu kisicho na uzito. Swali la ikiwa umeme ni wa kipekee au endelevu ulihitaji uchanganuzi wa nyenzo za majaribio na usanidi wa majaribio mapya. Wazo la umeme wa kipekee linaweza kuonekana katika sheria za electrolysis zilizogunduliwa na Faraday. Kulingana na sheria hizi, mwanafizikia wa Ujerumani G. Helmholtz (1881) alipendekeza kuwepo kwa sehemu ndogo zaidi za malipo ya umeme. Kuanzia wakati huu na kuendelea, maendeleo ya nadharia ya elektroniki ilianza, ambayo ilielezea matukio kama vile utoaji wa thermionic na kuonekana kwa mionzi ya cathode. Sifa ya kuunda nadharia ya kielektroniki ni ya mwanafizikia wa Uholanzi G.A. Lorentz, ambaye katika kazi yake "Nadharia ya Elektroni" (1909) aliunganisha kikaboni nadharia ya Maxwell ya uwanja wa umeme na mali ya umeme ya jambo, inayozingatiwa kama mkusanyiko wa chaji za msingi za umeme.

Kulingana na uwakilishi wa elektroniki katika robo ya kwanza ya karne ya 20. Nadharia ya dielectrics na sumaku ilitengenezwa. Nadharia ya semiconductors kwa sasa inaendelezwa. Utafiti wa matukio ya umeme ulisababisha nadharia ya kisasa ya muundo wa jambo. Mafanikio ya fizikia katika mwelekeo huu yalifikia ugunduzi wa njia za kutolewa nishati ya nyuklia, ambayo kwa ubora iliinua sayansi na teknolojia ya wanadamu kwa hatua mpya ya maendeleo.

Inapaswa kuzingatiwa hasa kwamba katika maombi mengi ya kiufundi ya umeme, katika mafundisho ya umeme na magnetism, ubora ni wa wanasayansi na wahandisi wa Kirusi. Kwa mfano, wanasayansi na wahandisi wa Kirusi waligundua na kutumika kwa mazoezi ya uwekaji wa umeme na uwekaji umeme, kulehemu kwa umeme, taa za umeme, motors za umeme, na redio. Walianzisha maswali mengi ambayo sio tu ya maslahi makubwa ya kinadharia, lakini pia ya umuhimu mkubwa wa vitendo. Hii ni pamoja na masuala ya fizikia ya dielectrics, semiconductors, sumaku, fizikia ya kutokwa kwa gesi, utoaji wa joto, athari ya picha ya umeme, oscillations ya sumakuumeme na mawimbi ya redio, nk. Hivi majuzi matatizo ya mabadiliko ya moja kwa moja yanatengenezwa nguvu ya jua katika nishati ya umeme, na kuunda vyanzo vya umeme vya magnetohydrodynamic," seli za mafuta". Wanasayansi wa Urusi jukumu kuu katika utafiti unaolenga kutatua shida muhimu zaidi ya kisayansi na kiufundi ya wakati wetu - shida ya kuunda athari za nyuklia zinazodhibitiwa kwa kutumia uwanja wa sumaku-umeme kwa insulation ya mafuta na joto la gesi yenye ionized - plasma.

Kwa mchango wake mkubwa katika maendeleo ya sayansi ya dunia, wanasayansi wa Kirusi - wanafizikia I.E. Tammu, I.M. Frank na P.A. Cherenkov (1958), L.D. Landau (1962), N.G. Basov na A.M. Prokhorov (1964), P.L. Kapitsa (1978), Zh.I Alferov (2000), V.L. Ginzburg na A.A. Abrikosov (2003) alipewa Tuzo la Nobiliyev.

Hotuba ya 1. Electrostatics katika utupu
na dutu. Uwanja wa umeme

Mada ya electrodynamics ya classical. Chaji ya umeme na uwazi wake. Nadharia ya vitendo vya masafa mafupi. Sheria ya Coulomb. Nguvu ya uwanja wa umeme. Kanuni ya superposition ya mashamba ya umeme. Sehemu ya umeme ya dipole. Mtiririko wa vekta ya nguvu ya uga wa kielektroniki. Nadharia ya Ostrogradsky-Gauss kwa uwanja wa umeme katika utupu. Kazi ya uwanja wa umeme kusonga chaji ya umeme. Mzunguko wa vector ya nguvu ya shamba la umeme. Nishati ya malipo ya umeme katika uwanja wa umeme. Tofauti inayowezekana na inayowezekana ya uwanja wa umeme. Nguvu ya uwanja wa umeme kama gradient ya uwezo wake. Nyuso za equipotential. Milinganyo ya kimsingi ya tungo za kielektroniki kwenye utupu. Baadhi ya mifano ya mashamba ya umeme yanayotokana na mifumo rahisi zaidi ya malipo ya umeme.

Mada ya electrodynamics ya classical

Classical electrodynamics ni nadharia inayoelezea tabia ya uwanja wa sumakuumeme ambayo hubeba mwingiliano wa sumakuumeme kati ya chaji za umeme.

Sheria za electrodynamics ya classical macroscopic imeundwa katika milinganyo ya Maxwell, ambayo inafanya uwezekano wa kuamua maadili ya sifa za uwanja wa umeme - nguvu ya uwanja wa umeme. E na induction ya sumaku KATIKA- katika utupu na katika miili ya macroscopic, kulingana na usambazaji wa malipo ya umeme na mikondo katika nafasi.

Mwingiliano wa chaji za umeme zilizosimama huelezewa na milinganyo ya umemetuamo, ambayo inaweza kupatikana kama matokeo ya milinganyo ya Maxwell.

