ელექტროენერგია და მაგნეტიზმი ნ.ფ. შემიაკოვი

… მუხტისა და დენის გადატანის ველებს, მათ ელექტრომაგნიტურს უწოდებენ.

ისინი აძლევენ სითბოს და შუქს, რათა ადამიანმა კომფორტულად იცხოვროს ...

4. ელექტროენერგიის და მაგნეტიზმის შესავალი

1. კლასიკური ელექტროდინამიკის საგანი

ფიზიკის დარგი, რომელიც სწავლობს ელექტროენერგიის თვისებებს მაგნიტური ველიდა მასთან ურთიერთქმედების სხვა სახის მატერია ე.წ კლასიკური ელექტროდინამიკა.

ელექტრომაგნიტური ველი არის მატერიის დამოუკიდებელი ტიპი. ისტორიული მიზეზების გამო ფიზიკაში ტერმინს „ველს“ ორი განსხვავებული მნიშვნელობა აქვს. Პირველი, ველი ეწოდება განსაკუთრებული სახისმატერია.მეორე, მათ შორის ფიზიკური რაოდენობითკოორდინატების ფუნქციებს უწოდებენ ველებს, მაგალითად, სიჩქარის ველს. Ფრაზა " ელექტრომაგნიტური ველი"ახასიათებს მის განსაკუთრებულ სახეობას. ელექტრულ ველს, ისევე როგორც ნებისმიერ ფიზიკურ ობიექტს, ახასიათებს მოძრაობის მდგომარეობა და განტოლებები. დროის ყოველ მომენტში სახელმწიფო ელექტრომაგნიტური ველიაღწერილია ორი ველით: ელექტრული და მაგნიტური. ელექტრომაგნიტური ველის მოძრაობის განტოლებები შეიცავს მიკროსკოპულ განტოლებებს მაქსველი. მიკროსკოპული განტოლებები მაქსველიგანტოლებებთან ერთად ლორენციდამუხტული ნაწილაკებისთვის ქმნიან კლასიკური ელექტროდინამიკის განტოლებების ფუნდამენტურ სისტემას. მიკროსკოპულთან ერთად გამოიყენება მაკროსკოპული განტოლებები მაქსველი, მაკროსკოპული განტოლებები ლორენციდა მატერიალური განტოლებები (მაგალითად, კანონი ოჰმა), რომლებიც ქმნიან განტოლებათა მაკროსკოპულ სისტემას.

2. მოკლე დიაპაზონის ცნება

ძალის ველის კონცეფცია გამოიყენება სხეულების ურთიერთქმედების აღსაწერად. ვინაიდან დამუხტული ნაწილაკების ურთიერთქმედება გადაიცემა სასრული სიჩქარით მოკლე დიაპაზონის ურთიერთქმედების გზით, შუამავალი არის ელექტრომაგნიტური ველი. მოკლე დიაპაზონის პერსონაჟის ჰიპოთეზა ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედებებიშემოთავაზებული ფარადეიმე-19 საუკუნის შუა ხანებში. მოგვიანებით მაქსველიდაწერა თავისი ცნობილი ელექტროდინამიკის განტოლებები, რომლებიც შეიცავს მოკლე დიაპაზონის მოქმედების იდეის მათემატიკურ ინტერპრეტაციას და რამაც შესაძლებელი გახადა პროგნოზის გაკეთება სინათლის ელექტრომაგნიტური ბუნების შესახებ. ჰერციექსპერიმენტულად დაადგინა ელექტრომაგნიტური ტალღების წარმოქმნა და გავრცელება განტოლებების შესაბამისად მაქსველი, რამაც საბოლოოდ დაადასტურა მოკლე მოქმედების იდეა.

4.1. ელექტროსტატიკა

1.1. მუხტის კვანტიზაცია.

ელექტრული ძალები ეხება ერთ-ერთ ფუნდამენტურ ურთიერთქმედებას - ელექტრომაგნიტურ ურთიერთქმედებას, რომელიც დამოკიდებულია ელექტრული მუხტების სიდიდეზე. ელექტრომაგნიტური ძალების არსებობა დიდი ხნის წინ აღმოაჩინეს. მათი ქმედება ცნობილი იყო ძველი ბერძნებისთვის.

ბევრ ელემენტარულ ნაწილაკს აქვს ელექტრული მუხტი, მაგალითად, ელექტრონი, პროტონი, იონებიან დამუხტული მაკროსხეულები და ა.შ.

ნაწილაკების ელექტრული მუხტი მისი ერთ-ერთი მახასიათებელია.

ელემენტარული ნაწილაკი შეიძლება არსებობდეს მუხტის გარეშე, მაგალითად, ნეიტრონი, ფოტონი და ა.შ., მაგრამ ნაწილაკების გარეშე მუხტი არ არსებობს.

მაგალითად, ელექტრონისა და პროტონის მუხტი აბსოლუტური მნიშვნელობით უდრის ელემენტარულ მუხტს:

е=1,6 10  19 კლ.

ელექტრული მუხტი კვანტიზებულია, ე.ი. შეუძლია მიიღოს დამუხტვის მნიშვნელობა, რომელიც არის ელემენტარული მუხტის ჯერადი. ნებისმიერი მაკროსკოპული მუხტი შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც გამოხატულება:

ან Q = nе,

სადაც n არის დამუხტული ნაწილაკების რაოდენობა.

2. არსებობს დადებითი და უარყოფითიელექტრო მუხტები. მაგალითად, ელექტრონი არის უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკი, პროტონი არის დადებითად დამუხტული ნაწილაკი.

3. ელექტრული მუხტი  უცვლელი,ე.ი. . მისი მნიშვნელობა არ არის დამოკიდებული მითითების ჩარჩოზე, ანუ არ არის დამოკიდებული იმაზე, მოძრაობს თუ ისვენებს.

4. მუხტის შენარჩუნების კანონი ღიაა ფარადეი

ნებისმიერ ელექტრო იზოლირებულ სისტემაში ალგებრული ჯამიგადასახადი მუდმივია, ე.ი.

. (1.1)

მუხტის ფუნდამენტურ თვისებებს უდიდესი მნიშვნელობა აქვს თანამედროვე ფიზიკადა ზოგადად ბუნებისმეტყველებაში.

კომენტარი:

აღმოაჩინეს ელემენტარული ნაწილაკები - კვარკები, რომლებსაც აქვთ წილადი მუხტი, მრავლობითი ,. კვარკები თავისუფალ მდგომარეობაში არ არსებობენ. .

კლასიკური ელექტროდინამიკის განვითარების ისტორია არის ინსტრუქციული მაგალითი იმისა, თუ როგორ საბუნებისმეტყველო მეცნიერებათა მათემატიზაციამ და აღწერის ელეგანტურ (თუმცა საკმაოდ რთულ) ენაზე გადასვლამ განაპირობა ხარისხობრივი ნახტომი მთელი რიგი ბუნებრივი ფენომენების გაგებაში. რომელთაგან თავდაპირველად იწინასწარმეტყველეს თეორიულად („კალმის წვერზე“), შემდეგ კი მიიღო ბრწყინვალე ექსპერიმენტული დადასტურება. ეს თემა შეიცავს საკმაოდ დიდ რაოდენობას მათემატიკური ფორმულებიმოცემულია მხოლოდ მათემატიკის ენის სილამაზისა და კომპაქტურობის საილუსტრაციოდ.

