Электромагнитные взаимодействия являются наиболее фундаментальными силами в природе. Они лежат в основе сил упругости, трения, а также непосредственно при взаимодействии электрических зарядов. Существуют основные отличия между гравитационными и электромагнитными силами:

ü участвовать при электромагнитных взаимодействиях могут только электрически заряженные тела;

ü во время гравитационного взаимодействия тела только притягиваются друг к другу, при электромагнитных - они могут, как притягиваться, так и отталкиваться;

ü силы между зарядами намного больше, чем при гравитационных взаимодействиях.

Каждое заряженное тело имеет некоторый заряд. Электрический заряд (q) – физическая величина, которая характеризует электромагнитное взаимодействие. Измеряется заряд в Кулонах (Кл). Заряд - это дискретная величина, поскольку её можно разделить на элементарные величины. Элементарная величиназаряда электрона равна е = -1,6×10^-19 Кл. Протон имеет такой же заряд, только положительный.

Заряды бывают двух видов: положительные и отрицательные. Тела, которые имеют одинаковый по знаку заряд, всегда отталкиваются. Если же тела заряжены разноименно, то они будут притягиваться друг к другу. Если в результате величина заряда будет положительна, то на теле протоны находятся в избытке, если же заряд тела отрицательный, то в избытке электроны.

Для того, чтобы тела электрически взаимодействовали, их необходимо электризовать. Электризация - это процесс, в результате которого происходит распределение заряда, в результате чего тело заряжается.

Самым простым способом достижения электризации является трение. Возьмите стеклянное тело и потрите его хорошенечко шёлком. В результате такого взаимодействия на ткань перейдут электроны, поэтому она станет отрицательно заряженной, а палочка - положительно заряженной. В случае с натиранием эбонитовой палочки шерстью произойдет обратное - шерсть станет положительно заряженной, а палочка - отрицательно. Электризацию трением можно наблюдать во время надевания шерстяных вещей - волосы и ткань начинают электризоваться. В природе результатом электризации является молния. В данном случае тучи и земля имеют противоположные заряды, в результате чего и проскакивает искра различной интенсивностью.

Во время электризации происходит перераспределения заряда. Электроны переходят от одного тела к другому, но при этом они никуда не деваются. И если их вернуть на первоначальное положение, то суммарный заряд будет равен нулю. Поэтому можно сделать вывод, что суммарный заряд изолированной системы остается неизменным:  .

Если два заряженных тела привести во взаимодействие, то заряд распределиться таким образом, что оба тела станут одинаково заряженным. Например, у нас есть одно тело, которое имеет заряд 5 Кл, а второе -12 Кл. После соприкосновения заряд обоих тел станет равным: q=(5-12):2 = -3,5 Кл.

Закон Кулона.

В школьном курсе физики рассматриваются неподвижные точечные заряды. В основе их изучения лежит закон Кулона. Он очень похож на Закон гравитационного взаимодействия. Под точечными зарядами понимают заряды, которые имеют размеры, намного меньшие, чем расстояние между ними. Данная модель введена по примеру материальной точки, позволяющая однозначно говорить о расстояниях между рассматриваемыми зарядами.

Закон Кулона утверждает, что сила, с которой взаимодействуют заряды, напрямую зависит от произведения модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:  . Коэффициент пропорциональности численно равен силе взаимодействия двух точечных зарядов по 1Кл, находящихся в вакууме на расстоянии 1м. Данный закон справедлив только для статических зарядов, которые можно принять за точечные в вакууме.

Если же заряженные тела находятся в некоторой среде, то при описании закона Кулона нужно учитывать диэлектрическую проницаемость среды, которая уменьшает взаимодействие в некоторое количество раз:  . Диэлектрическая проницаемость среды e - безразмерная величина. Определить её можно с помощью специальных таблиц.

Электрическое поле.

Все заряженные тела имеют вокруг себя электрическое поле. Электрическое поле - особый вид материи, способствующий взаимодействию заряженных частиц. Данную материю открыл Майкл Фарадей. Электрическое поле определенных зарядов не изменяется без изменения величины самого заряда. Электрическое поле схематически обозначается линиями со стрелочками. Вокруг положительного заряда стрелочки направлены от него, вокруг отрицательного - к нему. Линий электрического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Если два одноименных заряда находятся на некотором расстоянии друг от друга, то их линии пересекаются и замыкаются. Если же взаимодействуют два одноименных заряда, то силовые линии отталкиваются.

