Електростатика у вакуумі

Вступ

Курс загальної фізики є профілюючим для радіофізиків. Але у ньому є центральний розділ – курс “Електрика і магнетизм”. Можете бути певними, що без матеріалу із цього курсу ви не обійдетесь на будь-якій кафедрі. Курс дуже складний з математичної точки зору. На найближчих лекціях будемо користуватись елементами векторного аналізу, теорії функції комплексної змінної, розв’язувати системи диференціальних рівнянь, тощо.

Як завжди, будуть лекції, семінари, лабораторні заняття. Відвідування семінарів і лабораторних робіт є обов’язковим, пропущені заняття потрібно бути відпрацьовувати. Яким чином – вирішує конкретний викладач. Екзаменаційний білет буде містити задачу. Якщо ви її не розв’язуєте, оцінка не буде вищою, ніж “задовільно”.

Залік ставиться за лабораторними роботами, оцінка за семінари подається лектору для врахування на екзамені.

Перша атестація виставляється викладачем, що веде семінари, друга – лектором за результатами колоквіуму.

Колоквіумів буде два: перший по електростатиці і діелектриках у електростатичному полі наприкінці жовтня; другий далі по курсу до рівнянь Максвелла, або їх включаючи, у кінці листопада або на початку грудня.

Рекомендована література. Основними є підручники

1. Калашников С.Г. Электричество;

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики, т.3, “Электричество;

3. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм;

Додаткова література:

1. Тамм И.Е. Основы теории электричества;

2. Фейнман Р. и др. Фейнмановские лекции по физике. Т.5-7;

3. Парселл Э. Электричество и магнетизм (серия БКФ).

Для деяких розділів потрібні будуть книги

1. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела;

2. Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела, в 2-х томах;

3. Дэвис Д.А. Волны, атомы и твердые тела.

І, нарешті, для тих, хто глибше цікавиться наукою, пропоную пірнути ближче до першоджерел:

1. Максвелл Д.К. Трактат об электричестве и магнетизме, в 2-х томах.

Електростатика у вакуумі

Першим розділом нашого курсу буде “Електростатика у вакуумі”, тобто властивості і взаємодія нерухомих зарядів у вакуумі.

Насамперед, введемо найфундаментальніше поняття нашого курсу – поняття про електричний заряд. Ще в стародавній Греції вчений Фалес із Мілета виявив, що неметалеві тіла, приведені в контакт (наприклад, потерті одне об одне), стають джерелом сил, що діють як між ними, так і на інші тіла. Він тер бурштин (янтарь – російською) об хутро, і до бурштину притягались легкі предмети. Історія не донесла, які саме. (Показати, як шматочки паперу притягаються до пластмасової (замість бурштину) лінійки чи гребінця).

Довго це лишалось лише цікавим фактом. І лише наприкінці ХVІ сторіччя англійський лікар Джильберт детально дослідив це явище, показав, що бурштин – не єдиний матеріал, що притягає до себе предмети після тертя, і, власне, дав назву явищу – електризація (від грецького слова електрон, що й означає бурштин).

Джеймс Максвелл, посилаючись у своєму трактаті про електрику і магнетизм на роботу лорда Кельвіна, пропонує такий дослід. Візьмемо шматок скла і шматок смоли, які не мають самі по собі ніяких електричних властивостей. Потремо їх один об другий і роз’єднаємо. Шматки будуть взаємно притягуватись.

Якщо взяти інший шматок скла та інший шматок смоли і повторити процедуру електризації, нова пара окремо буде також притягуватись. Підвісимо обидві пари поруч. Шматки скла будуть відштовхуватись один від одного; шматки смоли також будуть відштовхуватись один від одного; скло і смола будуть притягатись. Якщо будь-яке тіло поводить себе аналогічно склу, тобто відштовхує скло і притягує смолу, то кажуть, що тіло заряджене склоподібно. Якщо ж тіло притягає скло і відштовхує смолу, кажуть, що воно заряджене смолоподібно. Виявилось, що всі тіла електризується або склоподібно, або смолоподібно, інших випадків не буває.

Прийнято склоподібну електризацію вважати позитивною, а смолоподібну – негативною. Протилежні властивості обох видів електризації виправдовують приписування їм протилежних знаків, але який вид електризації вважати позитивним, є результатом домовленості, так само як і додатній напрямок осі абсцис відкладається праворуч. Сучасна фізика схильна розглядати позитивний і негативний заряди як протилежні прояви однієї якості.

Кількісно ступінь електризації характеризують кількістю електрики, або електричним зарядом. Отже, при електризації скла виникає позитивний заряд, а при електризації смоли – негативний заряд.

Давайте одразу домовимось із термінологією.

Для розуміння електричної будови речовини суттєвими є дві відомі властивості заряду: заряд зберігається і заряд квантується.

Закон збереження заряду. В ізольованій системі повний електричний заряд, тобто алгебраїчна сума позитивного і негативного зарядів, залишається сталою

.

Це постулат, або емпіричний закон, який підтверджений величезною кількістю експериментів.

Квантування заряду. Експерименти показали, що в природі електричні заряди складаються із дискретних зарядів сталої величини. Ця величина позначається через і є зарядом електрону. Таку саму кількість електрики (додатню або від’ємну) містять всі заряджені елементарні частинки (позитрон, протон, електрон). Навіть припускаючи існування кварків із зарядом , поки що теорія не може пояснити, чому не можуть існувати частинки із зарядом або , а бо існувати можуть.

Все сказане стосується якісного розгляду електричного заряду. Початок кількісного вивчення електричних явищ припадає на 1785 рік, коли Шарль Огюстен Кулон встановив на досліді закон взаємодії електричних зарядів.