მუხტის უწყვეტი განაწილება.ელექტროსტატიკური და მაგნიტოსტატიკური ველების (9_4) და (9_8) გამოსახულებებში შეტანილი ჯამები მაკროსკოპული დამუხტული სხეულების შემთხვევაში შეიცავს ტერმინების ძალიან დიდ რაოდენობას, რომლებიც შეესაბამება ველებში წვლილს. ქულების გადასახადი. მათი გამოთვლა მოუხერხებელია წმინდა "ტექნიკური" თვალსაზრისით: შეჯამების მათემატიკური ოპერაცია უფრო შრომატევადია, ვიდრე, მაგალითად, ინტეგრაცია (ზემოაღნიშნული ეხება ანალიტიკურ გამოთვლებს, კომპიუტერის ანგარიშით, შეჯამება სასურველია ინტეგრალების აღებაზე, მაგრამ მე-19 საუკუნეში მათემატიკაში ასეთი ალტერნატივა არ არსებობდა). ინტეგრაციაზე გადასვლა მოითხოვდა სავარაუდო ჩანაცვლებას დისკრეტული განაწილება ელემენტარული გადასახადიზე უწყვეტი , დამახასიათებელია ელექტრული მუხტის სიმკვრივე (მუხტის სიდიდის თანაფარდობა მის შემცველი სივრცის მცირე, მაგრამ მაკროსკოპული ელემენტის მოცულობასთან):

ბუნებრივია, ჩანაცვლებამ (1) განაპირობა გამოთვლილი მაკროსკოპული ველების „გასწორება“ რეალურ მიკროსკოპულ ველებთან შედარებით, რომლებიც მნიშვნელოვნად განსხვავდება ატომის ზომასთან შედარებით დისტანციებზე. აღწერილმა გადასვლამ მუხტების უწყვეტ განაწილებაზე მნიშვნელოვნად გაამარტივა გამოთვლები მათი პრაქტიკული მნიშვნელობის შემცირების გარეშე (მე-19 საუკუნის მეცნიერება და ტექნოლოგია ჯერ კიდევ არ იყო მომწიფებული მატერიის ორგანიზაციის მიკროსკოპულ დონეზე მომხდარ ეფექტებამდე).

მათემატიკური ფორმალიზმი.გადასვლაზე უწყვეტი განაწილებებიმუხტებმა და დენებმა შესაძლებელი გახადეს ელექტროსტატიკისა და მაგნიტოსტატიკის კანონების გადაწერა ერთდროულად რამდენიმე მათემატიკური ფორმით, ექვივალენტური ფიზიკური მნიშვნელობით, მაგრამ მნიშვნელოვნად განსხვავდება კონკრეტული გამოთვლების შესრულების ტექნიკაში:

ინტეგრალური ფორმულირებები:

დიფერენციალური ფორმულირებები:

(3)
;

ველის გაანგარიშება სკალერის საშუალებით და ვექტორი
პოტენციალი :

რომ. საბუნებისმეტყველო მეცნიერების ერთი და იგივე კანონების ადეკვატური აღწერა შესაძლებელია მათემატიკის სხვადასხვა ენაზე.

ოპერატორები. მე-20 საუკუნის დასაწყისში მათემატიკაში დაინერგა ახალი ობიექტები - ოპერატორები , რომლის გარეშეც თანამედროვე ფიზიკა წარმოუდგენელი იქნებოდა. ოპერატორის ცნება არის ფუნქციის ტრადიციული კონცეფციის ბუნებრივი განზოგადება კლასიკურ მათემატიკაში. თუ ფუნქცია გაგებულია, როგორც კანონი (წესი, რუქა), რომლის მიხედვითაც ერთი რიცხვი (ციფრთა ნაკრები) ასოცირდება მეორე რიცხვთან (ციფრთა სიმრავლე), მაშინ ოპერატორი ნიშნავს კანონი, რომლის მიხედვითაც ერთი ობიექტი (ობიექტთა ჯგუფი) ენიჭება მეორე ობიექტს (ჯგუფს).ყველაზე გავრცელებულია ფუნქციებზე (რაოდენობით გამრავლება, დიფერენციაცია, ინტეგრაცია და ა.შ.) ან ვექტორებზე (როტაცია, პროექცია და ა.შ.) მოქმედი ოპერატორები. ოპერატორებზე მათემატიკური ოპერაციების განსაზღვრის იდეა ძალიან სასარგებლო აღმოჩნდა. მაგალითად, ორი ოპერატორის ნამრავლი ნიშნავს ოპერატორს, რომელიც თანმიმდევრულად ასრულებს თითოეული გამრავლებული ოპერატორის მოქმედებებს. ოპერატორების გამრავლებისთვის ზოგადი შემთხვევაკომუტატიურობის თვისება არ არის დაკმაყოფილებული:

(5)
.

ოპერატორების ენის გამოყენება მნიშვნელოვნად ამცირებს მრავალი მათემატიკური ფორმულის ჩაწერას და ხდის მათ უფრო „ელეგანტურს“. ასე რომ, მხოლოდ ერთის დანერგვა დიფერენციალური ოპერატორი "ნაბლა"

სკალარის სტანდარტულად განსაზღვრული ოპერაციების დახმარებით (,) და ვექტორი [ , ] გამრავლება საშუალებას გვაძლევს დავწეროთ განტოლებების (3) და (4) სისტემები ძალიან კომპაქტური ფორმით:

(3’)
;

(4’)
,
.

ბოლო თანასწორობებში ვიყენებდით ლაპლასის ოპერატორი:

(7)
.

გარდა ნოტაციის ლაკონურობისა, ოპერატორის მეთოდის უპირატესობა ის არის. თავად ნაბლა ოპერატორს შეიძლება მოექცეთ ისევე, როგორც ჩვეულებრივ ვექტორთან, რაც უდავოდ ხელს უწყობს რთულ გამოთვლებს.

Კანონი ელექტრომაგნიტური ინდუქციაფარადეი.დიდი ხნის განმავლობაში, ელექტრული და მაგნიტური ფენომენები დამოუკიდებლად ითვლებოდა, თუმცა მაგნიტოსტატიკის დონეზეც კი ეს მთლად ასე არ არის: მაგნიტოსტატიკური ველი წარმოიქმნება პირდაპირი დენებისაგან, რომელთა არსებობა მატერიაში შეუძლებელია ელექტრული ველის არსებობის გარეშე. . ფარადეიმ ექსპერიმენტულად აღმოაჩინა ეს დროში ცვალებად მაგნიტურ ველს შეუძლია ელექტროენერგიის წარმოქმნა. ეს ელექტრული ველი, მუხტების მიერ წარმოქმნილი პოტენციური ელექტროსტატიკური ველისგან განსხვავებით, არის ედი, იმათ. მისი ხაზები დახურული მრუდებია (სურ. 11_1). ფარადეის მიერ აღმოჩენილ ინდუქციის კანონს შემდგომში ჰქონდა უზარმაზარი პრაქტიკული მნიშვნელობა, რადგან მან აღმოაჩინა ძალიან მოსახერხებელი და იაფი გზა მაგნიტური ველის წყაროების გადაადგილების მექანიკური ენერგიის ელექტრულ ენერგიად გადაქცევისთვის, რომელიც ახლა ეფუძნება ელექტროენერგიის ინდუსტრიულ წარმოებას.

ველის განტოლებათა მათემატიკური აღნიშვნის თვალსაზრისით ფარადეიმ აღმოაჩინაფენომენი მოითხოვს განტოლებათა სისტემის შეცვლას (6):

(10)
.

