Trang Chủ > Rèm cửa > Từ lịch sử của điện động lực học. Chủ đề của điện động lực học cổ điển


Từ lịch sử của điện động lực học. Chủ đề của điện động lực học cổ điển




Bài giảng 1

Chủ đề của điện động lực học cổ điển. Điện trường... Cường độ điện trường.

Các chủ đề của điện động lực học. Điện động lực học - một phần vật lý nghiên cứu sự tương tác hạt mang điện và Loại đặc biệt vật chất 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 tĩnh ... Điện trường thực hiện tương tác này được gọi là tĩnh điện .

1.1. Phí điện.

Các phương pháp thu 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, như những cái đó xảy ra khi cọ xát thủy tinh với lụa; điện tích âm - tương tự như những điện tích phát sinh khi cọ xát hổ phách lên lông thú. Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, các điện tích khác dấu thì hút nhau (Hình 1.1).

Vốn dĩ là điện tích thuộc về nguyên tử (rời rạc). Điều này có nghĩa là trong tự nhiên tồn tại một điện tích nhỏ nhất, không thể chia được nữa, được gọi là điện tích cơ bản. Số lượng sơ cấp sạc trên 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, mà tất cả các vật thể trong tự nhiên đều được cấu tạo. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng, theo các khái niệm hiện đại, các hạt tương tác mạnh - hadron (meson và baryon) - được xây dựng từ cái gọi là hạt quark - các hạt đặc biệt mang phân số sạc điện. Hiện tại, sáu loại quark được biết đến - u, d, s, t, b và c - theo các chữ cái đầu tiên của các từ: hướng lên-phía trên, xuống-thấp hơn, Bên lề-bên cạnh (hoặc lạ lùng-lạ lùng), đứng đầu- đỉnh, đáy- cực và quyến rũ-có vũ khí. Các quark này chia thành các cặp: (u, d), (c, s), (t, b). Các quark u, c, t có điện tích là +2/3 và điện tích của các 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. Hạt quark miễn phí không quan sát... Điều này cho phép chúng ta xem xét rằng điện tích cơ bản trong tự nhiên là số nguyên sạc điện e, nhưng không phân sốđiện tích quark. Điện tích của các vật thể vĩ mô được hình thành bởi một tập hợp các điện tích cơ bản và do đó bội số nguyên của e.

Để tiến hành thí nghiệm với điện tích, sử dụng những cách khác tiếp nhận chúng. Cách dễ nhất và cổ xưa nhất là cọ xát một số cơ thể bởi những người khác. Đồng thời, 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 (cọ xát) chỉ giúp loại bỏ các bất thường trên bề mặt của các vật tiếp xúc, làm chúng không rúc vào nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền điện tích từ vật này sang vật khác. Phương pháp thu được điện tích này là cơ sở của hoạt động của một số ô tô điện, ví dụ, máy phát tĩnh điện Van de Graaff (R. Van de Graaff, 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 chưa được sạc thân kim loại(mà không cần chạm vào nó) một cơ thể khác, tích điện, nói, tích cực. Do sự dịch chuyển của một phần nào đó electron mang điện tích âm tự do có sẵn trong kim loại, nửa bên trái của vật ban đầu sẽ thừa điện tích âm và nửa bên phải sẽ có cùng độ lớn, nhưng ngược dấu, điện tích dương. 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 tính phí... Kết quả là chúng ta sẽ nhận được hai vật thể mới mang 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). Mặt dây chuyền đo lực tương tác của hai quả cầu nhỏ tích điện tùy thuộc vào độ lớn của các điện tích và khoảng cách giữa chúng bằng cách sử dụng một cân xoắn được thiết kế đặc biệt bởi anh ta (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 tác dụng trùng với đường thẳng đi qua cả hai điện tích.:

Nói cách khác, chúng ta có thể viết:

Hệ số tỷ lệ k phụ thuộc vào việc lựa 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 nhấn mạnh một lần nữa rằng ở dạng này, định luật Coulomb chỉ được xây dựng cho các điện tích điểm, tức là đối với 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 dưới dạng vi phân cho từng cặp điện tích cơ bản dq1 và dq2, trong đó các vật thể tích điện được "phân tách":

sau đó Tràn đầy sức mạnh tương tác của hai vật thể tích điện vĩ mô sẽ được trình bày dưới dạng:

Tích hợp trong công thức này được thực hiện cho 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 tuyến tínhđiện tích dây tóc τ.