Интенсивность электрического поля – это физическая величина, которая определяется отношением силы к величине пробного заряда. Данная величина называется напряженностью. Вычисляется по формуле:  . Напряженность - это векторная физическая величина, она зависит от направления силы и знака пробного заряда. Вектор напряженности всегда направлен от положительного заряда к отрицательному. Измеряется в СИ [Н/Кл] или [В/м]. Если пробный заряд находится не в вакууме, а в некоторой среде, то нужно учитывать диэлектрическую проницаемость среды:  .

Напряженность поля точечного заряда равна:  . Вектор электрического поля точечного заряда в любой точке направлен вдоль прямой, соединяющей эту точку и заряд.

Чем дальше пробный заряд находится от рассматриваемого заряженного тела, тем меньшая сила на него действует. Значит, напряженность электрического поля становится меньше по мере отдаления от заряженного тела.  Электрическое поле показывают с помощью специальных линий, которые называются линиями напряженности поля.

Сила взаимодействия между зарядами является консервативной, так как не зависит от траектории движения заряда. Эта сила выполняет работу, которая определяется только начальным и конечным положением тела. При этом, как и любая работа консервативных сил, если траектория перемещения - замкнутая линия, то работа равна нулю:

Потенциальная энергия электрического поля равна: , где d – расстояние от заряда до нулевого уровня потенциальной энергии.

Можно заметить, что практически вся теория электродинамики достаточно сильно напоминает механику. Вспомним потенциальную энергию тела: . Она зависит от массы, высоты и ускорения свободного падения. Можно провести аналоги. Основным и главным отличием потенциальной энергии материальных точек от энергии зарядов являются граничные значения. Потенциальная энергия заряженных тел увеличивается с уменьшением расстояния между зарядами и стремится к нулю, когда заряды удаляют на бесконечность.

Потенциальная энергия поля пропорциональна величине рассматриваемого заряда. Величина, являющая коэффициентом пропорциональности, называется потенциалом электрического поля:  , где W_p – энергия заряда в данной точке. Потенциал измеряется в Вольтах (В).

Если напряженность - это силовая характеристика имеющегося поля, то потенциал является его энергетической характеристикой. Если учесть, что разность потенциальных энергий - это работа силы электрического поля, получим:  , где

 - разность потенциалов электрического поля в двух точках,

А – работа электрического поля по перемещению заряда из точки 1в точку 2.

Разность потенциалов называют напряжением электрического поля: . Если некоторый заряд удаляют на бесконечное расстояние, то напряжение такого поля равно начальному потенциалу.

Для того, чтобы изменить потенциал поля необходимо совершить работу по перемещению заряда:  .

    Для наглядного понимания того, что такое потенциалы и их изменения, используют эквипотенциальные поверхности. Это поверхности, которые расположены перпендикулярно к силовым линиям. На всей такой поверхности значение потенциала одинаково. Чем дальше эквипотенциальная поверхность находится от заряда, тем меньше там потенциал.

Для того, чтобы определить общую напряженность, которую создают несколько зарядов, необходимо воспользоваться принципом суперпозиций, который был получен благодаря знаниям из динамики. Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел:  .

Для определения напряженности, создаваемой некоторым количеством зарядов в данной точке, необходимо найти векторную сумму напряженностей каждого заряда:  .

Общий потенциал в точке равен алгебраической сумме всех потенциалов поля, которое создает в отдельности каждый заряд.  .

Проводники. Диэлектрики.

Металлическая проволока имеет в своей структуре свободные электроны, которые могут перемещаться под действием внешней силы, поэтому все тела из металла называют проводниками. Стекло не имеет свободных зарядов, поэтому его называют диэлектриком.

Вся суть проводимости состоит в том, что у всех металлических атомов на внешнем энергетическом уровне находятся свободные электроны, которые меньше всего притягиваются к ядру. И если сила, которая действует на атом больше той силы, с которой внешние электроны притягиваются к ядру, то электроны начинают двигаться, создавая ток.