მაქსველის ჰიპოთეზა.განტოლებების (7) და (10) სისტემის ერთად განხილვისას მაქსველმა ყურადღება გაამახვილა შემდეგ ნაკლოვანებებზე:

1. ეს სისტემა შეუთავსებელია მუხტის შენარჩუნების კანონთან.

2. სისტემა ძალიან ასიმეტრიული აღმოჩნდა ცარიელ სივრცეში ელექტრომაგნიტური ველის აღწერის შემთხვევაშიც კი ( =0 და j=0).

განტოლებების შეუსაბამობა მუხტის კონსერვაციის კანონთან იყო საკმარისი არგუმენტი მათ სიმართლეში ეჭვის შეტანისთვის, ვინაიდან კონსერვაციის კანონები ძალიან ზოგადი ხასიათი. აღმოჩნდა, რომ არსებობს მრავალი გზა განტოლებათა სისტემის (7), (10) მოდიფიკაციისთვის, მათი კონსერვაციის კანონთან შესაბამისობაში მოყვანისთვის. მაქსველმა აირჩია პროტოზოული დან შესაძლო გზა, მიჰყავს სისტემა სიმეტრიული ცარიელ სივრცეში ველების აღწერისთვის მისი გამოყენების შემთხვევაში. ბოლო განტოლებას დაემატა ტერმინი, რომელიც აღწერს მორევის მაგნიტური ველის წარმოქმნის შესაძლებლობას ცვალებადი ელექტრული ველით („მიკერძოებული დენი“):

(11)

.

წმინდა მათემატიკური შედეგები შეცვლილიდან მაქსველის განტოლებების სისტემები იყო განცხადება ელექტრომაგნიტურ პროცესებში ენერგიის შენარჩუნების შესახებ და თეორიული დასკვნა მუხტებისა და დენებისაგან დამოუკიდებელი ველის შესაძლებლობის შესახებ. ელექტრომაგნიტური ტალღები ცარიელ სივრცეში. ამ უკანასკნელმა წინასწარმეტყველებამ ბრწყინვალე ექსპერიმენტული დადასტურება ჰპოვა ჰერცისა და პოპოვის ცნობილ ექსპერიმენტებში, რომლებმაც საფუძველი ჩაუყარეს თანამედროვე რადიოკავშირებს. გამოითვლება სისტემის (11) გამრავლების სიჩქარით ელექტრომაგნიტური ტალღებიაღმოჩნდა ვაკუუმში სინათლის გავრცელების ექსპერიმენტულად გაზომილი სიჩქარის ტოლი, რაც გულისხმობდა ელექტრომაგნიტიზმისა და ოპტიკის ფიზიკის პრაქტიკულად ადრე დამოუკიდებელი მონაკვეთების გაერთიანებას ერთ სრულ თეორიად.

მაგნიტური მონოპოლის არსებობის პრობლემა.მაქსველის თეორიის კოლოსალურმა წარმატებამ აჩვენა ბუნების ახალი კანონების თეორიული ძიების შესაძლებლობა მათემატიკური განტოლებების ანალიზის საფუძველზე, რომლებიც აღწერენ ადრე ცნობილ კანონზომიერებებს, ამგვარად „გამოცნობილი“ შედეგების სავალდებულო ექსპერიმენტული გადამოწმებით.

მაქსველის განტოლებების სისტემა (11), რომელიც სიმეტრიულია ცარიელ სივრცეში ელექტრომაგნიტური ველების აღწერისთვის, არსებითად „კარგავს თავის სილამაზეს“, როდესაც მხედველობაში მიიღება ელექტრული მუხტები და დენები: ელექტრული მუხტებით შექმნილი პოტენციური ველი. ემაგნიტურ ურთიერთქმედებაში ანალოგი არ აქვს. ეს ასიმეტრია იყო მრავალი ექსპერიმენტის მოწყობის მიზეზი მაგნიტური მონოპოლები (ან მაგნიტური მუხტები) - ჰიპოთეტური ნაწილაკები, რომლებიც წარმოადგენენ პოტენციური მაგნიტური ველის წყაროს და მათი სავარაუდო თვისებების თეორიულ შესწავლას. ჯერჯერობით არ არის მოპოვებული სანდო ექსპერიმენტული მონაცემები მაგნიტური მონოპოლების არსებობის შესახებ.

წინააღმდეგობები ელექტროდინამიკასა და კლასიკურ ფიზიკას შორის.ჩამოყალიბებული, როგორც სრული თეორია და გაუძლო ექსპერიმენტულ შემოწმებას, მაქსველის ელექტრომაგნიტიზმის კანონები ეწინააღმდეგებოდა გალილეო - ნიუტონის კლასიკურ მსოფლმხედველობის პრინციპებს:

1. კლასიკური ძალები, რომლებიც აკმაყოფილებენ გალილეოს ფარდობითობის პრინციპს, შეიძლება დამოკიდებული იყოს დროზე, სხეულებს შორის მანძილებზე და მათ ფარდობით სიჩქარეზე, ე.ი. სიდიდეები, რომლებიც არ იცვლება ერთი ინერციული მიმართვის ჩარჩოდან მეორეზე გადასვლისას. მაგნიტოსტატიკური ველები და მასთან დაკავშირებული ლორენცის ძალები დამკვირვებლის მიმართ მუხტის სიჩქარის ფუნქციებია და განსხვავებულია სხვადასხვა ინერციული მიმართვის სისტემაში. რომ. ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედებით გამოწვეული ბუნებრივი მოვლენები, თვალსაზრისით კლასიკური ფიზიკასხვადასხვა ინერციულ საცნობარო სისტემაში განსხვავებულად უნდა მიმდინარეობდეს.

2. მაქსველის განტოლებების ამოხსნის შედეგად მიღებული ელექტრომაგნიტური ტალღების გავრცელების სიჩქარე ცარიელ სივრცეში აღმოჩნდა დამოუკიდებელი როგორც ამ ტალღების წყაროს, ისე დამკვირვებლის მოძრაობის სიჩქარისაგან. ეს დასკვნა სრულიად ეწინააღმდეგებოდა სიჩქარის დამატების კლასიკურ კანონს.

ელექტრომაგნიტიზმის განტოლებების მოდიფიკაციის ყველა მცდელობამ ისე, რომ ისინი შეთანხმებულიყო კლასიკური საბუნებისმეტყველო მეცნიერების პრინციპებთან, განაპირობა ეფექტების თეორიული პროგნოზირება, რომლებიც არ იყო დაფიქსირებული ექსპერიმენტში და აღიარებულ იქნა, როგორც დაუსაბუთებელი.

ლორენცის გარდაქმნები.ვინაიდან მაქსველის განტოლებები არ იყო უცვლელი გალილეის გარდაქმნების მიმართ, ე.ი. ფარდობითობის პრინციპის მოთხოვნების საწინააღმდეგოდ, მათ იცვალეს ფორმა ერთი ინერციული მიმართვის ჩარჩოდან მეორეზე გადასვლისას, ურთიერთობებით მოცემული წესების მიხედვით:

(12) ,

ლორენცმა წამოაყენა ბუნებრივი საკითხი კოორდინატებისა და დროის ისეთი გარდაქმნების პოვნის შესახებ, რომელიც არ შეცვლიდა მაქსველის განტოლებებს და ამავე დროს იქნებოდა რაც შეიძლება მარტივი. ეს პრობლემა მან გადაჭრა, როგორც წმინდა მათემატიკური:

(13) .

