Từ lịch sử của điện động lực học. Quá trình điện từ tĩnh

Bài giảng 1

Chủ đề của điện động lực học cổ điển. Điện trường. căng thẳng điện trường.

môn điện động lực học. Điện động lực học - ngành vật lý nghiên cứu sự tương tác hạt mang điện và một loại vật chất đặc biệt được tạo ra bởi những hạt này - trường điện từ .

1. ĐIỆN TỬ

Tĩnh điện- một phần điện động lực học nghiên cứu sự tương tác vật thể tích điện bất động . Điện trường thực hiện tương tác này được gọi là tĩnh điện .

1.1. Phí điện.

Các cách nhận phí. Định luật bảo toàn điện tích.

Trong tự nhiên, có hai loại điện tích, được quy ước là điện tích dương và điện tích âm. Trong lịch sử, thường gọi là phí dương, chủ đề tương tự xảy ra khi thủy tinh cọ xát với lụa; - điện tích âm tương tự như những điện tích phát sinh khi hổ phách cọ xát với lông thú. Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, các điện tích khác dấu thì hút nhau (Hình 1.1).

Về cơ bản, điện tích thuộc về nguyên tử (rời rạc). Điều này có nghĩa là trong tự nhiên có một điện tích nhỏ nhất, không thể phân chia được, được gọi là điện tích cơ bản. Giá trị sơ cấp tính phí bởi giá trị tuyệt đối trong SI:

Điện tích vốn có trong nhiều hạt cơ bản, cụ thể là electron và proton, là một phần của các nguyên tử khác nhau, từ đó tất cả các vật thể trong tự nhiên đều được xây dựng. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng theo ý tưởng hiện đại các hạt tương tác mạnh - hadron (meson và baryon) - được xây dựng từ cái gọi là hạt quark – hạt đặc biệt, Ổ đỡ trục phân số sạc pin. Hiện tại, sáu loại quark đã được biết đến - u, d, s, t, b và c - theo các chữ cái đầu tiên của các từ: lên-phía trên, xuống-thấp hơn, Bên lề- bên (hoặc lạ lùng-lạ lùng), đứng đầu- đứng đầu, đáy- cực và quyến rũ-có vũ khí. Các quark này chia thành các cặp: (u, d), (c, s), (t, b). Các hạt quark u, c, t có điện tích là +2/3 và điện tích của các hạt quark d, s, b là -1/3. Mỗi hạt quark có antiquark. Ngoài ra, mỗi quark có thể ở một trong ba trạng thái màu (đỏ, vàng và xanh lam). Meson được tạo thành từ hai quark, baryon được tạo thành từ ba. Ở trạng thái tự do quark không quan sát. Điều này cho phép chúng ta coi rằng điện tích cơ bản trong tự nhiên vẫn là số nguyên sạc pin e, nhưng không phân sốđiện tích quark. Điện tích của các thiên thể vĩ mô được hình thành do sự kết hợp phí cơ bản và do đó bội số nguyên của e.

Đối với các thí nghiệm về điện tích, sử dụng nhiều cách khác nhau nhận chúng. Cách đơn giản nhất và lâu đời nhất cọ xát cơ thể này bởi cơ thể khác. Trong trường hợp này, bản thân ma sát không đóng một vai trò cơ bản nào ở đây. Điện tích luôn phát sinh khi bề mặt của các vật tiếp xúc tiếp xúc gần nhau. Ma sát (mài) chỉ giúp loại bỏ các bất thường trên bề mặt của các vật thể tiếp xúc với nhau, ngăn cản chúng kết dính chặt chẽ với nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền điện tích từ vật thể này sang vật thể khác. Phương pháp thu được điện tích này làm cơ sở cho hoạt động của một số máy điện, ví dụ, máy phát tĩnh điện Van de Graaff (Van de Graaff R., 1901-1967), được sử dụng trong vật lý năng lượng cao.

Một cách khác để thu được điện tích là dựa trên việc sử dụng hiện tượng cảm ứng tĩnh điện . Bản chất của nó được minh họa trong Hình.1.2. Hãy chia nó thành hai nửa không được sạcđến một vật thể bằng kim loại (mà không chạm vào nó) một vật thể khác, được tích điện dương. Do sự dịch chuyển của một phần nào đó trong số các electron mang điện tích âm tự do có trong kim loại, nửa bên trái của vật ban đầu sẽ thu được điện tích âm dư, và nửa bên phải sẽ nhận được điện tích dương có cùng độ lớn, nhưng ngược lại trong dấu hiệu. Nếu bây giờ, với sự hiện diện của vật thể tích điện bên ngoài, chúng ta tách cả hai nửa theo các hướng khác nhau và loại bỏ vật thể tích điện, thì mỗi phần trong số chúng sẽ trở thành tính phí. Kết quả là, chúng ta sẽ nhận được hai vật thể mới được tích điện với các điện tích có độ lớn bằng nhau và trái dấu.

Trong trường hợp cụ thể của chúng tôi, tổng điện tích của vật thể ban đầu trước và sau khi thí nghiệm không thay đổi - nó vẫn bằng không:

q = q - + q + = 0

1.2. Tương tác của các điện tích.

Định luật Cu lông. Ứng dụng định luật Coulomb để tính lực tương tác của các vật thể tích điện kéo dài.

Định luật tương tác của các điện tích được thiết lập vào năm 1785 bởi Charles Coulomb (CoulombSh., 1736-1806). Coulomb đo lực tương tác giữa hai quả cầu nhỏ tích điện, tùy thuộc vào độ lớn của các điện tích và khoảng cách giữa chúng, sử dụng một cân xoắn do ông thiết kế đặc biệt (Hình 1.3). Kết quả của các thí nghiệm của mình, Coulomb nhận thấy rằng Lực tương tác của hai điện tích điểm tỉ lệ thuận với độ lớn của mỗi điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng, đồng thời phương của lực trùng với đường thẳng đi qua cả hai điện tích.:

Nói cách khác, chúng ta có thể viết:

Hệ số tỉ lệ k phụ thuộc vào cách chọn đơn vị đo của các đại lượng có trong công thức này:

Chung bây giờ hệ thống quốc tế Do đó, đơn vị đo lường (SI) Định luật Coulomb được viết dưới dạng:

Cần phải nhấn mạnh một lần nữa rằng ở dạng này, định luật Coulomb chỉ được xây dựng cho các điện tích điểm, tức là các vật thể tích điện như vậy, kích thước của chúng có thể bị bỏ qua so với khoảng cách giữa chúng. Nếu điều kiện này không được đáp ứng, thì định luật Coulomb phải được viết trong hình thức khác biệtđối với mỗi cặp điện tích cơ bản dq1 và dq2 mà các vật thể tích điện "phá vỡ":

Khi đó tổng lực tương tác của hai vật thể tích điện vĩ mô sẽ được biểu diễn như sau:

Tích hợp trong công thức này được thực hiện trên tất cả các phí của mỗi cơ thể.
Thí dụ. Tìm lực F tác dụng lên điện tích điểm Q từ mặt bên của một sợi dây tích điện thẳng kéo dài vô hạn (Hình 1.4). Khoảng cách từ điện tích đến dây tóc a, mật độ điện tích tuyến tính của dây tóc τ.