Lực cần tìm 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 chúng. Điều này được thể hiện trong thực tế là một lực tác dụng lên một điện tích khác đặt gần một vật tích điện (chúng ta hãy gọi nó là một phép thử) (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 điện trường tại một điểm nhất định trong không gian, thì điện tích thử rõ ràng phải có dạng điểm.

Hình 1.5. Xác định cường độ điện trường.
Bằng cách đặt một điện tích thử qpr cách điện tích q một khoảng r (Hình 1.5), chúng ta sẽ thấy rằng một lực tác dụng lên nó, độ lớn của lực đó là

phụ thuộc vào giá trị của điện tích thử nghiệm đã lấy qpr. Tuy nhiên, dễ dàng 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 của điện tích q tại một điểm r cho trước. Do đó, theo lẽ tự nhiên, tỷ lệ này là một giá trị đặc trưng cho "cường độ" hoặc, như người ta nói, cường độ của điện trường (trong trường hợp này trường phí điểm):
.
Như vậy, cường độ của điện trường là đặc tính cường độ của nó. Về mặt số lượng, nó bằng lực tác dụng lên điện tích thử qpr = +1, đặt trong một trường cho trước.
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 có cường độ thì một lực sẽ tác dụng lên nó:

Chiều của cường độ điện trường trong SI:.
Nó là thuận tiện để mô tả một điện trường 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 này. Người ta thường chấp nhận rằng các đường sức 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 cứ đâu. Ví dụ về đường sức của một số điện trường được thể hiện trên hình 1.6.
Hình 1.6. Ví dụ về hình ảnh của điện trường sử dụng các đường sức: một điện tích điểm (dương và âm), một lưỡng cực, một điện trường đều.
Điện trường tuân theo nguyên tắc chồng chất (cộng), có thể được xây dựng như sau: cường độ điện trường tạo ra tại một điểm nào đó trong không gian bởi hệ thống các điện tích bằng tổng vectơ cường độ của điện trường được tạo ra tại cùng một điểm trong không gian bởi mỗi điện tích riêng biệt:

Thí dụ. Tìm cường độ điện trường E của lưỡng cực (một hệ gồm hai điện tích điểm nối chặt trái dấu) 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. Tính cường độ điện trường của hệ hai điện tích điểm.

Điện và từ tính N.F. Shemyakov

… Trường mang dòng điện và điện tích, chúng được gọi là điện từ vì lý do chính đáng,

Chúng mang lại hơi ấm và ánh sáng để một người sống trong sự thoải mái ...

4. Giới thiệu điện và từ tính

1. Chuyên đề điện động lực học cổ điển

Một ngành vật lý trong đó các tính chất của điện từ trường và các loại vật chất khác tương tác với nó được gọi là điện động lực học cổ điển.

Trường điện từ là một dạng vật chất độc lập. Vì lý do lịch sử, thuật ngữ "trường" trong vật lý có hai nghĩa khác nhau. Ngày thứ nhất, một loại vật chất đặc biệt được gọi là trường. Thứ hai, trong số đại lượng vật lý các hàm của tọa độ là những hàm được gọi là trường, ví dụ, trường vận tốc. Cụm từ " trường điện từ"đặc trưng cho loại vật chất đặc biệt của nó. Một điện trường, giống như bất kỳ vật thể vật chất nào, được đặc trưng bởi trạng thái và phương trình chuyển động. Tại mỗi thời điểm, trạng thái trường điện từđược mô tả bởi hai trường: điện trường và từ trường. Phương trình chuyển động của điện từ trường được chứa trong các phương trình vi mô Maxwell... Phương trình vi mô Maxwell cùng với các phương trình Lorenzđối với các hạt mang điện tạo thành một hệ phương trình cơ bản của điện động lực học cổ điển. Cùng với các phương trình vi mô, các phương trình vĩ mô được sử dụng Maxwell, phương trình vĩ mô Lorenz và các phương trình vật chất (ví dụ, luật Om), tạo thành một hệ phương trình vĩ mô.