გალილეოს (12) და ლორენცის (13) გარდაქმნების შედარება ადვილია იმის დანახვა, რომ ეს უკანასკნელი კლასიკურად გარდაიქმნება სინათლის სიჩქარესთან შედარებით მცირე სიჩქარის შემთხვევაში. თან. რომ. ლორენცის მიერ შემოთავაზებული ურთიერთობები დაკმაყოფილდა შესაბამისობის პრინციპი , რითაც ახალი თეორია უნდა შეესაბამებოდეს ძველს იმ სფეროებში, სადაც ეს უკანასკნელი საიმედოდ იქნა დამოწმებული ექსპერიმენტულად.გარდა ამისა, ლორენცის გარდაქმნებიდან სიჩქარის დამატების რელატივისტური კანონი დატოვა სინათლის სიჩქარე უცვლელი ნებისმიერ ინერციულ საცნობარო სისტემაში გადასვლის მიმართ, რომელიც მოძრაობს ნაკლები სიჩქარით თან.

მაიკლსონის ექსპერიმენტები.მაქსველის განტოლებიდან გამომდინარე მტკიცება სინათლის სიჩქარის მუდმივობის შესახებ სხვა საცნობარო სისტემაზე გადასვლისას სრულიად ეწინააღმდეგებოდა კლასიკურ ცნებებს. ბუნებრივი კითხვა გაჩნდა მის ექსპერიმენტულ გადამოწმებასთან დაკავშირებით. ძალიან ელეგანტური ექსპერიმენტი ჩაატარა მაიკლსონმა სპეციალურად მის მიერ შექმნილი მოწყობილობის დახმარებით - ინტერფერომეტრი , რაც შესაძლებელს ხდის სინათლის სიგნალების გავრცელების დროების შედარებას სარკეებით შემოფარგლული სწორი ხაზების ორი ურთიერთ პერპენდიკულარული სეგმენტის გასწვრივ (სურ. 11_2). ექსპერიმენტის იდეა იყო დედამიწის ორბიტალური მოძრაობით გამოწვეული სინათლის გავრცელების სიჩქარის სხვაობის აღრიცხვა ინტერფერომეტრის სხვადასხვა მკლავებში. მაიკლსონის ინტერფერომეტრთან ჩატარებულმა ექსპერიმენტებმა უარყოფითი შედეგი გამოიღო: სინათლის სიჩქარე მაღალი სიზუსტით დამოუკიდებელი აღმოჩნდა მისი გავრცელების მიმართულებებისა და დედამიწის მოძრაობის თანაფარდობისაგან..

სიჩქარის დამატების კლასიკური კანონის გადარჩენის მრავალი მცდელობა ჰიპოთეტური საშუალების შემოღებით - ეთერი , რომელშიც სინათლის ვიბრაციები ვრცელდება, შემოთავაზებული მედიუმის თვისებები ძალიან ეგზოტიკური აღმოჩნდა, მისი რეალური არსებობის ექსპერიმენტული დადასტურება არ იქნა მიღებული.

საბუნებისმეტყველო მეცნიერებაში საუკუნის დასაწყისში წარმოქმნილი ჩიხიდან გამოსავალი შემოგვთავაზა ა.აინშტაინმა, რომელმაც შექმნა სპეციალური ფარდობითობა (SRT), რომელშიც, ორი კარგად გამოცდილი ექსპერიმენტის საფუძველზე პოსტულატები (განცხადებები), აგებულია შინაგანად თანმიმდევრული (თუმცა ძალიან უცნაური კლასიკური საბუნებისმეტყველო მეცნიერების და ყოველდღიური გამოცდილების თვალსაზრისით) კონცეფცია, რომელიც ხსნის ლორენცის გარდაქმნებს და პროგნოზირებს ბუნებაში რეალურად რეგისტრირებულ უამრავ ახალ ფენომენს.

ლექცია 1

კლასიკური ელექტროდინამიკის საგანი. Ელექტრული ველი. ელექტრული ველის სიძლიერე.

ელექტროდინამიკის საგანი. ელექტროდინამიკა - ფიზიკის ფილიალი, რომელიც სწავლობს ურთიერთქმედებას ელექტრულად დამუხტული ნაწილაკები და ამ ნაწილაკების მიერ წარმოქმნილი მატერიის განსაკუთრებული სახეობა - ელექტრომაგნიტური ველი .

1. ელექტროსტატიკა

ელექტროსტატიკა- ელექტროდინამიკის განყოფილება, რომელიც სწავლობს ურთიერთქმედებას უმოძრაო დამუხტული სხეულები . ელექტრული ველი, რომელიც ახორციელებს ამ ურთიერთქმედებას, ეწოდება ელექტროსტატიკური .

1.1. ელექტრო მუხტები.

გადასახადების მიღების გზები. ელექტრული მუხტის შენარჩუნების კანონი.

ბუნებაში, არსებობს ორი სახის ელექტრული მუხტი, რომელსაც პირობითად უწოდებენ დადებით და უარყოფითს. ისტორიულად მიღებულია დადებით მუხტებს ეძახიან ისეთივე მუხტებს, რომლებიც წარმოიქმნება აბრეშუმზე მინის გახეხვისას; უარყოფითი - მსგავსი მუხტები, რომლებიც წარმოიქმნება ბეწვზე ქარვის გახეხვისას. ერთი და იგივე ნიშნის მუხტები იგერიებენ ერთმანეთს, სხვადასხვა ნიშნის მუხტები იზიდავს (ნახ. 1.1).

არსებითად, ელექტრო მუხტები ატომისტური (დისკრეტული). ეს ნიშნავს, რომ ბუნებაში არის ყველაზე პატარა, შემდგომი განუყოფელი მუხტი, რომელსაც ელემენტარული მუხტი ეწოდება. ღირებულება ელემენტარული დააკისროს მიერ აბსოლუტური მნიშვნელობა SI-ში:

ელექტრული მუხტი თანდაყოლილია ბევრ ელემენტარულ ნაწილაკში, კერძოდ, ელექტრონებსა და პროტონებს, რომლებიც ნაწილია. სხვადასხვა ატომებისაიდანაც აგებულია ბუნებაში არსებული ყველა სხეული. თუმცა უნდა აღინიშნოს, რომ შესაბამისად თანამედროვე იდეებიძლიერ ურთიერთქმედება ნაწილაკები - ჰადრონები (მეზონები და ბარიონები) - აგებულია ე.წ. კვარკები - სპეციალური ნაწილაკები, რომლებიც ატარებენ წილადიდააკისროს. ამჟამად ცნობილია კვარკების ექვსი ტიპი - u, d, s, t, b და c - სიტყვების პირველი ასოების მიხედვით: ზევით- ზედა, ქვემოთ- ქვედა, გვერდითი- გვერდითი (ან უცნაური-უცნაური), ზედა- ზედა, ქვედა- უკიდურესი და ხიბლი- მოხიბლული. ეს კვარკები იყოფა წყვილებად: (u,d), (c,s), (t,b). კვარკებს u, c, t აქვთ მუხტი +2/3, ხოლო კვარკების d, s, b არის -1/3. თითოეულ კვარკს აქვს თავისი ანტიკვარკი. გარდა ამისა, თითოეული კვარკი შეიძლება იყოს სამი ფერის ერთ-ერთ მდგომარეობაში (წითელი, ყვითელი და ლურჯი). მეზონები შედგება ორი კვარკისგან, ბარიონები სამისაგან. თავისუფალ სახელმწიფო კვარკებში არ შეინიშნება. ეს საშუალებას გვაძლევს განვიხილოთ, რომ ელემენტარული მუხტი ბუნებაში ჯერ კიდევ არის მთელი რიცხვიდააკისროს ე, მაგრამ არა წილადიკვარკული მუხტი. მაკროსკოპული სხეულების მუხტი წარმოიქმნება ელემენტარული მუხტების კომბინაციით და, ამრიგად, ე-ის მთელი ჯერადი.