Lực cần tác dụng là F = Fx = Qτ / (2πε0a).

1.3. Điện trường. Cường độ điện trường. Nguyên lý chồng chất của điện trường.
Tương tác của các điện tích được thực hiện thông qua một loại vật chất đặc biệt được tạo ra bởi các hạt mang điện - điện trường. Điện tích làm thay đổi tính chất của không gian xung quanh. Điều này được thể hiện trong thực tế là một điện tích khác đặt gần một vật tích điện (chúng ta hãy gọi nó là điện tích thử nghiệm) bị ảnh hưởng bởi một lực (Hình 1.5). Bằng độ lớn của lực này, người ta có thể phán đoán "cường độ" của trường tạo bởi điện tích q. Để lực tác dụng lên điện tích thử đặc trưng cho chính xác điện trường tại một điểm nhất định trong không gian, thì rõ ràng điện tích thử phải là điện tích điểm.

Hình 1.5. Để xác định cường độ điện trường.
Bằng cách đặt một điện tích qpr cách điện tích q một khoảng r nhất định (Hình 1.5), chúng ta thấy rằng nó chịu tác dụng của một lực có độ lớn

phụ thuộc vào giá trị của điện tích thử nghiệm lấy qpr. Tuy nhiên, dễ thấy rằng đối với tất cả các điện tích thử nghiệm, tỷ số F / qpr sẽ như nhau và chỉ phụ thuộc vào các đại lượng q và r xác định trường điện tích q tại một điểm r cho trước. Do đó, điều tự nhiên là lấy tỷ lệ này làm giá trị đặc trưng cho "cường độ" hoặc như người ta nói, cường độ của điện trường (trong trường hợp này là trường của một điện tích điểm):
.
Như vậy, cường độ của điện trường là đặc tính công suất của nó. Về mặt số học, nó bằng lực tác dụng lên điện tích thử qpr = +1 đặt trong trường này.
Cường độ trường là một vectơ. Phương của nó trùng với phương của vectơ lực tác dụng lên một điện tích điểm đặt trong trường này. Do đó, nếu đặt một điện tích điểm q trong một điện trường đều thì một lực sẽ tác dụng lên nó:

Chiều của cường độ điện trường trong SI:.
Điện trường được mô tả thuận tiện bằng cách sử dụng các đường sức. Đường sức là một đường mà vectơ tiếp tuyến tại mỗi điểm trùng với phương của vectơ cường độ điện trường tại điểm đó. Người ta thường chấp nhận rằng đường lực bắt đầu ở điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm (hoặc đi đến vô cùng) và không bị gián đoạn ở bất kỳ đâu. Ví dụ về đường sức của một số điện trường được thể hiện trong Hình 1.6.
Hình 6.1. Ví dụ về hình ảnh của điện trường sử dụng các đường sức: điện tích điểm (dương và âm), lưỡng cực, điện trường đều.
Điện trường tuân theo nguyên lý chồng chất (cộng), có thể được xây dựng như sau: cường độ của điện trường tạo ra tại một điểm nhất định trong không gian bởi một hệ thống điện tích bằng tổng vectơ cường độ của điện trường được tạo ra tại cùng một điểm trong không gian bởi từng điện tích riêng biệt:

Thí dụ. Tìm cường độ điện trường E của một lưỡng cực (một hệ gồm hai điện tích điểm được kết nối chặt chẽ với nhau dấu hiệu ngược lại) tại một điểm nằm cách điện tích - q một khoảng r1 và cách điện tích + q một khoảng r2 (Hình 1.7). Khoảng cách giữa các điện tích (cánh tay lưỡng cực) bằng l.

Hình 1.7. Về cách tính cường độ điện trường của hệ hai điện tích điểm.

Từ lịch sử điện động lực học

Khóa học Vật lý đại cương (bài giảng)

Phần II Điện động lực học

Matxcova, 2003

Bài giảng 1 "Cơ bản về tĩnh điện"

Kế hoạch bài giảng

1. Giới thiệu. Chủ đề của điện động lực học cổ điển.

một. Từ lịch sử của điện động lực học.

b. Điện động lực học và tiến bộ khoa học kỹ thuật.

2. Các điện tích.

một. Tính chất của các điện tích.

b. Định luật Cu lông.

3. Điện trường.

một. Ý tưởng gần - và tầm xa.

b. Cường độ điện trường. Trường của một điện tích điểm. Biểu diễn đồ họađiện trường.

4. Nguyên lý chồng chất điện trường.

một. trường lưỡng cực.

b. Trường của một luồng tích điện vô hạn.

Giới thiệu. Chủ đề của điện động lực học cổ điển

Từ lịch sử điện động lực học

Điện khác nhau và hiện tượng từ tính, điều mà con người quan sát từ thời xa xưa, luôn khơi dậy sự tò mò và thích thú của họ. Tuy nhiên, "quan sát" không có nghĩa là "khám phá".

Những bước tiến khoa học đầu tiên trong việc nghiên cứu về điện và từ chỉ được thực hiện vào cuối thế kỷ 16 bởi thầy thuốc của Nữ hoàng Anh Elizabeth William Gilbert (1540 - 1603). Trong chuyên khảo của mình "Trên nam châm, các vật thể có từ tính và một nam châm lớn - Trái đất", Gilbert lần đầu tiên đưa ra khái niệm "từ trường Trái đất" ... Thử nghiệm với Vật liệu khác nhau, ông phát hiện ra rằng không chỉ hổ phách cọ xát trên lụa mới có đặc tính hút các vật nhẹ mà còn nhiều vật thể khác: kim cương, pha lê, nhựa thông, lưu huỳnh, v.v. Ông gọi những chất này là "điện", tức là "giống như hổ phách". Đây là cách mà thuật ngữ "điện" ra đời.

Lý thuyết đầu tiên hiện tượng điệnđã cố gắng tạo ra nhà thám hiểm người Pháp Charles Dufay (1698 - 1739). Ông cho rằng có hai loại điện: “Một loại”, ông viết, “Tôi gọi là điện“ thủy tinh ”, loại còn lại là“ nhựa ”. Đặc thù của hai loại điện này là đẩy lùi những gì đồng nhất với nó và hút ngược lại… ”(1733).

Lý thuyết về điện được phát triển thêm trong các công trình của nhà khoa học người Mỹ Benjamin Franklin (1706-1790). Ông đưa ra khái niệm điện "dương" và điện "âm", thiết lập định luật bảo toàn điện tích, khảo sát "điện khí quyển", đề xuất ý tưởng về cột thu lôi. Toàn bộ dòng do anh ấy tạo ra cơ sở thí nghiệmđã trở thành kinh điển và đã trang trí các phòng thí nghiệm vật lý trong hơn 200 năm tổ chức giáo dục(ví dụ: "bánh xe của Franklin").

Năm 1785, nhà nghiên cứu người Pháp Charles Coulomb (1736 - 1806) đã thực nghiệm thiết lập định luật tương tác của các điện tích cố định và sau đó - cực từ. Định luật Coulomb là nền tảng của tĩnh điện. Cuối cùng, ông đã cho phép thiết lập một đơn vị đo điện tích và khối lượng từ trường. Việc phát hiện ra định luật này đã kích thích sự phát triển lý thuyết toán học hiện tượng điện và từ.