Кроме металлов, проводниками могут быть электролиты, которые разделяются на положительные и отрицательные ионы. Если же на такие структурные частицы подействовать током, то они начнут двигаться направленно и в некотором порядке. Стоит отметить, несмотря на то, что дистиллированная вода является диэлектриком, природную воду, имеющую растворы некоторых соединений и солей, можно считать проводником. Более того, из-за того, что в нашем организме растворены разнообразные микроэлементы, человеческое тело также является отличным проводником электричества.

Характеристики проводника:

ü значение поля в проводнике всегда равно нулю;

ü весь не скомпенсированный заряд проводника находится на поверхности;

ü силовые линии поля всегда направлены перпендикулярно к проводнику;

ü равность потенциалов в различных точках проводника равна нулю.

Диэлектрики - это материалы, не имеющие свободных носителей заряда. Они слабо проводят ток или совсем его не проводят. В таких элементах все структурные единицы атома крепко связаны друг с другом, поэтому ядерные силы удерживают свои электроны и ионы неподвижными, или позволяют колебаться вблизи ядра или решетки. Если на такие элементы начать действовать электрическим полем, то движения происходить не будет.

Характеристики диэлектриков:

ü напряженность внутри диэлектриков не обязательно должна быть нулевой;

ü заряд в некотором объеме диэлектрика может отличаться от нуля;

ü напряженность поля направлена под любым углом к диэлектрику;

ü каждая точка диэлектрика имеет различный потенциал.

Диэлектрическая проницаемость ( e ) - это основная характеристика, являющаяся общей для всех диэлектриков. Каждый диэлектрик имеет свою диэлектрическую проницаемость. Данная величина характеризуется способностью диэлектриков уменьшать напряженность поля. Внутри диэлектриков происходит возбуждение собственного электрического поля, которое направлено против действия внешнего поля. Таким образом, происходит своеобразное гашение поля. Определить диэлектрическую проницаемость можно воспользоваться специальной таблицей диэлектриков. А также диэлектрическую проницаемость среды можно определить по формуле:  , где Е – модуль напряженности электрического поля.

Конденсатор.

Для определения понятия конденсатора, необходимо воспользоваться всеми знаниями по поводу проводников и диэлектриков, поскольку и те, и другие одновременно используются для изготовления конденсаторов.

Рассмотрим проводник, у которого имеется какой-то определенный потенциал j. Данный потенциал является пропорциональным к величине заряда проводника. Введем понятие электрической ёмкости проводника. Емкость - это физическая величина, позволяющая определить величину заряда, необходимую для изменения потенциала проводника на 1 В. Ёмкость измеряется в фарадах (Ф).

 , где

С – электроемкость уединенного проводника,

q – модуль заряда проводника,

j - потенциал проводника.

Если рассматривать некоторый объемный шар в виде проводника, то его электроёмкость можно определить по следующей формуле:  , где e₀ – 8,854×10^-12 Кл²/(Н×м²) – электрическая постоянная. Емкость сферического проводника зависит исключительно от внешнего диэлектрика, а также от радиуса сферы, то есть её размера. Чем больше сфера, тем больше её емкость. Самым главным для нас сферическим проводником является Земля.

    Самым простым примером для исследования конденсаторов являются плоские конденсаторы. Структура плоского конденсатора достаточно проста. Он состоит из двух металлических плоскостей (обкладок), которые параллельно расположены друг к другу, и располагаются на некотором расстоянии. Между данными пластинами имеется диэлектрик.

Самым простым примером плоского конденсатора является тот, у которого в виде диэлектрика воздух, то есть диэлектрическая проницаемость ɛ = 1. Обе обкладки имеют противоположный заряд -q, +q. Следует отметить, что поле в конденсаторе показывается линиями, выходящими из положительно заряженной пластины, и входящими в отрицательно заряженную пластину. Для определения его ёмкости следует воспользоваться следующей формулой:  .  Емкость зависит исключительно от геометрических размеров конденсатора, а также от диэлектрика между пластинами. Схематически конденсатор изображают следующим образом:

Конденсатор характеризуется способностью накапливать некоторое количество энергии, которую со временем может повторно использовать. Для определения энергии, которую может накапливать конденсатор, следует воспользоваться формулой:  . Энергетическая характеристика конденсатора является составляющей энергии поля зарядов, находящихся внутри него. Энергия напрямую зависит от характеристики конденсатора и его заряда.