ექსპერიმენტებისთვის ელექტრო მუხტებიგამოყენება სხვადასხვა გზებიმათი მიღება. უმარტივესი და უძველესი გზა ხახუნიერთი სხეული მეორის მიერ. ამ შემთხვევაში, თავად ხახუნი აქ ფუნდამენტურ როლს არ თამაშობს. ელექტრული მუხტი ყოველთვის წარმოიქმნება, როდესაც კონტაქტური სხეულების ზედაპირები მჭიდრო კონტაქტშია. ხახუნი (დაფქვა) მხოლოდ ხელს უწყობს კონტაქტში მყოფი სხეულების ზედაპირზე არსებული დარღვევების აღმოფხვრას, რაც ხელს უშლის მათ ერთმანეთთან მჭიდროდ მორგებას, რაც ქმნის ხელსაყრელი პირობებიერთი ორგანოდან მეორეზე გადასატანად. ელექტრული მუხტების მიღების ეს მეთოდი საფუძვლად უდევს ზოგიერთი ელექტრული მანქანის მუშაობას, მაგალითად, ვან დე გრაფის ელექტროსტატიკური გენერატორი (Van de Graaff R., 1901-1967), რომელიც გამოიყენება მაღალი ენერგიის ფიზიკაში.

ელექტრული მუხტების მიღების კიდევ ერთი გზა ემყარება ფენომენის გამოყენებას ელექტროსტატიკური ინდუქცია . მისი არსი ილუსტრირებულია ნახ.1.2-ში. მოდი მივიყვანოთ ორ ნაწილად გაყოფამდე დაუმუხტველიმეტალის სხეულს (მისი შეხების გარეშე) სხვა სხეულს, დატვირთული, ვთქვათ, დადებითად. მეტალში თავისუფალი უარყოფითად დამუხტული ელექტრონების გარკვეული ფრაქციის გადაადგილების გამო, მარცხენა ნახევარითავდაპირველი სხეული შეიძენს ზედმეტ უარყოფით მუხტს, ხოლო მარჯვენა - იგივე სიდიდის, მაგრამ ნიშნით საპირისპირო, დადებით მუხტს. თუ ახლა, გარე დამუხტული სხეულის თანდასწრებით, ორივე ნახევარს გავაზავებთ სხვადასხვა მხარედა ამოიღეთ დამუხტული სხეული, მაშინ თითოეული მათგანი იქნება დამუხტულია. შედეგად, ჩვენ მივიღებთ ორ ახალ სხეულს, რომლებიც დამუხტულია სიდიდის ტოლი და საპირისპირო ნიშნით.

ჩვენს კონკრეტულ შემთხვევაში, თავდაპირველი სხეულის მთლიანი მუხტი ექსპერიმენტამდე და მის შემდეგ არ შეცვლილა - ის დარჩა ნულის ტოლი:

q = q - + q + = 0

1.2. ელექტრული მუხტების ურთიერთქმედება.

კულონის კანონი. კულონის კანონის გამოყენება გაფართოებული დამუხტული სხეულების ურთიერთქმედების ძალების გამოსათვლელად.

ელექტრული მუხტების ურთიერთქმედების კანონი 1785 წელს დაადგინა ჩარლზ კულომმა (CoulombSh., 1736-1806). კულომმა გაზომა ურთიერთქმედების ძალა ორ პატარა დამუხტულ ბურთს შორის, მუხტების სიდიდისა და მათ შორის მანძილის მიხედვით, მის მიერ სპეციალურად შექმნილი ბრუნვის ბალანსის გამოყენებით (ნახ. 1.3). თავისი ექსპერიმენტების შედეგად კულომმა აღმოაჩინა რომ ორი წერტილის მუხტის ურთიერთქმედების ძალა პირდაპირპროპორციულია თითოეული მუხტის სიდიდისა და უკუპროპორციულია მათ შორის მანძილის კვადრატისა, ხოლო ძალის მიმართულება ემთხვევა ორივე მუხტზე გამავალ სწორ ხაზს.:

სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ჩვენ შეგვიძლია დავწეროთ:

პროპორციულობის k კოეფიციენტი დამოკიდებულია ამ ფორმულაში შემავალი რაოდენობების საზომი ერთეულების არჩევანზე:

ახლა საერთოა საერთაშორისო სისტემასაზომი ერთეულების (SI) კულონის კანონი იწერება, შესაბამისად, სახით:

კიდევ ერთხელ უნდა აღინიშნოს, რომ ამ ფორმით კულონის კანონი ჩამოყალიბებულია მხოლოდ წერტილოვანი მუხტებისთვის, ანუ ისეთი დამუხტული სხეულებისთვის, რომელთა ზომები შეიძლება უგულებელვყოთ მათ შორის მანძილთან შედარებით. თუ ეს პირობა არ არის დაკმაყოფილებული, მაშინ კულონის კანონი უნდა დაიწეროს დიფერენციალური ფორმით dq1 და dq2 ელემენტარული მუხტების თითოეული წყვილისთვის, რომელშიც დამუხტული სხეულები "ირღვევა":

მერე სრული ძალითორი მაკროსკოპული დამუხტული სხეულის ურთიერთქმედება წარმოდგენილი იქნება შემდეგნაირად:

ამ ფორმულაში ინტეგრაცია ხორციელდება თითოეული სხეულის ყველა მუხტზე.
მაგალითი. იპოვეთ ძალა F, რომელიც მოქმედებს წერტილოვან მუხტზე Q უსასრულოდ გაშლილი სწორხაზოვანი დამუხტული ძაფის მხრიდან (ნახ. 1.4). მანძილი მუხტიდან a ძაფამდე, τ ძაფის წრფივი მუხტის სიმკვრივე.

საჭირო ძალა არის F = Fx= Qτ/(2πε0a).

1.3. Ელექტრული ველი. ელექტრული ველის სიძლიერე. ელექტრული ველების სუპერპოზიციის პრინციპი.
ელექტრული მუხტების ურთიერთქმედება ხორციელდება დამუხტული ნაწილაკების მიერ წარმოქმნილი სპეციალური სახის მატერიის - ელექტრული ველის მეშვეობით. ელექტრული მუხტი ცვლის მიმდებარე სივრცის თვისებებს. ეს გამოიხატება იმაში, რომ დამუხტულ სხეულთან მოთავსებული სხვა მუხტი (მოდით დავარქვათ საცდელი მუხტი) ექვემდებარება ძალას (ნახ. 1.5). ამ ძალის სიდიდით შეიძლება ვიმსჯელოთ q მუხტის მიერ შექმნილი ველის „ინტენსივობაზე“. იმისათვის, რომ საცდელ მუხტზე მოქმედმა ძალამ ზუსტად დაახასიათოს ელექტრული ველი სივრცის მოცემულ წერტილში, საცდელი მუხტი, ცხადია, უნდა იყოს წერტილის მუხტი.