Tuy nhiên, trong một thời gian dài (kể từ thời Gilbert) người ta tin rằng điện và từ không có điểm chung. Chỉ đến năm 1820, Dane Hans Oersted (1777 - 1851) mới phát hiện ra tác dụng của dòng điện đối với kim từ tính, ông giải thích rằng "một xoáy từ trường hình thành xung quanh một dây dẫn dòng điện." Nói cách khác, Oersted đã xác định rằng dòng điện là nguồn của từ trường. Điều khoản này trở thành định luật đầu tiên trong hai định luật cơ bản của điện động lực học. Phương pháp thứ hai được thiết lập bằng thực nghiệm bởi nhà vật lý người Anh Michael Faraday (1791 - 1867). Năm 1831, ông lần đầu tiên quan sát thấy hiện tượng "cảm ứng từ", khi dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch dẫn khi từ thông xuyên qua đường viền này.

Vào cuối thế kỷ 19, các kết quả phân tán của các nghiên cứu về hiện tượng điện từ đã được nhà vật lý trẻ người Scotland James Clark Maxwell (1831 - 1879) tổng kết. Anh ây đa tạo ra lý thuyết cổ điểnđiện động lực học, trong đó, đặc biệt, ông dự đoán sự tồn tại của sóng điện từ, đưa ra ý tưởng về bản chất điện từ của ánh sáng, tính mật độ năng lượng thể tích của sóng điện từ, tính áp suất mà sóng điện từ phải tạo ra khi nó rơi trên bề mặt hấp thụ.

Chủ đề của điện động lực học cổ điển

Điện động lực học cổ điển là lý thuyết giải thích hoạt động của trường điện từ thực hiện tương tác điện từ giữa các điện tích.

Các định luật của điện động lực học vĩ mô cổ điển được xây dựng trong các phương trình Maxwell, cho phép bạn xác định các giá trị của các đặc tính của trường điện từ: cường độ điện trường E và cảm ứng từ TẠI trong chân không và trong các vật thể vĩ mô, phụ thuộc vào sự phân bố điện tích và dòng điện trong không gian.

Tương tác của các điện tích đứng yên được mô tả bằng phương trình tĩnh điện, có thể thu được như một hệ quả của phương trình Maxwell.

Trường điện từ vi mô được tạo ra bởi các hạt mang điện riêng lẻ trong điện động lực học cổ điển được xác định bằng phương trình Lorentz-Maxwell, làm cơ sở cho lý thuyết thống kê cổ điển về các quá trình điện từ trong các vật thể vĩ mô. Tính trung bình các phương trình này dẫn đến phương trình Maxwell.

Trong số tất cả các loại tương tác đã biết, tương tác điện từ đứng đầu về độ rộng và sự đa dạng của các biểu hiện. Điều này là do thực tế là tất cả các vật thể đều được xây dựng từ các hạt mang điện (dương và âm), tương tác điện từ giữa chúng, một mặt, có cường độ mạnh hơn nhiều bậc so với lực hấp dẫn và yếu, và mặt khác tay, là tầm xa, trái ngược với sự tương tác mạnh mẽ.

Tương tác điện từ quyết định cấu trúc của vỏ nguyên tử, sự kết dính của các nguyên tử thành phân tử (lực liên kết hóa học) và sự hình thành vật chất ngưng tụ (tương tác giữa các nguyên tử, tương tác giữa các phân tử).

Các định luật điện động lực học cổ điển không thể áp dụng được ở tần số cao và do đó, độ dài nhỏ của sóng điện từ, tức là cho các quá trình xảy ra trên khoảng thời gian không gian nhỏ. Trong trường hợp này, các định luật về điện động lực học lượng tử là có giá trị.

1.2. Điện tích và tính rời rạc của nó.
Lý thuyết tầm ngắn

Sự phát triển của vật lý đã chỉ ra rằng vật lý và Tính chất hóa học các chất phần lớn được quyết định bởi lực tương tác do sự có mặt và tương tác của các điện tích của các phân tử, nguyên tử của các chất khác nhau.

Biết rằng trong tự nhiên có hai loại điện tích: điện tích dương và điện tích âm. Chúng có thể tồn tại ở dạng Các hạt cơ bản: electron, proton, positron, ion dương và âm, v.v., cũng như "điện tự do", nhưng chỉ ở dạng electron. Do đó, vật nhiễm điện dương là tập hợp các điện tích thiếu electron, và vật nhiễm điện âm - có phần dư của chúng. Các điện tích của các dấu hiệu khác nhau bù trừ cho nhau, do đó, trong các vật thể không tích điện luôn có các điện tích của cả hai dấu hiệu với số lượng như vậy tổng tác dụng của chúng được bù trừ.

quá trình phân phối lại tích cực và phí âm các cơ quan chưa được tích điện, hoặc giữa các bộ phận riêng biệt của cùng một cơ thể, bị ảnh hưởng các yếu tố khác nhau gọi là điện khí hóa.

Vì điện khí hóa là sự phân phối lại điện tử tự do Ví dụ, khi đó, cả hai vật thể tương tác đều nhiễm điện, và một trong số chúng là cực dương, và phần còn lại là âm. Số lượng điện tích (dương và âm) không đổi.

Điều này ngụ ý kết luận rằng các điện tích không được tạo ra và không biến mất, mà chỉ được phân phối lại giữa các cơ thể tương tác và các bộ phận của cùng một cơ thể, trong định lượng không thay đổi.

Đây là ý nghĩa của định luật bảo toàn điện tích, có thể được viết dưới dạng toán học như sau:

những thứ kia. trong một hệ thống cô lập tổng đại sốđiện tích không đổi.

Một hệ cô lập được hiểu là một hệ thống mà qua đó không có chất nào khác xuyên qua, ngoại trừ các photon ánh sáng, neutron, vì chúng không mang điện tích.

Cần lưu ý rằng tổng điện tích của một hệ cô lập là bất biến tương đối tính, vì quan sát viên ở bất kỳ hệ thống quán tính tọa độ, đo điện tích, nhận cùng một giá trị.

Một số thí nghiệm, đặc biệt là các định luật điện phân, thí nghiệm của Millikan với một giọt dầu, đã chỉ ra rằng trong bản chất điện tích là điện tích riêng của electron. Điện tích bất kỳ là bội số nguyên của điện tích electron.

Trong quá trình nhiễm điện, điện tích biến thiên không ngừng (lượng tử hóa) theo giá trị của điện tích electron. Lượng tử hóa điện tích là một quy luật phổ quát của tự nhiên.

Trong tĩnh điện, các tính chất và tương tác của các điện tích bất động trong hệ quy chiếu mà chúng nằm trong đó được nghiên cứu.

Sự hiện diện của điện tích trong các vật thể khiến chúng tương tác với các vật thể tích điện khác. Đồng thời, các vật thể mang cùng tên đẩy nhau, và tích điện trái dấu, chúng hút nhau.

Lý thuyết tương tác tầm ngắn là một trong những lý thuyết về tương tác trong vật lý. Trong vật lý, tương tác được hiểu là bất kỳ sự ảnh hưởng nào của các vật thể hoặc hạt lên nhau, dẫn đến sự thay đổi trạng thái chuyển động của chúng.