2. Khái niệm hành động tầm ngắn

Khái niệm trường lực được sử dụng để mô tả sự tương tác của các vật thể. Vì sự tương tác của các hạt mang điện được truyền với tốc độ hữu hạn bằng tác động tầm ngắn, chất trung gian là trường điện từ. Giả thuyết về bản chất tầm ngắn của tương tác điện từ được đề xuất bởi Faraday vào giữa thế kỷ 19. Một lát sau Maxwellđã viết các phương trình điện động lực học nổi tiếng của mình, chứa đựng một giải thích toán học về ý tưởng hành động trong phạm vi ngắn và giúp đưa ra dự đoán về bản chất điện từ của ánh sáng. Hertz Thực nghiệm thiết lập sự phát và lan truyền của sóng điện từ theo các phương trình Maxwell, cuối cùng đã xác nhận ý tưởng về hành động tầm ngắn.

4.1. Tĩnh điện

1.1. Lượng tử hóa phí.

Lực điện đề cập đến một trong những tương tác cơ bản - tương tác điện từ, phụ thuộc vào độ lớn của các điện tích. Sự tồn tại của lực điện từ đã được phát hiện từ lâu. Hành động của họ đã được người Hy Lạp cổ đại biết đến.

Nhiều hạt cơ bản có điện tích, ví dụ, electron, proton, ion hoặc các cơ quan macro được tính phí, v.v.

Điện tích của một hạt là một trong những đặc điểm của nó.

Một hạt cơ bản có thể tồn tại mà không có điện tích, ví dụ, nơtron, photon, v.v., nhưng không có điện tích nếu không có hạt.

Ví dụ, điện tích của một electron và một proton có giá trị tuyệt đối bằng điện tích cơ bản:

е = 1,6 10  19 Cl.

    Điện tích được lượng tử hóa, tức là có thể nhận một khoản phí là bội số của khoản phí cơ bản. Bất kỳ điện tích vĩ mô nào cũng có thể được biểu diễn dưới dạng biểu thức:

hoặc Q = nе,

với n là số hạt mang điện.

2. Có tích cực và tiêu cực phí điện. Ví dụ, một electron là một hạt mang điện âm, một proton là một hạt mang điện dương.

3. Điện tích  bất biến, I E. . giá trị của nó không phụ thuộc vào hệ quy chiếu, tức là không phụ thuộc vào việc nó đang chuyển động hay đang dừng lại.

4. Định luật bảo toàn điện tích được phát hiện Faraday

Trong bất kỳ hệ thống cô lập về điện nào, tổng đại số của các điện tích là một hằng số, I E.

. (1.1)

Các tính chất cơ bản của điện tích có tầm quan trọng lớn trong vật lý hiện đại và trong khoa học tự nhiên nói chung.

Bình luận:

Các hạt cơ bản được phát hiện  quark, có điện tích phân số, bội số của ,... Quark không tồn tại ở trạng thái tự do .

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, giúp xác định các giá trị của các đặc tính của trường điện từ: cường độ điện trường E và cảm ứng từ V 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 bởi phương trình Lorentz-Maxwell, làm cơ sở cho phương trình cổ điển lý thuyết thống kê các quá trình điện từ trong các cơ thể vĩ mô. Tính trung bình các phương trình này dẫn đến phương trình Maxwell.

Trong số tất cả loài đã biết tương tác 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 bằng 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, là tầm xa, ngược lại với tính tương tác mạnh.