სურ.1.5. ელექტრული ველის სიძლიერის განსაზღვრისათვის.
საცდელი მუხტის qpr დაყენებით მუხტიდან q გარკვეულ მანძილზე r (ნახ. 1.5), აღმოვაჩენთ, რომ მასზე მოქმედებს ძალა, რომლის სიდიდეზე

დამოკიდებულია აღებული სატესტო მუხტის მნიშვნელობაზე qpr. თუმცა ადვილია იმის დანახვა, რომ ყველა სატესტო მუხტისთვის თანაფარდობა F/qpr იგივე იქნება და დამოკიდებულია მხოლოდ q და r სიდიდეებზე, რომლებიც განსაზღვრავს მუხტის ველს q მოცემულ წერტილში r. ამიტომ ბუნებრივია, რომ ეს თანაფარდობა მივიღოთ, როგორც სიდიდე, რომელიც ახასიათებს "ინტენსივობას" ან, როგორც ამბობენ, ელექტრული ველის სიძლიერეს. ამ საქმესწერტილის დატენვის ველები):
.
ამრიგად, ელექტრული ველის სიძლიერე მისი სიმძლავრის მახასიათებელია. რიცხობრივად ის უდრის ამ ველში მოთავსებულ საცდელ მუხტზე მოქმედი ძალის qpr = +1.
ველის სიძლიერე არის ვექტორი. მისი მიმართულება ემთხვევა ამ ველში მოთავსებულ წერტილოვან მუხტზე მოქმედი ძალის ვექტორის მიმართულებას. მაშასადამე, თუ წერტილის მუხტი q მოთავსებულია ელექტრულ ველში სიძლიერით, მაშინ მასზე იმოქმედებს ძალა:

ელექტრული ველის სიძლიერის განზომილება SI-ში: .
ელექტრული ველი მოხერხებულად არის გამოსახული ძალის ხაზების გამოყენებით. ძალის ხაზი არის წრფე, რომლის ტანგენტის ვექტორი თითოეულ წერტილში ემთხვევა ელექტრული ველის სიძლიერის ვექტორის მიმართულებას ამ წერტილში. ზოგადად მიღებულია, რომ ძალის ხაზებიით დაწყება დადებითი მუხტებიდა მთავრდება უარყოფითით (ან გადადით უსასრულობამდე) და არ წყდება არსად. ზოგიერთი ელექტრული ველის ძალის ხაზების მაგალითები ნაჩვენებია ნახ. 1.6-ზე.
სურ.1.6. ელექტრული ველების გამოსახულების მაგალითები ძალის ხაზების გამოყენებით: წერტილის მუხტი (დადებითი და უარყოფითი), დიპოლი, ერთიანი ელექტრული ველი.
ელექტრული ველი ემორჩილება სუპერპოზიციის (დამატების) პრინციპს, რომელიც შეიძლება ჩამოყალიბდეს შემდეგნაირად: მუხტების სისტემის მიერ სივრცის გარკვეულ წერტილში შექმნილი ელექტრული ველის სიძლიერე ტოლია ელექტრული ველების სიძლიერეების ვექტორული ჯამის. სივრცის ერთსა და იმავე წერტილში შექმნილი თითოეული მუხტი ცალ-ცალკე:

მაგალითი. იპოვეთ დიპოლის ელექტრული ველის სიძლიერე E (ორი მტკიცედ დაკავშირებული წერტილის მუხტის სისტემა საპირისპირო ნიშანი) მუხტიდან r1 მანძილზე მდებარე წერტილში - q და მუხტიდან r2 მანძილზე + q (სურ. 1.7). მუხტებს შორის მანძილი (დიპოლური მკლავი) ტოლია l.

სურ.1.7. ორპუნქტიანი მუხტის სისტემის ელექტრული ველის სიძლიერის გამოთვლის შესახებ.

კლასიკური ელექტროდინამიკის საგანი

კლასიკური ელექტროდინამიკა არის თეორია, რომელიც ხსნის ელექტრომაგნიტური ველის ქცევას, რომელიც ახორციელებს ელექტრომაგნიტურ ურთიერთქმედებას ელექტრულ მუხტებს შორის.

კლასიკური მაკროსკოპული ელექტროდინამიკის კანონები ჩამოყალიბებულია მაქსველის განტოლებებში, რაც საშუალებას გაძლევთ განსაზღვროთ ელექტრომაგნიტური ველის მახასიათებლების მნიშვნელობები: ელექტრული ველის სიძლიერე. ედა მაგნიტური ინდუქცია ATვაკუუმში და მაკროსკოპულ სხეულებში, რაც დამოკიდებულია სივრცეში ელექტრული მუხტებისა და დენების განაწილებაზე.

სტაციონარული ელექტრული მუხტების ურთიერთქმედება აღწერილია ელექტროსტატიკის განტოლებებით, რომლებიც შეიძლება მივიღოთ მაქსველის განტოლებების შედეგად.

კლასიკურ ელექტროდინამიკაში ინდივიდუალური დამუხტული ნაწილაკების მიერ შექმნილი მიკროსკოპული ელექტრომაგნიტური ველი განისაზღვრება ლორენც-მაქსველის განტოლებებით, რომლებიც საფუძვლად უდევს კლასიკურ სტატისტიკური თეორიაელექტრომაგნიტური პროცესები მაკროსკოპულ სხეულებში. ამ განტოლებების საშუალო გაანგარიშება მივყავართ მაქსველის განტოლებამდე.

მათ შორის ყველა ცნობილი სახეობებიურთიერთქმედება ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედება პირველ ადგილზეა სიგანითა და გამოვლინებების მრავალფეროვნებით. ეს გამოწვეულია იმით, რომ ყველა სხეული აგებულია ელექტრულად დამუხტული (დადებითი და უარყოფითი) ნაწილაკებისგან, რომელთა ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედება, ერთის მხრივ, სიდიდის მრავალი რიგით უფრო ინტენსიურია ვიდრე გრავიტაციული და სუსტი, ხოლო მეორეს მხრივ. ხელი, არის შორ მანძილზე, ძლიერი ურთიერთქმედებისგან განსხვავებით.

სტრუქტურას განსაზღვრავს ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედება ატომური ჭურვებიატომების ადჰეზია მოლეკულებში (ძალები ქიმიური ბმა) და შედედებული ნივთიერების წარმოქმნა (ატომთაშორისი ურთიერთქმედება, ინტერმოლეკულური ურთიერთქმედება).

კლასიკური ელექტროდინამიკის კანონები გამოუყენებელია მაღალ სიხშირეებზე და, შესაბამისად, ელექტრომაგნიტური ტალღების მცირე სიგრძეზე, ე.ი. მცირე სივრცე-დროის ინტერვალებზე მიმდინარე პროცესებისთვის. ამ შემთხვევაში მოქმედებს კვანტური ელექტროდინამიკის კანონები.

1.2. ელექტრული მუხტი და მისი დისკრეტულობა.
მოკლე დიაპაზონის თეორია

ფიზიკის განვითარებამ აჩვენა, რომ ფიზიკური და ქიმიური თვისებებინივთიერებები დიდწილად განისაზღვრება ურთიერთქმედების ძალებით, სხვადასხვა ნივთიერების მოლეკულების და ატომების ელექტრული მუხტების არსებობისა და ურთიერთქმედების გამო.

ცნობილია, რომ ბუნებაში არსებობს ორი სახის ელექტრული მუხტი: დადებითი და უარყოფითი. ისინი შეიძლება არსებობდეს ფორმით ელემენტარული ნაწილაკები: ელექტრონები, პროტონები, პოზიტრონები, დადებითი და უარყოფითი იონები და ა.შ., ასევე „თავისუფალი ელექტროენერგია“, მაგრამ მხოლოდ ელექტრონების სახით. ამრიგად, დადებითად დამუხტული სხეული არის ელექტრული მუხტების ერთობლიობა ელექტრონების ნაკლებობით, ხოლო უარყოფითად დამუხტული სხეული - მათი ჭარბი რაოდენობით. სხვადასხვა ნიშნის მუხტები ანაზღაურებს ერთმანეთს, შესაბამისად, დაუმუხტავ სხეულებში ყოველთვის არის ორივე ნიშნის მუხტი ისეთი რაოდენობით, რომ მათი მთლიანი ეფექტი კომპენსირდება.