Trong cơ học Newton, tác dụng lẫn nhau của các vật thể lên nhau được đặc trưng về mặt định lượng bằng lực. Hơn đặc điểm chung tương tác là thế năng.

Ban đầu, trong vật lý, ý tưởng được thiết lập rằng sự tương tác giữa các vật thể có thể được thực hiện trực tiếp thông qua không gian trống, không tham gia vào quá trình chuyển giao tương tác. Sự chuyển giao tương tác xảy ra ngay lập tức. Do đó, người ta tin rằng chuyển động của Trái đất sẽ ngay lập tức dẫn đến sự thay đổi lực hấp dẫn tác động lên Mặt trăng. Đây là ý nghĩa của cái gọi là lý thuyết tương tác, được gọi là lý thuyết về hành động tầm xa. Tuy nhiên, những ý tưởng này đã bị loại bỏ vì không đúng sự thật sau khi khám phá và nghiên cứu trường điện từ.

Người ta chứng minh rằng tương tác của các vật mang điện không phải là tức thời và chuyển động của một hạt mang điện dẫn đến sự thay đổi lực tác dụng lên các hạt khác, không phải tại cùng một thời điểm, mà chỉ sau một thời gian hữu hạn.

Mỗi hạt mang điện tạo ra một trường điện từ tác dụng lên các hạt khác, tức là tương tác được truyền qua một "trung gian" - một trường điện từ. Tốc độ lan truyền của điện từ trường bằng tốc độ truyền của ánh sáng trong chân không. nảy sinh lý thuyết mới lý thuyết tương tác của tương tác tầm ngắn.

Theo lý thuyết này, sự tương tác giữa các vật thể được thực hiện thông qua một số trường nhất định (ví dụ, lực hấp dẫn thông qua trường hấp dẫn), phân bố liên tục trong không gian.

Sau khi lý thuyết trường lượng tử ra đời, khái niệm tương tác đã thay đổi đáng kể.

Theo lý thuyết lượng tử, bất kỳ trường nào cũng không liên tục, mà có cấu trúc rời rạc.

Do thuyết nhị nguyên sóng tiểu thể, các hạt nhất định tương ứng với mỗi trường. Các hạt tích điện liên tục phát ra và hấp thụ các photon, tạo thành trường điện từ xung quanh chúng. Tương tác điện từ trong lý thuyết trường lượng tử là kết quả của sự trao đổi các hạt bởi các photon (lượng tử) của trường điện từ, tức là các photon là vật mang tương tác như vậy. Tương tự, các loại tương tác khác phát sinh do sự trao đổi các hạt bằng lượng tử của các trường tương ứng.

Mặc dù có nhiều loại ảnh hưởng của các vật thể lên nhau (tùy thuộc vào sự tương tác của các hạt cơ bản cấu thành của chúng), trong tự nhiên, theo dữ liệu hiện đại, chỉ có bốn loại tương tác cơ bản: hấp dẫn, yếu, điện từ và mạnh (theo thứ tự tăng cường độ tương tác). Cường độ của các tương tác được xác định bởi các hằng số ghép (đặc biệt, điện tích cho tương tác điện từ là hằng số ghép nối).

Hiện đại lý thuyết lượng tử tương tác điện từ mô tả hoàn hảo tất cả các hiện tượng điện từ đã biết.

Vào những năm 60 - 70 của thế kỷ, nó chủ yếu được xây dựng lý thuyết thống nhất tương tác yếu và điện từ (cái gọi là tương tác điện yếu) của lepton và quark.

Lý thuyết hiện đại tương tác mạnh là sắc động lực học lượng tử.

Các nỗ lực đang được thực hiện để kết hợp các tương tác mạnh và yếu vào cái gọi là "Sự thống nhất vĩ đại", cũng như đưa chúng vào kế hoạch duy nhất tương tác hấp dẫn.

Ghi chú bài giảng

Được Hội đồng Biên tập và Xuất bản của Trường duyệt làm thuyết minh

Người đánh giá:

Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học, Trưởng ban. Khoa T và EF KSTU, Giáo sư A.A. Rodionov

Thí sinh Khoa học Vật lý và Toán học, Trưởng ban. Phòng ban
Vật lý đại cương KSU Yu.A. Neruchev

Ứng viên khoa học kỹ thuật, cái đầu Khoa Vật lý, KSHA
DI. Yakirevich

Polunin V.M., Sychev G.T.

Vật lý học. Chất tĩnh điện. Dòng điện không đổi: Ghi chú bài giảng / Kursk. tiểu bang kỹ thuật. un-t. Kursk, 2003. 196 tr.

Bài giảng được biên soạn phù hợp với các yêu cầu của Tiêu chuẩn Giáo dục Nhà nước-2000, Chương trình mẫu ngành "Vật lý" (2000) và chương trình làm việc vật lý cho sinh viên các chuyên ngành kỹ thuật và kỹ thuật của KSTU (2000).

Việc trình bày tài liệu trong bài báo này cung cấp cho học sinh những kiến thức về vật lý và toán học trong phạm vi chương trình học của nhà trường, sự chú ý lớnĐề được đưa ra với những câu hỏi khó hiểu, giúp học sinh ôn thi dễ dàng hơn.

Phần tóm tắt của bài giảng về tĩnh điện và dòng điện một chiều dành cho sinh viên các chuyên ngành kỹ thuật và kỹ thuật thuộc mọi hình thức giáo dục.

Il. 96. Thư mục: 11 đầu sách.

Bang Ó Kursk
Đại học kỹ thuật, 2003

Ó Polunin V.M., Sychev G.T., 2003

Giới thiệu .. 7

Bài giảng 1. Sự tĩnh điện trong chân không và vật chất. Điện trường 12

1.1. Chủ đề điện động lực học cổ điển .. 12

1.2. Điện tích và tính rời rạc của nó. Lý thuyết về hành động đóng. 13

1.3. Định luật Cu lông. Cường độ điện trường. Nguyên lý chồng chất điện trường .. 16

1.4. Dòng véc tơ cường độ trường tĩnh điện. 22

1.5. Định lý Ostrogradsky-Gauss cho điện trường trong chân không. 24

1.6. Công của điện trường đối với chuyển động của điện tích. Sự tuần hoàn của vectơ cường độ điện trường. 25

1.7. Năng lượng của điện tích trong điện trường. 26

1.8. Thế năng và hiệu điện thế của điện trường. Mối liên hệ giữa cường độ điện trường với thế năng của nó .. 28

1.9. Bề mặt tương đương.. 30

1.10. Phương trình cơ bản của tĩnh điện trong chân không. 32

1.11. Một số ví dụ về điện trường do hệ thống điện tích đơn giản nhất tạo ra. 33

Bài giảng 2. Vật dẫn trong điện trường .. 42

2.1. Chất dẫn điện và phân loại của chúng. 42

2.2. Trường tĩnh điện trong khoang của một vật dẫn lý tưởng và gần bề mặt của nó. Bảo vệ tĩnh điện. Sự phân bố điện tích trong khối lượng của vật dẫn và trên bề mặt của nó .. 43