Mwingiliano wa sumakuumeme huamua muundo wa makombora ya atomiki, mshikamano wa atomi ndani ya molekuli (vikosi vya dhamana ya kemikali) na uundaji wa vitu vilivyofupishwa (mwingiliano wa interatomic, mwingiliano kati ya molekuli).

1.2. Chaji ya umeme na uwazi wake.
Nadharia ya masafa mafupi

Maendeleo ya fizikia yameonyesha kuwa mali ya kimwili na kemikali ya suala kwa kiasi kikubwa imedhamiriwa na nguvu za mwingiliano unaosababishwa na kuwepo na mwingiliano wa malipo ya umeme ya molekuli na atomi za vitu mbalimbali.

Inajulikana kuwa katika asili kuna aina mbili za malipo ya umeme: chanya na hasi. Wanaweza kuwepo kwa namna ya chembe za msingi: elektroni, protoni, positroni, ions chanya na hasi, nk, pamoja na "umeme wa bure," lakini tu katika mfumo wa elektroni. Kwa hiyo, mwili ulio na chaji chanya ni mkusanyiko wa malipo ya umeme na ukosefu wa elektroni, na mwili ulioshtakiwa vibaya ni ziada yao. Malipo ya ishara tofauti hulipa fidia, kwa hiyo, katika miili isiyo na malipo daima kuna malipo ya ishara zote mbili kwa kiasi kwamba athari yao ya jumla inalipwa.

Mchakato wa ugawaji upya mashtaka chanya na hasi ya miili isiyo na malipo, au kati ya sehemu za kibinafsi za mwili huo huo, chini ya ushawishi wa mambo anuwai huitwa. umeme.

Kwa kuwa elektroni za bure zinasambazwa tena wakati wa umeme, basi, kwa mfano, miili yote inayoingiliana ina umeme, mmoja wao ni chanya na mwingine hasi. Idadi ya malipo (chanya na hasi) bado haijabadilika.

Kuanzia hapa inafuata kwamba malipo hayajaundwa wala kuharibiwa, lakini yanasambazwa tu kati ya miili inayoingiliana na sehemu za mwili huo huo, ikibaki bila kubadilika kwa kiasi.

Hii ndio maana ya sheria ya uhifadhi wa malipo ya umeme, ambayo inaweza kuandikwa kihisabati kama ifuatavyo:

hizo. katika mfumo wa pekee wa umeme, jumla ya algebraic ya malipo ya umeme inabakia thamani ya mara kwa mara.

Mfumo uliotengwa na umeme unaeleweka kama mfumo ambao hakuna chaji zingine za umeme zinaweza kupenya.

Ni lazima ikumbukwe kwamba malipo ya jumla ya umeme ya mfumo wa pekee ni tofauti, kwa sababu. waangalizi walio katika mfumo wowote wa kuratibu wa inertial, kupima malipo, kupata thamani sawa.

Wakati wa mchakato wa umeme, malipo hubadilika kwa uwazi (quantized) na kiasi cha malipo ya elektroni. Kuhesabu malipo ni sheria ya ulimwengu ya asili.

Katika umemetuamo, mali na mwingiliano wa malipo ambayo yamesimama katika sura ya kumbukumbu ambayo ziko husomwa.

Uwepo wa malipo ya umeme katika miili husababisha kuingiliana na miili mingine iliyoshtakiwa. Katika kesi hii, miili iliyoshtakiwa vile vile hufukuza, na miili iliyoshtakiwa kinyume huvutia.

Katika fizikia, mwingiliano unaeleweka kama ushawishi wowote wa miili au chembe kwa kila mmoja, na kusababisha mabadiliko katika hali ya mwendo wao au mabadiliko ya msimamo wao angani. Zipo aina tofauti mwingiliano.

Katika mechanics ya Newton, hatua ya kuheshimiana ya miili kwa kila mmoja inaonyeshwa kwa kiasi kikubwa na nguvu. Tabia ya jumla zaidi ya mwingiliano ni nishati inayowezekana.

Kila chembe ya kushtakiwa kwa umeme huunda uwanja wa umeme unaofanya kazi kwenye chembe nyingine, i.e. mwingiliano hupitishwa kupitia "mpatanishi" - uwanja wa sumakuumeme. Kasi ya uenezi wa uwanja wa umeme ni sawa na kasi ya uenezi wa mwanga katika utupu. Nadharia mpya ya mwingiliano imeibuka: nadharia ya mwingiliano wa masafa mafupi.

Kulingana na nadharia hii, mwingiliano kati ya miili hufanywa kupitia nyanja fulani (kwa mfano, mvuto kupitia uwanja wa mvuto) unaosambazwa kila wakati kwenye nafasi.

Baada ya ujio wa nadharia ya uwanja wa quantum, wazo la mwingiliano lilibadilika sana.

Kulingana na nadharia ya quantum, uwanja wowote hauendelei, lakini una muundo tofauti.

Nadharia ya kisasa ya quantum ya mwingiliano wa sumakuumeme inaelezea kikamilifu matukio yote yanayojulikana ya sumakuumeme.

Katika miaka ya 60 na 70 ya karne hii, nadharia ya umoja ya mwingiliano dhaifu na sumakuumeme (kinachojulikana mwingiliano wa electroweak) ya leptoni na quarks ilijengwa kimsingi.

Nadharia ya kisasa ya mwingiliano mkali ni chromodynamics ya quantum.

Majaribio yanafanywa ili kuchanganya uingiliano wa electroweak na nguvu katika kile kinachoitwa "Grand Unification", pamoja na kuwajumuisha katika mpango mmoja wa mwingiliano wa mvuto.