გადანაწილების პროცესიდადებითი და უარყოფითი მუხტებიდაუმუხტავ სხეულებს, ან მათ შორის ცალკეული ნაწილებიიმავე სხეულის, ზემოქმედების ქვეშ სხვადასხვა ფაქტორებიდაურეკა ელექტრიზაცია.

ვინაიდან თავისუფალი ელექტრონების გადანაწილება ხდება ელექტრიზების დროს, მაგალითად, ორივე ურთიერთმოქმედი სხეული ელექტრიფიცირებულია, რომელთაგან ერთი დადებითია, მეორე კი უარყოფითი. მუხტების რაოდენობა (დადებითი და უარყოფითი) უცვლელი რჩება.

ეს გულისხმობს დასკვნას, რომ მუხტები არ იქმნება და არ ქრება, არამედ გადანაწილებულია მხოლოდ ურთიერთმოქმედ სხეულებსა და იმავე სხეულის ნაწილებს შორის. რაოდენობრივადუცვლელი რჩება.

ეს არის ელექტრული მუხტების შენარჩუნების კანონის მნიშვნელობა, რომელიც მათემატიკურად შეიძლება დაიწეროს შემდეგნაირად:

იმათ. იზოლირებულ სისტემაში ელექტრული მუხტების ალგებრული ჯამი მუდმივი რჩება.

იზოლირებული სისტემა გაგებულია, როგორც სისტემა, რომლის მეშვეობითაც სხვა ნივთიერება არ აღწევს, გარდა სინათლის ფოტონების, ნეიტრონებისა, რადგან ისინი არ ატარებენ მუხტს.

უნდა გვახსოვდეს, რომ მთლიანი ელექტრული მუხტი იზოლირებული სისტემაარის რელატივისტურად ინვარიანტული, ვინაიდან დამკვირვებლები განთავსებული ნებისმიერ მოცემულ ინერციული სისტემაკოორდინატები, მუხტის გაზომვით, იღებენ იგივე მნიშვნელობას.

არაერთმა ექსპერიმენტმა, კერძოდ ელექტროლიზის კანონებმა, მილიკანის ექსპერიმენტმა ზეთის წვეთთან დაკავშირებით, აჩვენა, რომ ბუნებაში ელექტრული მუხტები დისკრეტულია ელექტრონის მუხტის მიმართ. ნებისმიერი მუხტი არის ელექტრონის მუხტის მთელი რიცხვის ჯერადი.

ელექტრიფიკაციის პროცესში მუხტი იცვლება დისკრეტულად (კვანტიზირებული) ელექტრონის მუხტის მნიშვნელობით. მუხტის კვანტიზაცია ბუნების უნივერსალური კანონია.

ელექტროსტატიკაში შესწავლილია მუხტების თვისებები და ურთიერთქმედება, რომლებიც უძრავია იმ საცნობარო ჩარჩოში, რომელშიც ისინი მდებარეობს.

სხეულებში ელექტრული მუხტის არსებობა იწვევს მათ ურთიერთქმედებას სხვა დამუხტულ სხეულებთან. ამავდროულად, ერთიდაიმავე სახელით დამუხტული სხეულები იგერიებენ ერთმანეთს და საპირისპიროდ დამუხტული სხეულები იზიდავენ.

მოკლე დიაპაზონის ურთიერთქმედების თეორია ფიზიკაში ურთიერთქმედების ერთ-ერთი თეორიაა. ფიზიკაში ურთიერთქმედება გაგებულია, როგორც სხეულების ან ნაწილაკების ნებისმიერი გავლენა ერთმანეთზე, რაც იწვევს მათი მოძრაობის მდგომარეობის ცვლილებას.

ნიუტონის მექანიკაში სხეულების ურთიერთმოქმედება ერთმანეთზე რაოდენობრივად ხასიათდება ძალით. მეტი საერთო მახასიათებელიურთიერთქმედება არის პოტენციური ენერგია.

თავდაპირველად, ფიზიკაში დამკვიდრდა იდეა, რომ სხეულებს შორის ურთიერთქმედება შეიძლება განხორციელდეს უშუალოდ ცარიელი სივრცე, რომელიც არ იღებს მონაწილეობას ურთიერთქმედების გადაცემაში. ურთიერთქმედების გადაცემა ხდება მყისიერად. ამრიგად, ითვლებოდა, რომ დედამიწის მოძრაობამ დაუყოვნებლივ უნდა გამოიწვიოს მთვარეზე მოქმედი გრავიტაციული ძალის ცვლილება. ეს იყო ეგრეთ წოდებული ურთიერთქმედების თეორიის მნიშვნელობა, რომელსაც ეწოდება შორ მანძილზე მოქმედების თეორია. თუმცა, ელექტრომაგნიტური ველის აღმოჩენისა და შესწავლის შემდეგ ეს იდეები მიატოვეს, როგორც მცდარი.

დადასტურდა, რომ ელექტრულად დამუხტული სხეულების ურთიერთქმედება არ არის მყისიერი და ერთი დამუხტული ნაწილაკის მოძრაობა იწვევს სხვა ნაწილაკებზე მოქმედი ძალების ცვლილებას არა იმავე მომენტში, არამედ მხოლოდ სასრული დროის შემდეგ.

ყოველი ელექტრულად დამუხტული ნაწილაკი ქმნის ელექტრომაგნიტურ ველს, რომელიც მოქმედებს სხვა ნაწილაკებზე, ე.ი. ურთიერთქმედება გადაიცემა "შუამავალის" - ელექტრომაგნიტური ველის მეშვეობით. ელექტრომაგნიტური ველის გავრცელების სიჩქარე უდრის სინათლის გავრცელების სიჩქარეს ვაკუუმში. გაჩნდა ახალი თეორიამოკლე დიაპაზონის ურთიერთქმედების ურთიერთქმედების თეორია.

ამ თეორიის თანახმად, სხეულებს შორის ურთიერთქმედება ხორციელდება გარკვეული ველების მეშვეობით (მაგალითად, გრავიტაცია. გრავიტაციული ველი) განუწყვეტლივ ნაწილდება სივრცეში.

ველის კვანტური თეორიის გაჩენის შემდეგ, ურთიერთქმედების კონცეფცია მნიშვნელოვნად შეიცვალა.

კვანტური თეორიის მიხედვით, ნებისმიერი ველი არ არის უწყვეტი, მაგრამ აქვს დისკრეტული სტრუქტურა.

კორპუსკულური ტალღის დუალიზმის გამო, გარკვეული ნაწილაკები შეესაბამება თითოეულ ველს. დამუხტული ნაწილაკები განუწყვეტლივ ასხივებენ და შთანთქავენ ფოტონებს, რომლებიც ქმნიან მათ გარშემო არსებულ ელექტრომაგნიტურ ველს. ველის კვანტურ თეორიაში ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედება არის ელექტრომაგნიტური ველის ფოტონებით (კვანტებით) ნაწილაკების გაცვლის შედეგი, ე.ი. ფოტონები ასეთი ურთიერთქმედების მატარებლები არიან. ანალოგიურად, სხვა სახის ურთიერთქმედებები წარმოიქმნება შესაბამისი ველების კვანტებით ნაწილაკების გაცვლის შედეგად.