2.3. Điện dung của một vật dẫn đơn và ý nghĩa vật lý. 46

2.4. Tụ điện và điện dung của chúng. 47

2.5. Các kết nối tụ điện. 51

2.6. Phân loại tụ điện. 54

Bài giảng 3. Điện trường tĩnh trong vật chất .. 55

3.1. Dielectrics. Phân tử phân cực và không phân cực. Lưỡng cực trong điện trường đồng nhất và không đồng nhất. 55

3.2. Phí miễn phí và ràng buộc (phân cực) trong điện môi. Sự phân cực của chất điện môi. Vectơ phân cực (phân cực) 58

3.3. Trường trong dielectrics. sự dịch chuyển điện. Tính nhạy cảm điện môi của vật chất. Quan hệ hằng số điện môi Môi trường. Định lý Ostrogradsky-Gauss cho dòng của vectơ cảm ứng điện trường. 61

3.4. Điều kiện tại mặt phân cách giữa hai điện môi. 63

3.5. Hiện tượng nhiễm điện. Hiệu ứng áp điện. Ferroelectrics, thuộc tính và ứng dụng của chúng. hiệu ứng điện ly. 65

3.6. Phương trình cơ bản của tĩnh điện của chất điện môi. 72

Bài giảng 4. Năng lượng điện trường .. 75

4.1. Năng lượng tương tác của các điện tích. 75

4.2. Năng lượng của vật dẫn tích điện, một lưỡng cực trong điện trường ngoài, cơ thể điện môi trong điện trường ngoài một tụ điện tích điện. 77

4.3. Năng lượng điện trường. Mật độ hàng loạt năng lượng điện trường 81

4.4. Lực tác dụng lên vật tích điện vĩ mô đặt trong điện trường. 82

Bài giảng 5. Dòng điện một chiều .. 84

5.1. Dòng điện không đổi. Các hành động và điều kiện tồn tại cơ bản dòng điện một chiều. 84

5.2. Các đặc điểm chính của dòng điện một chiều: giá trị / cường độ / dòng điện, mật độ dòng điện. Lực lượng bên thứ ba .. 85

5.3. Sức điện động(EMF), hiệu điện thế và hiệu điện thế. ý nghĩa vật lý của chúng. Mối quan hệ giữa EMF, hiệu điện thế và hiệu điện thế. 90

Bài giảng 6. Thuyết điện tử cổ điển về tính dẫn điện của kim loại. Luật hiện hành trực tiếp .. 92

6.1. Lý thuyết điện tử cổ điển về tính dẫn điện của kim loại và chứng minh thực nghiệm. Định luật Ohm trong vi phân
và các hình thức tích hợp. 92

6.2. Điện trở vật dẫn điện. Sự thay đổi điện trở của vật dẫn do nhiệt độ và áp suất. Tính siêu dẫn. 98

6.3. Kết nối điện trở: nối tiếp, song song, hỗn hợp. Rung các dụng cụ đo điện. Điện trở bổ sung cho các dụng cụ đo điện .. 104

6.4. Các quy tắc (luật) của Kirchhoff và ứng dụng của chúng để tính toán đơn giản nhất mạch điện 108

6.5. Định luật Joule-Lenz ở dạng vi phân và tích phân. 110

6.6. Năng lượng giải phóng trong mạch điện một chiều. Hệ số hành động hữu ích(hiệu suất) của nguồn một chiều. 112

Bài giảng 7. Dòng điện trong chân không, chất khí và chất lỏng .. 115

7.1. Dòng điện trong chân không. Phát xạ nhiệt. 115

7.2. Phát xạ thứ cấp và trường. 122

7.3. Dòng điện trong chất khí. Quá trình ion hóa và tái tổ hợp .. 124

7.4. Khái niệm về plasma. Tần số plasma. Chiều dài tạm biệt. Độ dẫn điện plasma 142

7,5. chất điện giải. Sự điện phân. Các định luật về sự điện li. 149

7.6. Thế điện hóa .. 151

7.7. Dòng điện qua chất điện phân. Định luật Ôm đối với chất điện li. 152

Bài giảng 8. Electron trong tinh thể .. 161

8.1. Thuyết lượng tử về tính dẫn điện của kim loại. Mức Fermi. Các yếu tố của lý thuyết dải của tinh thể. 161

8.2. Hiện tượng siêu dẫn theo quan điểm của thuyết Fermi-Dirac. 170

8.3. Tính dẫn điện của chất bán dẫn. Khái niệm về sự dẫn điện của lỗ trống. Chất bán dẫn bên trong và bên ngoài. Khái niệm về p-n - chuyển tiếp. 171

8.4. Hiện tượng điện từở giao diện giữa 178

kết luận .. 193

TÀI LIỆU THAM KHẢO .. 195

Tài liệu hướng dẫn này được biên soạn trên cơ sở tài liệu do các tác giả xây dựng trong quá trình giảng dạy về vật lý đại cương sinh viên của các chuyên ngành kỹ thuật và kỹ thuật, với khối lượng nghiên cứu trên lớp tương đối nhỏ, trong một thời gian dài.

Sự hiện diện của phần ghi chú bài giảng này đối với sinh viên các chuyên ngành kỹ thuật và công nghệ sẽ cho phép họ và giảng viên sử dụng thời gian giảng bài hiệu quả hơn, chú ý hơn đến các câu hỏi khó hiểu và giúp sinh viên chuẩn bị cho kỳ thi dễ dàng hơn.

Đặc biệt cần một lợi ích như vậy, theo ý kiến của chúng tôi, các sinh viên văn thư, đã tăng tốc và hình thức từ xa những sinh viên bắt đầu học vật lý chưa có đủ kỹ năng để nhận thức đầy đủ khái niệm vật lý, định nghĩa và luật.

Việc trình bày tài liệu trong tác phẩm này cung cấp cho học sinh những kiến thức về vật lý và toán học trong phạm vi chương trình học của nhà trường, do đó, nhiều khái niệm không được trình bày chi tiết mà được sử dụng như những khái niệm đã biết. Ngoài ra, bài báo này giả định rằng sinh viên đã học hoặc đang học song song khóa học bộ máy toán học tương ứng (vi phân và Tích phân tích, phân tích hàm, phương trình vi phân, đại số vector, hàng).

Một đặc điểm của sổ tay là tài liệu được trình bày trong đó theo một trình tự nhất định, phi truyền thống, có các hình vẽ và thuyết minh cần thiết.

Mặc dù có khối lượng nhỏ, cuốn sách hướng dẫn được đề xuất có chứa một tuyên bố về các vấn đề, kiến thức cần thiết cho việc nghiên cứu các ngành, nền tảng của chúng là các định luật và quy định cơ bản của vật lý.

Việc giảm khối lượng đạt được chủ yếu bằng cách từ chối xem xét một số vấn đề không theo nguyên tắc, cũng như bằng cách gửi một số vấn đề để họ nghiên cứu trong quá trình các lớp học thực hành và phòng thí nghiệm.

Các vấn đề như lý thuyết dải của kim loại và chất bán dẫn, dòng điện trong chân không, chất khí và chất điện phân được trình bày đầy đủ chi tiết.

Việc trình bày tài liệu, với một số ngoại lệ hiếm hoi do các cân nhắc về phương pháp luận, dựa trên một thử nghiệm. Các thử nghiệm cơ bản làm nền tảng giảng dạy hiện đại về điện từ học, được mô tả đầy đủ chi tiết.