Tương tác điện từ quyết định cấu trúc của vỏ nguyên tử, sự liên kết 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 của điện động lực học cổ điển không thể áp dụng được ở tần số cao và do đó, độ dài nhỏ sóng điện từ, I E. cho các quá trình xảy ra trong 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 hiện diện 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, một cơ thể tích điện dương là sự kết hợp của các điện tích thiếu electron và cơ thể mang điện tích âm - với 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 mà tổng hành động của chúng được bù đắp.

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

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

Do đó, 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, không thay đổi về mặt định lượng.

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

những thứ kia. trong một hệ cô lập, tổng đại số các điện 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 Các quan sát viên trong bất kỳ hệ tọa độ quán tính đã cho, khi đo điện tích đều nhận được cùng một giá trị.

Một số thí nghiệm, đặc biệt là các định luật điện phân, thí nghiệm của Millikan với một giọt dầu, cho thấy rằng trong tự nhiên, các điện tích là rời rạc với điện tích của một electron. Điện tích bất kỳ là bội số nguyên của điện tích electron.

Trong quá trình nhiễm điện, điện tích thay đổi không ngừng (lượng tử hóa) bằng số lượng điện tích của êlectron. 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 được đặt ở đó được nghiên cứu.

Sự hiện diện của điện tích trong các vật thể gây ra sự tương tác của chúng với các vật thể tích điện khác. Trong trường hợp này, các vật thể có cùng tên bị đẩy lùi, và các vật thể có tên khác bị thu hút.

Lý thuyết hành động tầm ngắn là một trong những lý thuyết về sự tương tác trong vật lý. Trong vật lý, tương tác được hiểu là bất kỳ hành động nào của các vật thể hoặc các 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, ý tưởng được thiết lập trong vật lý 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. Việc chuyển giao tương tác xảy ra ngay lập tức. Vì vậy, 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 coi là sai sự thật sau khi phát hiện và nghiên cứu trường điện từ.

Người ta đã chứng minh rằng tương tác của các vật mang điện không phải là tức thời và sự 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 sự 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. Mới nổi lý thuyết mới lý thuyết tương tác của hành động tầm ngắn.

Theo lý thuyết này, sự tương tác giữa các vật thể được thực hiện bởi các phương tiện của một số trường nhất định (ví dụ, lực hấp dẫn bởi 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 tính đối ngẫu sóng-hạt, 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 bao 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 này. 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 sự đa dạng về tác động của các vật thể lên nhau (tùy thuộc vào sự tương tác của các hạt cơ bản cấu thành 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 của cường độ tương tác tăng). 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).

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 (gọi là tương tác điện yếu) của lepton và quark chủ yếu 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 lớn", cũng như đưa chúng vào một sơ đồ tương tác hấp dẫn duy nhất.


Từ lịch sử điện động lực học

Tốt 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.

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

2. Các điện tích.

Một. Tính chất của các điện tích.

NS. Định luật Cu lông.

3. Điện trường.

Một. Ý tưởng ở gần - và hành động ở khoảng cách xa.

NS. Cường độ điện trường. Trường điện tích điểm. Biểu diễn đồ họađiện trường.

4. Nguyên lý chồng chất điện trường.

Một. Trường lưỡng cực.

NS. Trường của một sợi tích điện vô tận.

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

Từ lịch sử điện động lực học

Các hiện tượng điện và từ khác nhau mà con người quan sát được từ thời xa xưa luôn khơi gợi sự tò mò và thích thú của họ. Tuy nhiên, "quan sát" không có nghĩa là "điều tra".

