ФІЗИКА ДЛЯ БАКАЛАВРІВ. ЕЛЕКТРИКА І МАГНЕТИЗМ
ВСТУП
Електричний заряд і електромагнітне поле
Фундаментальні взаємодії. Вивчаючи механіку, можна переконатися, що зміни стану системи зумовлюються силами — величинами, які визначають взаємодію частинок між собою та із зовнішніми тілами. При цьому спостерігається багато різних сил: сили тяжіння, пружності, тертя та опору середовища, сили натягу нитки або троса, магнітні та електричні сили, тощо. Але всі ці сили є проявом всього чотирьох фундаментальних[1] взаємодій — гравітаційної, електромагнітної, слабкої та сильної[2].
Властивості фундаментальних взаємодій суттєво відрізняються. Зокрема, гравітаційні та електромагнітні сили теоретично існують при будь-якій відстані між взаємодіючими частинками і є далекодіючими. Натомість сильна та слабка взаємодії є короткодіючими вони існують тільки на відстанях порядку розмірів атомного ядра і менше. Тому всі процеси в навколишньому світі, крім процесів в атомних ядрах та надрах зірок, зумовлені тільки гравітаційною та електромагнітною взаємодіями. При цьому гравітаційна взаємодія є гранично слабкою,[3] вона помітна лише при дуже великій (астрономічній) масі хоча б одного із взаємодіючих тіл. Тому, за винятком тяжіння всі процеси, які ми спостерігаємо навколо себе, мають електромагнітну природу.
Електричний заряд. Гравітаційна взаємодія є властивою для всіх без винятку частинок матерії. Але до електромагнітної взаємодії є здатними лише деякі з них. Так, протони й електрони беруть участь в електромагнітній взаємодії, а нейтрони і фотони — ні. До електромагнітної взаємодії здатними є тільки частинки з певною внутрішньою властивістю, що називається електричним зарядом. При цьому, будучи внутрішньою властивістю частинки, заряд є невіддільним від неї і не може бути повністю чи частково переданий іншій частинці, як, скажімо, імпульс або енергія. Тому словом “заряд” задля зручності позначають і саму таку частинку. До прикладу, говорять не “рух частинок, які мають заряд”, а “рух зарядів”.
Природа електричного заряду ще остаточно не встановлена, але його властивості вивчені достатньо повно. Нагадаємо їх.
1. Заряд усіх заряджених елементарних частинок, які можуть існувати у вільному стані, має однакову величину \(e = 1,6\cdot10^{-19}\ \text{Кл}\), яка називається елементарним зарядом. Отже, в природі існує найменша порція або квант електричного заряду, тобто він є дискретною величиною на відміну, скажімо, від маси, яка може бути якою завгодно.
2. У природі існує два типи електричного заряду, названі позитивним “+” та негативним “–”. Із добре знайомих частинок носієм негативного заряду –е є електрон, а позитивного +е — протон. Наявність двох типів заряду випливає з того факту, що між зарядженими частинками спостерігаються як сили притягання, так і сили відштовхування.
3. Заряд є величиною, що зберігається: в природі діє закон збереження електричного заряду, який гласить:
алгебраїчна сума зарядів усіх частинок електрично ізольованої системи[4] зберігається, тобто не змінюється ні при яких процесах у ній.
Цей закон може здатися тривіальним наслідком збереження кількості частинок в ізольованій системі. Але елементарні частинки здатні до взаємних перетворень: одні частинки можуть зникати і натомість з’являтися інші, у тому числі й заряджені. Тож кількість частинок в замкненій системі може змінюватись, але її електричний заряд лишається незмінним. А це означає, що електрично заряджені частинки можуть зникати й народжуватися не поодинці, а тільки парами протилежно заряджених частинок. Як приклад можна навести народження електрон-позитронної пари (\(e^-\), \(e^+\)) при розпаді електрично нейтральної елементарної частинки — \(\gamma\)-кванта, що є носієм електромагнітного випромінювання. Тому закон збереження електричного заряду є одним з важливих законів, які “керують” процесами в мікросвіті.
4. Електричний заряд є інваріантною величиною, тобто не змінюється при переході від однієї системи відліку до іншої. Це природньо, адже заряд є не характеристикою стану, а внутрішньою властивістю частинки.
Електромагнітне поле. За сучасними уявленнями будь-яка силова взаємодія між частинками здійснюється не безпосередньо, а за допомогою відповідного поля. Зокрема, електромагнітна взаємодія між зарядженими частинками забезпечується електромагнітним полем за схемою “заряд — поле — заряд”: кожна заряджена частинка чи тіло створює у просторі електромагнітне поле, в якому на будь-яку іншу заряджену частинку чи тіло діє відповідна сила. Тому можна вказати на ще одну, первісну, властивість електричного заряду:
електричний заряд є джерелом електромагнітного поля.
На загал властивості електромагнітного поля крім величини зарядів, які його створюють, визначаються просторовим розташуванням і станом руху зарядів. Але в окремому випадку один із указаних факторів може виявитися не істотним. Приміром, якщо поле створюється нерухомими зарядженими тілами, то на його властивості в навколишньому просторі не впливають мікроскопічні теплові рухи зарядів всередині тіла. У такому разі говорять, що в просторі створюється електричне поле, і на вміщені в нього заряди діють електричні сили. А ось будь-яка ділянка провідника із постійним струмом є електрично нейтральною. Тому характеристики поля поза провідником визначаються тільки рухом його зарядів. У такому випадку говорять про магнітне поле та магнітні сили. Отож можна говорити, що електромагнітне поле складається з електричного та магнітного полів. Але електричне і магнітне поля не є двома різними фізичними полями — це два різні прояви єдиного електромагнітного поля. В цьому можна переконатися на такому простому прикладі. Досліджуючи поле, створене нерухомою зарядженою кулькою, ми побачимо, що воно є чисто електричним. Але якщо спостерігати поле тієї ж кульки з візка, що проїжджає повз неї, то буде виявлено як електричне, так і магнітне поле. Це показує, що поділ поля на електричне та магнітне є відносним і залежить від системи відліку, в якій воно розглядається. При цьому у випадку змінних полів електричне та магнітне поля не можуть існувати окремо одне від одного. Ці та інші факти переконують, що у природі існує єдине електромагнітне поле, котре поряд з речовиною є окремим видом матерії, а не просто зручним способом розгляду взаємодії між зарядами.
Навчальний матеріал, який розглядається в даному розділі курсу, розподілено по таких темах:
II. ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ В РЕЧОВИНІ
[1] Фундаментальною називається взаємодія, що не зводиться ні до якої іншої.
[2] Слід зауважити, що за сучасними уявленнями електромагнітна та слабка взаємодії є проявами єдиної електрослабкої взаємодії. Але за конкретними властивостями ці взаємодії настільки різні, що їх розглядають окремо.
[3] Для прикладу, сила гравітаційного притягання між двома протонами приблизно в \(10^{36}\) разів менша за силу їхнього електричного відштовхування.
[4] Мається на увазі система, в яку не можуть заходити та виходити з неї заряджені частинки.