Ngoài ra, một số chú ý được chú ý đến việc giải thích các nguyên tắc đo lường chính số lượng điện, nếu có thể, ngay sau phần giới thiệu các khái niệm vật lý liên quan. Tuy nhiên, mô tả của các thí nghiệm khác nhau không được cho là hoàn chỉnh và hơn nữa, chỉ liên quan đến nguyên lý của các thí nghiệm này, vì sinh viên nghe một khóa giảng với các cuộc biểu tình và làm việc trong các phòng thí nghiệm vật lý. Vì lý do tương tự, hầu hết các bản vẽ được thực hiện dưới dạng mạch đơn giản và chỉ phản ánh định tính trường hợp này phụ thuộc mà không chỉ ra đơn vị đo và trị số của các đại lượng đang xét, góp phần giúp học sinh nhận thức đúng hơn về tài liệu đang học.

Vì hiện nay đã có sách giải bài tập tương ứng với chương trình đại học vật lý nên việc đưa vào các nhiệm vụ và bài tập cụ thể cho phần đang học không được cung cấp. Do đó, chỉ có một số ví dụ tương đối được đưa ra trong phần ghi chú của bài giảng để minh họa việc áp dụng các định luật quan trọng nhất.

Bài thuyết trình được thực hiện trong Hệ thống Đơn vị Quốc tế (SI). Chỉ định đơn vị đại lượng vật lýđược đưa ra dưới dạng các đơn vị cơ bản và dẫn xuất của hệ thống, phù hợp với định nghĩa của chúng trong hệ SI.

Sách hướng dẫn có thể được sử dụng bởi các sinh viên tốt nghiệp và giáo viên chưa đủ kinh nghiệm trong trường đại học.

Các tác giả sẽ biết ơn tất cả những người đã xem xét kỹ cẩm nang này và đưa ra những nhận xét nhất định về giá trị. Ngoài ra, họ sẽ cố gắng xem xét tất cả các ý kiến hợp lý từ các đồng nghiệp vật lý, nghiên cứu sinh và sinh viên và có những chỉnh sửa, bổ sung phù hợp.

Giới thiệu

Ghi chú bài giảng này được dành riêng cho một trong những phần khoá học chung vật lý, phần "Điện", được đọc cho sinh viên thuộc các chuyên ngành và hình thức giáo dục đó, trong chương trình giảng dạy mà khóa học này được cung cấp.

Nó tập trung vào thực tế rằng năng lượng điện đóng một vai trò lớn trong công nghệ vì những lý do sau:

1. Cực kỳ dễ dàng mà điện năng được biến đổi thành các dạng năng lượng khác: cơ, nhiệt, ánh sáng và hóa học.

2. Khả năng truyền tải điện năng trên khoảng cách xa.

3. Hiệu suất cao của máy điện và thiết bị điện.

4. Cực kỳ độ nhạy cao thiết bị đo lường và ghi lại điện và sự phát triển phương pháp điện các phép đo các đại lượng phi điện khác nhau.

5. Các cơ hội đặc biệt do các thiết bị điện và thiết bị tự động hóa, điện từ và điều khiển sản xuất mang lại.

6. Phát triển các phương pháp xử lý vật liệu điện, nhiệt, điện hóa, điện cơ và điện từ.

Học thuyết về điện có lịch sử riêng, gắn bó hữu cơ với lịch sử phát triển của lực lượng sản xuất xã hội và các lĩnh vực khác của khoa học tự nhiên. Trong lịch sử của học thuyết về điện, có thể phân biệt ba giai đoạn:

1. Giai đoạn tích lũy các dữ kiện thực nghiệm và thiết lập các khái niệm và định luật cơ bản.

2. Thời kỳ hình thành học thuyết về trường điện từ.

3. Thời kỳ hình thành thuyết nguyên tử về điện.

Nguồn gốc của những ý tưởng về điện là Hy Lạp cổ đại. Sức hút của các vật thể nhẹ do hổ phách cọ xát và các vật thể khác đã được con người biết đến từ lâu. Tuy nhiên, các lực điện hoàn toàn bị che khuất, không thể cảm nhận được khả năng ứng dụng thực tế của chúng, do đó không có động lực cho việc nghiên cứu có hệ thống trong lĩnh vực này.

Chỉ những khám phá của nửa đầu thế kỷ XYIII. buộc một sự thay đổi mạnh mẽ trong thái độ đối với các hiện tượng điện. Không nghi ngờ gì nữa, điều này đã được tạo điều kiện thuận lợi khi phát minh ra máy điện (nửa sau của thế kỷ 17), trên cơ sở đó các khả năng thử nghiệm đã được mở rộng đáng kể.

Đến giữa thế kỷ XIII. sự quan tâm đến điện ngày càng lớn, các nhà khoa học tự nhiên từ nhiều quốc gia được đưa vào nghiên cứu. Việc quan sát sự phóng điện mạnh không thể dẫn đến sự tương tự giữa tia lửa điện và tia sét. Bản chất điện của sét đã được chứng minh bằng các thí nghiệm trực tiếp của W. Franklin, M.V. Lomonosov, G.V. Richman (1752 - 1753). Việc phát minh ra cột thu lôi là ứng dụng thực tế đầu tiên của học thuyết về điện. Điều này đã góp phần vào sự phát triển lợi ích chungđến điện, thu hút các nhà nghiên cứu mới đến lĩnh vực này.

Nhà tự nhiên học người Anh R. Simmer (1759) đã đưa ra một giả thuyết hiệu quả về bản chất của điện. Phát triển các ý tưởng của Du Fay, Simmer kết luận rằng các cơ quan trong trạng thái bình thường chứa hai loại điện lượng bằng nhau, trung hoà tác dụng của nhau. Sự nhiễm điện gây ra sự dư thừa trong cơ thể của một dòng điện so với một dòng điện khác. Một xác nhận tuyệt vời cho giả thuyết này là việc phát hiện ra cảm ứng tĩnh điện của viện sĩ người Nga F. Epinus (1759).

Định luật bảo toàn năng lượng và vật chất do Lomonosov thiết lập là thành tựu lớn nhất trong vật lý của thế kỷ 18. Nội dung của định luật bảo toàn do Lomonosov khám phá dần dần được hé lộ và có vai trò to lớn đối với sự phát triển của lý thuyết về điện. Vì vậy, định luật bảo toàn điện tích được phát hiện sau này là một biểu hiện cụ thể của định luật bảo toàn vật chất và chuyển động.

Cho đến giữa thế kỷ XIII. các thí nghiệm điện tiếp tục mang tính chất định tính thuần túy. Bước đầu tiên hướng tới một thí nghiệm định lượng được thực hiện bởi Richmann, người đã đề xuất dụng cụ đầu tiên cho các phép đo, được gọi là điện kế (1745). Giai đoạn quan trọng nhất trong giai đoạn phát triển kỹ thuật thí nghiệm là phát minh vào năm 1784 của Sh. Coulomb về cân bằng lực xoắn rất nhạy, có tác dụng vai trò quan trọng trong nghiên cứu lực lượng bản chất khác nhau. Thiết bị này cho phép Coulomb thiết lập quy luật tương tác giữa nam châm và điện tích (1785). Định luật Coulomb là cơ sở cho sự phát triển của lý thuyết toán học về tĩnh điện và tĩnh từ.