Các bước khoa học đầu tiên trong việc nghiên cứu về điện và từ chỉ được thực hiện vào cuối thế kỷ 16 bởi bác sĩ cho Nữ hoàng Elizabeth của Anh, William Hilbert (1540 - 1603). Trong chuyên khảo của mình "Về nam châm, các vật thể từ tính và một nam châm lớn - Trái đất", Hilbert 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 với 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 về các hiện tượng điện được nhà nghiên cứu người Pháp Charles Dufay (1698 - 1739) đưa ra. Ông đã xác định rằng có hai loại điện: "Một loại", ông viết, "Tôi gọi là điện" thủy tinh ", loại còn lại là" nhựa ". Tính đặc thù của hai loại điện này: 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 các tác phẩm lắp đặt thí nghiệm do ông tạo ra đã trở thành tác phẩm kinh điển và đã trang trí các phòng thí nghiệm vật lý trong hơn 200 năm cơ sở giáo dục(ví dụ: "bánh xe 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 đứng yên và sau này là các cực từ. Định luật Coulomb là nền tảng của tĩnh điện. Cuối cùng, ông đã cho phép thiết lập đơn vị đo điện tích và khối lượng từ trường. Việc phát hiện ra định luật này đã kích thích sự phát triển của lý thuyết toán học hiện tượng điện và từ.

Tuy vậy, thời gian dài(kể từ thời Hilbert) người ta tin rằng điện và từ không có điểm chung. Chỉ đến năm 1820, Dane Hans Oersted (1777 - 1851) mới phát hiện ra ảnh hưởng của dòng điện trên kim từ tính, mà ông giải thích rằng "một xoáy từ được hình thành xung quanh dây dẫn dòng điện." Nói cách khác, Oersted phát hiện ra rằng dòng điện là nguồn của từ trường. Vị trí 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, lần đầu tiên ông quan sát thấy hiện tượng "cảm ứng từ", khi trong mạch dẫn xuất hiện dòng điện cảm ứng thì từ thông xuyên qua mạch này thay đổi.

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, đặc biệt, dự đoán sự tồn tại của sóng điện từ, đưa ra ý tưởng về bản chất điện từ của ánh sáng, tính toán mật độ năng lượng lớn của sóng điện từ, tính toán áp suất mà sóng điện từ phải tạo ra khi rơi vào. một bề mặt hấp thụ.

Định nghĩa 1

Điện động lực học là một lý thuyết xem xét các quá trình điện từ trong chân không và các phương tiện khác nhau.

Điện động lực học bao gồm một tập hợp các quá trình và hiện tượng trong đó các hành động giữa các hạt mang điện đóng vai trò chủ đạo, được thực hiện nhờ trường điện từ.

Lịch sử phát triển của điện động lực học

Lịch sử phát triển của điện động lực học là lịch sử phát triển của các khái niệm vật lý truyền thống. Ngay cả trước giữa thế kỷ 18, các kết quả thí nghiệm quan trọng đã được thiết lập, do điện:

  • lực đẩy và lực hút;
  • sự phân chia vật chất thành chất cách điện và chất dẫn điện;
  • sự tồn tại của hai loại điện.

Ngoài ra, kết quả đáng kể đã đạt được trong nghiên cứu từ tính. Việc sử dụng điện bắt đầu vào nửa sau của thế kỷ 18. Sự xuất hiện của giả thuyết điện như một chất vật chất đặc biệt gắn liền với tên tuổi của Franklin (1706-1790) Và năm 1785 Coulomb đã thiết lập định luật tương tác của các điện tích điểm.

Volt (1745-1827) đã phát minh ra nhiều dụng cụ đo điện. Năm 1820, một định luật được thành lập nhằm xác định lực cơ học mà từ trường tác dụng lên một phần tử của dòng điện. Hiện tượng này có tên là định luật Ampere. Ngoài ra, Ampere đã thiết lập định luật về tác dụng của một số dòng điện. Năm 1820 Oersted phát hiện ra tác dụng từ của dòng điện. Định luật Ohm được thành lập vào năm 1826.

Trong vật lý Ý nghĩa đặc biệt có giả thuyết về dòng điện phân tử, được Ampere đề xuất vào năm 1820. Faraday năm 1831 đã khám phá ra định luật cảm ứng điện từ. James Clerk Maxwell (1831-1879) năm 1873 đã đặt ra các phương trình mà sau này trở thành cơ sở lý thuyết của điện động lực học. Hệ quả của các phương trình Maxwell là dự đoán về bản chất điện từ của ánh sáng. Ông cũng dự đoán khả năng tồn tại của sóng điện từ.