В цепи может использоваться несколько конденсаторов, которые соединены параллельно или последовательно. Напомним, что при последовательном соединении концы одного проводника подключаются к началу другого, а при параллельном соединении начало всех проводников соединяется в одном узле, а конец - в другом. Любую сложную схему можно свести к нескольким простым.

При параллельном соединении конденсаторов для нахождения общей ёмкости цепи из конденсаторов, емкость каждого из них складывается с остальными. То есть при параллельном подключении проводников общая ёмкость увеличивается:  . Напряжение на каждой ветке будет одинаково: U=U₁=U₂=U₃. Для нахождения общего заряда заряды каждого конденсатора складываются: q=q₁+q₂+q₃.

    При последовательном соединении общая ёмкость конденсаторов уменьшается: . При этом напряжение цепи равно сумме напряжений на конденсаторах, а величина заряда на всех обкладках одинакова: U=U₁+U₂+U₃ , q=q₁=q₂=q₃.

ЛЕКЦИЯ 2. Постоянный ток.

Электрическим током называют упорядоченное движение зарядов, благодаря чему происходит их перенос из одной области пространства в другую. Такое упорядоченное движение может происходить во многих веществах: твердые тела, жидкости, газы или даже вакуум. Например, если мы возьмем аккумулятор, полюса соединим проводниками, то начнется движение зарядов от плюса к минусу. Это является примером тока в металлических телах. А теперь давайте представим соль, растворенную в воде. В эту воду опускаем два электрода, подключенных к электричеству. В результате прохождения тока к одному электроду будут стремиться положительные ионы раствора, а к другому - отрицательные ионы. Это является примером тока в электролитах. Примером тока в газовой среде является молния. В результате создания двух мощных полей происходит пробой диэлектрической среды. Это, в свою очередь, влечет за собой появление искры. Возьмем большое заряженное тело и начнем передвигать его в пространстве. Исходя из определения электрического тока, имеется и заряд, и его направленное движение. Это значит, что намеренное перемещение объемного заряда также является током. Он называется конвекционным током.

А теперь давайте рассмотрим проводник, который нагревают. Что с ним происходит? Электроны начинают двигаться. И чем выше температура проводника, тем быстрее они двигаются. Но давайте ответим, какое это движение? Хаотическое! Основной отличительной чертой тока от любого другого движения является то, что все заряды должны двигаться направленно. Поэтому движение заряженных частиц, вызванное увеличением температуры, нельзя назвать током. Также стоит отметить, что при любом перемещении нейтрально заряженного тела, такое движение также нельзя назвать током, поскольку не происходит перемещение заряда в пространстве.

Следует отметить, что протекании тока, при упорядоченном движении все положительные частицы двигаются от положительного полюса к отрицательному. Отрицательные же частицы наоборот. Однако, во всем мире, за направление тока принимают то направление, в котором двигаются положительные частицы. То есть принято считать, что ток двигается от положительного полюса к отрицательному. Данное правило противоречит движение тока в металлах, поскольку в этих веществах заряд несут именно электроны, а двигаться они должны от плюса к минусу. Данное направление исторически выбрано А. Ампером в начале 19 века.

Рассмотрим основные виды действия электрического тока.

1. Тепловое. Как нам известно, все тела, которые двигаются, обладают кинетической энергией. А чем больше данная энергия, тем больше температура тела. В данном случае движение заряженных частиц приводит к нагреванию проводника. Именно благодаря такому свойству тока мы используем утюг, фен, нагревательные печи и многие другие приборы.

2. Магнитное. Во время прохождения электрического тока вокруг тела начинает появляться магнитное поле. Это заметил Ампер, проводивший опыты с током рядом с компасом. Во время прохождения тока стрелка компаса начинала двигаться. Именно на основе данного свойства изготавливают электромагниты.

3. Химическое. В то время, когда ток проходит через произвольный электролит, происходит разделение его на положительные и отрицательные ионы. Этот принцип лежит в основе покрытия некоторых деталей или украшений медью, серебром или другими элементами.