Hơn nữa, nhờ các thí nghiệm của L. Galvani (1789) và A. Volta (1792), các hiện tượng điện tiếp xúc đã được phát hiện, từ đó dẫn đến phát minh tế bào galvanic và phát hiện ra dòng điện (1800).

Các nhà nghiên cứu người Anh A. Carlyle và W. Nicholson đã phát hiện ra rằng dòng điện đi qua nước, phân hủy nó thành hydro và oxy. Một mối quan hệ phong phú lẫn nhau đã được thiết lập giữa vật lý và hóa học. Điện đang gia tăng giá trị thực tiễnđiều đó kích thích phát triển hơn nữa ngành khoa học này.

Cải tiến thiết kế của cột điện áp dẫn đến việc khám phá ra các hoạt động mới của dòng điện. Năm 1802 V.V. Petrov, với sự trợ giúp của một cột điện áp mạnh, nhận được một hồ quang điện. Hồ quang Petrov đã làm nảy sinh một số ứng dụng mới về hiệu ứng nhiệt của dòng điện.

Với việc phát hiện ra hoạt động của dòng điện lên kim từ trường, H. Oersted (1820) đã đặt nền móng cho một chương mới trong lý thuyết về điện - học thuyết về tính hấp dẫn dòng điện, khiến nó có thể bao gồm từ tính trong một lý thuyết thống nhất về các hiện tượng điện từ.

Việc nghiên cứu về dòng điện tiếp tục tiến triển với tốc độ ngày càng cao. Người ta thấy rằng hành động từ tính dòng điện được khuếch đại nếu dây dẫn được cuộn thành hình xoắn ốc. Điều này đã mở ra khả năng thiết kế đồng hồ đo dòng điện từ.

Năm 1820, A. Ampère đã thiết lập một định luật để xác định lực tương tác của hai dòng điện cơ bản. Trên cơ sở thực nghiệm này, A. Ampère đưa ra giả thiết về bản chất điện của từ trường. Anh ấy gợi ý rằng " dòng điện… Tồn tại xung quanh các hạt sắt, niken và coban đã có trước khi từ hóa. Tuy nhiên, được định hướng theo tất cả các hướng có thể, chúng không thể gây ra bất kỳ hành động bên ngoài nào, vì một số trong số chúng có xu hướng thu hút những gì những người khác đẩy lùi ... ". Đây là cách giả thuyết về dòng phân tử xuất hiện trong vật lý, độ sâu của nó là chỉ được tiết lộ trong thế kỷ 20.

TẠI nghiên cứu thêm về điện, định luật do nhà vật lý người Đức G. Ohm thành lập năm 1827 và được gọi là định luật Ohm đã trở thành một công cụ hữu hiệu.

Trong thời kỳ này đã bắt đầu hoạt động khoa học M. Faraday. Đặc biệt tầm quan trọng lớn trong lịch sử vật lý có hai khám phá của Faraday: hiện tượng cảm ứng điện từ(1831) và định luật điện phân (1834). Faraday đã đưa ra những khám phá này cơ sở lý thuyết nhiều ứng dụng kỹ thuật của điện. E.Kh. Lenz về hiện tượng cảm ứng điện từ (quy tắc Lenz) và việc thiết lập định luật về tác dụng nhiệt của dòng điện (định luật Joule-Lenz) đã góp phần vào ứng dụng thực tếđiện lực.

Thực nghiệm đã xác định rằng lực điện tác động qua một môi trường lấp đầy không gian giữa các vật thể tương tác. Khám phá sự tương tác của các vật thể tích điện, Faraday đã đưa ra khái niệm về lực điện dòng mới và đưa ra ý tưởng về từ trường và điện trường - không gian nơi phát hiện ra tác dụng của lực điện. Faraday tin rằng điện trường và từ trường đại diện cho các trạng thái biến dạng của một số môi trường không trọng lượng xuyên thấu hoàn toàn - ête.

Theo Faraday, không phải điện tích tác dụng lên các vật thể xung quanh mà là các đường sức liên kết với điện tích. Bằng cách này Faraday đã đưa ra ý tưởng về lý thuyết hành động tầm ngắn, theo đó hành động của một số cơ thể lên người khác được truyền qua Môi trườngở một tốc độ nhất định.

Trong những năm 60 năm XIX thế kỷ D. Maxwell đã khái quát lý thuyết của Faraday về điện và từ trường và tạo ra một lý thuyết thống nhất về trường điện từ. Nội dung chính của lý thuyết này nằm trong các phương trình Maxwell, đóng vai trò trong điện từ học giống như các định luật Newton trong cơ học.

Cần lưu ý tầm quan trọng to lớn của công việc của một số nhà vật lý Nga cuối XIX Trong. trên xác nhận thử nghiệm Các lý thuyết của Maxwell. Trong số các nghiên cứu như vậy, các thí nghiệm của P.N. Lebedev về việc phát hiện và đo áp suất ánh sáng (1901).

Cho đến cuối thế kỷ 19. điện được biểu diễn dưới dạng chất lỏng không trọng lượng. Câu hỏi về điện là rời rạc hay liên tục đòi hỏi phải phân tích vật liệu thí nghiệm và thiết lập các thí nghiệm mới. Ý tưởng về tính rời rạc của điện có thể được nhìn thấy trong các định luật điện phân do Faraday phát hiện. Dựa trên những định luật này, nhà vật lý người Đức G. Helmholtz (1881) đã đề xuất sự tồn tại của những phần nhỏ nhất của điện tích. Kể từ thời điểm đó, sự phát triển của lý thuyết điện tử bắt đầu giải thích các hiện tượng như phát xạ nhiệt, sự xuất hiện của tia âm cực. Công lao sáng tạo ra thuyết điện tử chủ yếu thuộc về nhà vật lý người Hà Lan G.A. Lorentz, người trong tác phẩm "Lý thuyết về Electron" (1909) đã kết nối hữu cơ lý thuyết của Maxwell về trường điện từ với các tính chất điện của vật chất, được coi như một tập hợp các điện tích cơ bản.

Dựa trên các biểu diễn điện tử trong quý đầu tiên của thế kỷ 20. phát triển lý thuyết về điện môi và nam châm. Lý thuyết về chất bán dẫn hiện đang được phát triển. Việc nghiên cứu các hiện tượng điện dẫn đến lý thuyết hiện đại về cấu trúc của vật chất. Những thành công của vật lý theo hướng này đỉnh cao là việc khám phá ra các phương pháp giải phóng năng lượng hạt nhân, về mặt chất lượng đã nâng khoa học và công nghệ của nhân loại lên một giai đoạn phát triển mới.