Theo thời gian, trong khoa học vật lý, ý tưởng về trường điện từ như một thực thể vật chất độc lập, là một loại vật mang tương tác điện từ trong không gian, đã phát triển. Các hiện tượng điện và từ khác nhau luôn thu hút sự quan tâm của mọi người.

Thường thì thuật ngữ "điện động lực học" dùng để chỉ điện động lực học truyền thống, chỉ mô tả các tính chất liên tục của trường điện từ.

Trường điện từ là chủ đề chính nghiên cứu về điện động lực học, cũng như một loại vật chất đặc biệt, biểu hiện khi tương tác với các hạt mang điện.

Popov A.S. năm 1895, ông đã phát minh ra đài phát thanh. Chính điều này đã có tác động quan trọng đến phát triển hơn nữa công nghệ và khoa học. Tất cả các hiện tượng điện từ có thể được mô tả bằng cách sử dụng các phương trình Maxwell. Các phương trình thiết lập mối quan hệ của các đại lượng đặc trưng cho từ trường và điện trường, phân bố dòng điện và điện tích trong không gian.

Hình 1. Sự phát triển của học thuyết về điện. Author24 - trao đổi trực tuyến các bài báo của sinh viên

Sự hình thành và phát triển của điện động lực học truyền thống

Bước quan trọng và quan trọng nhất trong sự phát triển của điện động lực học là việc phát hiện ra Faraday - hiện tượng cảm ứng điện từ (kích thích suất điện động trong vật dẫn sử dụng trường điện từ xoay chiều). Đây là điều đã trở thành cơ sở của kỹ thuật điện.

Michael Faraday là một nhà vật lý người Anh, sinh ra trong một thợ rèn ở London. Anh ấy đã tốt nghiệp trường tiểu học và từ năm 12 tuổi, ông đã làm công việc bán báo dạo. Năm 1804, ông trở thành học trò của émigré Ribot người Pháp, người đã khuyến khích Faraday theo đuổi con đường tự học. Trong các bài giảng, anh ấy đã tìm cách bổ sung kiến ​​thức của mình về Khoa học tự nhiên hóa học và vật lý. Năm 1813, ông được trao một tấm vé tham dự các bài giảng của Humphrey Davy, người đóng vai trò quyết định trong cuộc đời ông. Với sự giúp đỡ của ông, Faraday có được một vị trí trợ lý tại Viện Hoàng gia.

Các hoạt động khoa học của Faraday diễn ra tại Viện Hoàng gia, nơi lần đầu tiên ông giúp Davy trong các thí nghiệm hóa học của mình, sau đó ông bắt đầu tự mình tiến hành chúng. Faraday thu được benzen bằng cách khử clo và các khí khác. Năm 1821, ông phát hiện ra cách một nam châm quay xung quanh một dây dẫn mang dòng điện, tạo ra mô hình đầu tiên của động cơ điện.

Trong 10 năm tiếp theo, Faraday đã nghiên cứu mối liên hệ giữa từ trường và hiện tượng điện... Tất cả các nghiên cứu của ông đã được đăng quang với việc phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ, xảy ra vào năm 1831. Ông đã nghiên cứu hiện tượng này một cách chi tiết, và cũng hình thành định luật cơ bản của nó, trong đó ông đã tiết lộ sự phụ thuộc của dòng điện cảm ứng. Faraday cũng nghiên cứu các hiện tượng đóng, mở và tự cảm ứng.

Việc phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ đã tạo ra ý nghĩa khoa học. Hiện tượng này là trọng tâm của tất cả các máy phát điện xoay chiều và một chiều. Vì Faraday liên tục tìm cách khám phá bản chất của dòng điện, điều này đã khiến ông tiến hành các thí nghiệm về sự truyền dòng điện qua các dung dịch muối, axit và kiềm. Kết quả của những nghiên cứu này, định luật điện phân đã xuất hiện, được phát hiện vào năm 1833. Năm nay anh ta mở một vôn kế. Năm 1845, Faraday phát hiện ra hiện tượng phân cực ánh sáng trong từ trường. Năm nay, ông cũng phát hiện ra từ tính, và vào năm 1847 - từ tính thuận từ.