Cần đặc biệt lưu ý rằng trong nhiều ứng dụng kỹ thuật của điện, trong lý thuyết về điện và từ trường, vị trí ưu tiên thuộc về công nhân khoa học và công nghệ Nga. Vì vậy, ví dụ, các nhà khoa học và kỹ sư Nga đã phát minh và sử dụng để thực hành mạ điện và mạ điện, hàn điện, chiếu sáng điện, động cơ điện và radio. Họ đã phát triển nhiều câu hỏi không chỉ quan tâm về mặt lý thuyết mà còn có tầm quan trọng về mặt thực tiễn. Điều này bao gồm vật lý của chất điện môi, chất bán dẫn, nam châm, vật lý phóng điện khí, phát xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện, dao động điện từ và sóng vô tuyến, v.v. thời gian gần đây các vấn đề về chuyển đổi trực tiếp được phát triển năng lượng mặt trời thành năng lượng điện, tạo ra các nguồn điện từ động lực học, " pin nhiên liệu". Các nhà khoa học Ngađóng vai trò hàng đầu trong nghiên cứu nhằm giải quyết vấn đề khoa học và kỹ thuật quan trọng nhất của thời đại chúng ta - vấn đề tạo ra phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát bằng cách sử dụng từ trường và điện từ để cách nhiệt và đốt nóng một loại khí ion hóa cao - plasma.

Với những đóng góp to lớn cho sự phát triển của khoa học thế giới, các nhà khoa học - vật lý người Nga I.E. Tammu, I.M. Frank và P.A. Cherenkov (1958), L.D. Landau (1962), N.G. Basov và A.M. Prokhorov (1964), P.L. Kapitsa (1978), Zh.I. Alferov (2000), V.L. Ginzburg và A.A. Abrikosov (2003) đã được trao Giải thưởng Nobili.

Bài giảng 1. Tĩnh điện trong chân không
và chất. Điện trường

Chủ đề của điện động lực học cổ điển. Điện tích và tính rời rạc của nó. Lý thuyết về hành động đóng. Định luật Cu lông. Cường độ điện trường. Nguyên lý chồng chất của điện trường. Điện trường của lưỡng cực. Dòng véc tơ cường độ trường tĩnh điện. Định lý Ostrogradsky-Gauss cho điện trường trong chân không. Công của điện trường đối với chuyển động của điện tích. Sự tuần hoàn của vectơ cường độ điện trường. Năng lượng của điện tích trong điện trường. Thế năng và hiệu điện thế của điện trường. Cường độ điện trường như một gradient của thế năng của nó. các bề mặt đẳng thế. Phương trình cơ bản của tĩnh điện trong chân không. Một số ví dụ về điện trường do hệ thống điện tích đơn giản nhất tạo ra.

Chủ đề của điện động lực học cổ điển

Điện động lực học cổ điển là lý thuyết giải thích hoạt động của trường điện từ thực hiện tương tác điện từ giữa các điện tích.

Các định luật của điện động lực học vĩ mô cổ điển được xây dựng trong các phương trình Maxwell, cho phép bạn xác định các giá trị của các đặc tính của trường điện từ - cường độ điện trường E và cảm ứng từ TẠI- trong chân không và trong các vật thể vĩ mô, phụ thuộc vào sự phân bố điện tích và dòng điện trong không gian.

Tương tác của các điện tích đứng yên được mô tả bằng phương trình tĩnh điện, có thể thu được như một hệ quả của phương trình Maxwell.

1.2. Điện tích và tính rời rạc của nó.
Lý thuyết tầm ngắn

Sự phát triển của vật lý học đã chỉ ra rằng các tính chất vật lý và hóa học của một chất phần lớn được quyết định bởi lực tương tác do sự có mặt và tương tác của các điện tích của các phân tử, nguyên tử của các chất khác nhau.

Biết rằng trong tự nhiên có hai loại điện tích: điện tích dương và điện tích âm. Chúng có thể tồn tại dưới dạng các hạt cơ bản: electron, proton, positron, ion dương và âm, v.v., cũng như "điện tự do", nhưng chỉ ở dạng electron. Do đó, vật nhiễm điện dương là tập hợp các điện tích thiếu electron, và vật nhiễm điện âm - có phần dư của chúng. Các điện tích của các dấu hiệu khác nhau bù trừ cho nhau, do đó, trong các vật thể không tích điện luôn có các điện tích của cả hai dấu hiệu với số lượng như vậy tổng tác dụng của chúng được bù trừ.

quá trình phân phối lạiđiện tích dương và điện tích âm của các cơ thể không tích điện, hoặc giữa các phần riêng biệt của cùng một cơ thể, dưới tác động của các yếu tố khác nhau được gọi là điện khí hóa.

Vì sự phân bố lại của các electron tự do xảy ra trong quá trình nhiễm điện, ví dụ, cả hai vật thể tương tác đều nhiễm điện, một trong số chúng là dương và một là âm. Số lượng điện tích (dương và âm) không đổi.

Điều này ngụ ý kết luận rằng các điện tích không được tạo ra và không biến mất, mà chỉ được phân phối lại giữa các cơ thể tương tác và các bộ phận của cùng một cơ thể, về lượng không thay đổi.

Đây là ý nghĩa của định luật bảo toàn điện tích, có thể được viết dưới dạng toán học như sau:

những thứ kia. trong một hệ thống cô lập về điện, tổng đại số các điện tích không đổi.

Hệ thống cách ly về điện được hiểu là hệ thống mà thông qua đó không có điện tích nào khác có thể xuyên qua.

Cần lưu ý rằng tổng điện tích của một hệ cô lập là bất biến tương đối tính, vì quan sát viên nằm trong bất kỳ hệ tọa độ quán tính cho trước, đo điện tích, nhận được cùng một giá trị.

Trong tĩnh điện, các tính chất và tương tác của các điện tích bất động trong hệ quy chiếu mà chúng nằm trong đó được nghiên cứu.

Trong vật lý, tương tác được hiểu là bất kỳ ảnh hưởng nào của các vật thể hoặc hạt lên nhau, dẫn đến sự thay đổi trạng thái chuyển động của chúng hoặc thay đổi vị trí của chúng trong không gian. Hiện hữu các loại khác nhau các tương tác.

Trong cơ học Newton, tác dụng lẫn nhau của các vật thể lên nhau được đặc trưng về mặt định lượng bằng lực. Một đặc điểm chung hơn của tương tác là thế năng.

Mỗi hạt mang điện tạo ra một trường điện từ tác dụng lên các hạt khác, tức là tương tác được truyền qua một "trung gian" - một trường điện từ. Tốc độ lan truyền của điện từ trường bằng tốc độ truyền của ánh sáng trong chân không. Một lý thuyết tương tác mới xuất hiện - lý thuyết tương tác tầm ngắn.

Sau khi lý thuyết trường lượng tử ra đời, khái niệm tương tác đã thay đổi đáng kể.

Theo lý thuyết lượng tử, bất kỳ trường nào cũng không liên tục, mà có cấu trúc rời rạc.

Lý thuyết lượng tử hiện đại về tương tác điện từ mô tả hoàn hảo tất cả các hiện tượng điện từ đã biết.

Trong những năm 60-70 của thế kỷ này, một lý thuyết thống nhất về tương tác điện từ và yếu (cái gọi là tương tác điện yếu) của lepton và quark về cơ bản đã được xây dựng.

Lý thuyết hiện đại về tương tác mạnh là sắc động lực học lượng tử.

Các nỗ lực đang được thực hiện để kết hợp các tương tác điện yếu và mạnh thành cái gọi là "Sự thống nhất vĩ đại", cũng như đưa chúng vào một sơ đồ tương tác hấp dẫn duy nhất.