Nhận xét 1

Những ý tưởng của Faraday về từ trường và điện trường có ảnh hưởng quan trọng đến sự phát triển của vật lý học. Năm 1832, ông bày tỏ ý tưởng rằng sự lan truyền của hiện tượng điện từ là một quá trình sóng xảy ra với tốc độ hữu hạn. Năm 1845, Faraday lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ "trường điện từ".

Khám phá của Faraday đã trở nên phổ biến rộng rãi khắp nơi thế giới khoa học... Để vinh danh ông, Hiệp hội Hóa học Anh đã thành lập Huân chương Faraday, đây đã trở thành một giải thưởng khoa học danh dự.

Giải thích hiện tượng cảm ứng điện từ và gặp khó khăn, Faraday đưa ra giả thiết về việc thực hiện các tương tác điện từ sử dụng điện trường và từ trường. Tất cả điều này đánh dấu sự khởi đầu của việc hình thành khái niệm trường điện từ, được James Maxwell đóng khung.

Đóng góp của Maxwell vào sự phát triển của điện động lực học

James Clerk Maxwell là một nhà vật lý người Anh sinh ra ở Edinburgh. Dưới sự lãnh đạo của ông, Phòng thí nghiệm Cavendish ở Cambridge đã được thành lập, nơi ông đứng đầu cả đời.

Các công trình của Maxwell dành cho điện động lực học, thống kê chung, vật lý phân tử, cơ học, quang học và lý thuyết đàn hồi. Ông đã có những đóng góp quan trọng nhất của mình trong lĩnh vực điện động lực học và vật lý phân tử. Maxwell là một trong những người sáng lập ra lý thuyết động học của chất khí. Ông đã thiết lập các hàm phân bố vận tốc của các phân tử, dựa trên việc xem xét các va chạm về phía sau và phía trước, Maxwell đã phát triển lý thuyết về sự vận chuyển trong nhìn chung và áp dụng nó vào các quá trình khuếch tán, nội ma sát, dẫn nhiệt, và cũng đưa ra khái niệm thư giãn.

Năm 1867, ông lần đầu tiên chỉ ra bản chất thống kê của nhiệt động lực học, và vào năm 1878, ông đưa ra khái niệm "cơ học thống kê". Quan trọng nhất thành tựu khoa học Maxwell là lý thuyết về trường điện từ do ông tạo ra. Trong lý thuyết của mình, ông sử dụng khái niệm mới về "dòng dịch chuyển" và đưa ra định nghĩa về trường điện từ.

Ghi chú 2

Maxwell dự đoán một hiệu ứng mới quan trọng: sự tồn tại bức xạ điện từ và sóng điện từ trong không gian tự do, cũng như sự lan truyền của chúng với tốc độ ánh sáng. Ông cũng xây dựng một định lý trong lý thuyết đàn hồi, thiết lập mối quan hệ giữa các tham số nhiệt vật lý quan trọng. Maxwell phát triển lý thuyết về tầm nhìn màu sắc, nghiên cứu sự ổn định của các vòng sao Thổ. Ông cho thấy rằng những chiếc nhẫn không phải là chất lỏng hay chất rắn, chúng là một đám thiên thạch.

Maxwell là một nhà quảng bá nổi tiếng kiến thức vật lý... Nội dung của bốn phương trình của trường điện từ như sau:

  1. Một từ trường được tạo ra bởi các điện tích chuyển động và một điện trường xoay chiều.
  2. Một điện trường có các đường sức khép kín do từ trường xoay chiều tạo ra.
  3. Các đường sức từ luôn đóng. Trường này không có điện tích từ trường, tương tự như điện trường.
  4. Điện trường, có các đường sức mở, do các điện tích tạo ra, là nguồn của trường này.