სხეულების ერთმანეთზე გავლენის მრავალფეროვნების მიუხედავად (დამოკიდებულია მათი შემადგენელი ელემენტარული ნაწილაკების ურთიერთქმედების მიხედვით), ბუნებაში, თანამედროვე მონაცემებით, არსებობს მხოლოდ ოთხი ტიპი. ფუნდამენტური ურთიერთქმედება: გრავიტაციული, სუსტი, ელექტრომაგნიტური და ძლიერი (ურთიერთქმედების ინტენსივობის გაზრდის მიზნით). ურთიერთქმედების ინტენსივობა განისაზღვრება შეერთების მუდმივებით (კერძოდ, ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების ელექტრული მუხტი არის დაწყვილების მუდმივა).

Თანამედროვე კვანტური თეორიაელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედება შესანიშნავად აღწერს ყველა ცნობილ ელექტრომაგნიტურ მოვლენას.

საუკუნის 60-70-იან წლებში ძირითადად შენდებოდა ერთიანი თეორიალეპტონებისა და კვარკების სუსტი და ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედება (ე.წ. ელექტროსუსტი ურთიერთქმედება).

თანამედროვე თეორიაძლიერი ურთიერთქმედება არის კვანტური ქრომოდინამიკა.

მიმდინარეობს ელექტროსუსტი და ძლიერი ურთიერთქმედების გაერთიანების მცდელობა ეგრეთ წოდებულ „დიდ გაერთიანებაში“, აგრეთვე მათი ჩართვის გრავიტაციული ურთიერთქმედების ერთიან სქემაში.

განმარტება 1

ელექტროდინამიკა არის თეორია, რომელიც ითვალისწინებს ელექტრომაგნიტური პროცესებივაკუუმში და სხვადასხვა გარემოში.

ელექტროდინამიკა მოიცავს პროცესებისა და ფენომენების მთლიანობას, რომელშიც საკვანძო როლითამაშობენ მოქმედებებს დამუხტულ ნაწილაკებს შორის, რომლებიც ხორციელდება ელექტრომაგნიტური ველის საშუალებით.

ელექტროდინამიკის განვითარების ისტორია

ელექტროდინამიკის განვითარების ისტორია ტრადიციულის ევოლუციის ისტორიაა ფიზიკური ცნებები. ჯერ კიდევ მე-18 საუკუნის შუა ხანებამდე დადგინდა მნიშვნელოვანი ექსპერიმენტული შედეგები, რაც გამოწვეულია ელექტროენერგიით:

• მოგერიება და მიზიდულობა;
• ნივთიერების დაყოფა იზოლატორებად და გამტარებად;
• ორი სახის ელექტროენერგიის არსებობა.

ასევე მნიშვნელოვანი შედეგები იქნა მიღწეული მაგნეტიზმის შესწავლაში. ელექტროენერგიის გამოყენება მე-18 საუკუნის მეორე ნახევარში დაიწყო. ელექტროენერგიის, როგორც სპეციალური მატერიალური სუბსტანციის ჰიპოთეზის გაჩენა დაკავშირებულია ფრანკლინის სახელთან (1706-1790 წწ.) ხოლო 1785 წელს კულომმა დაადგინა წერტილი მუხტების ურთიერთქმედების კანონი.

ვოლტმა (1745-1827) გამოიგონა მრავალი ელექტრო საზომი ინსტრუმენტი. 1820 წელს შეიქმნა კანონი, რომელიც განსაზღვრავდა მექანიკური ძალარომლითაც მაგნიტური ველი მოქმედებს ელემენტზე ელექტრო დენი. ეს ფენომენიცნობილი გახდა, როგორც ამპერის კანონი. ამპერმა ასევე დაადგინა რამდენიმე დენის ძალის კანონი. 1820 წელს ორსტედმა აღმოაჩინა მაგნიტური მოქმედებაელექტრო დენი. ოჰმის კანონი დაარსდა 1826 წელს.

ფიზიკაში განსაკუთრებული მნიშვნელობა ენიჭება მოლეკულური დინების ჰიპოთეზას, რომელიც ამპერმა შემოგვთავაზა ჯერ კიდევ 1820 წელს. ფარადეიმ აღმოაჩინა ელექტრომაგნიტური ინდუქციის კანონი 1831 წელს. ჯეიმს კლერკ მაქსველმა (1831-1879) 1873 წელს ჩამოაყალიბა განტოლებები, რომლებიც მოგვიანებით გახდა თეორიული საფუძველიელექტროდინამიკა. მაქსველის განტოლებების შედეგია სინათლის ელექტრომაგნიტური ბუნების პროგნოზირება. მან ასევე იწინასწარმეტყველა ელექტრომაგნიტური ტალღების არსებობის შესაძლებლობა.

დროთა განმავლობაში შევიდა ფიზიკური მეცნიერებაიყო წარმოდგენა ელექტრომაგნიტური ველის, როგორც დამოუკიდებელი მატერიალური ერთეულის შესახებ, რომელიც წარმოადგენს სივრცეში ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების ერთგვარ მატარებელს. სხვადასხვა მაგნიტური და ელექტრული ფენომენი ყოველთვის იწვევდა ხალხის ინტერესს.

ხშირად, ტერმინი "ელექტროდინამიკა" გაგებულია, როგორც ტრადიციული ელექტროდინამიკა, რომელიც აღწერს მხოლოდ უწყვეტი თვისებებიელექტრომაგნიტური ველი.

ელექტრომაგნიტური ველი არის მთავარი საგანიელექტროდინამიკის შესწავლა, აგრეთვე მატერიის განსაკუთრებული სახეობა, რომელიც ვლინდება დამუხტულ ნაწილაკებთან ურთიერთობისას.

პოპოვი ა.ს. 1895 წელს მან გამოიგონა რადიო. სწორედ ამან იქონია მნიშვნელოვანი გავლენა შემდგომი განვითარებატექნოლოგია და მეცნიერება. მაქსველის განტოლებები შეიძლება გამოყენებულ იქნას ყველა ელექტრომაგნიტური ფენომენის აღსაწერად. განტოლებები ადგენს რაოდენობებს, რომლებიც ახასიათებენ მაგნიტურ და ელექტრულ ველებს, ანაწილებენ დენებსა და მუხტებს სივრცეში.

სურათი 1. ელექტროენერგიის დოქტრინის შემუშავება. ავტორი24 - სტუდენტური ნაშრომების ონლაინ გაცვლა

ტრადიციული ელექტროდინამიკის ფორმირება და განვითარება

ელექტროდინამიკის განვითარებაში მთავარი და ყველაზე მნიშვნელოვანი ნაბიჯი იყო ფარადეის აღმოჩენა - ელექტრომაგნიტური ინდუქციის ფენომენი (აგზნება). ელექტრომამოძრავებელი ძალადირიჟორებში ალტერნატიული ელექტრომაგნიტური ველის გამოყენებით). სწორედ ეს გახდა ელექტროტექნიკის საფუძველი.

მაიკლ ფარადეი არის ინგლისელი ფიზიკოსირომელიც დაიბადა ლონდონში მჭედლის ოჯახში. დაამთავრა დაწყებითი სკოლადა 12 წლიდან მუშაობდა ქაღალდის ბიჭად. 1804 წელს იგი გახდა ფრანგი ემიგრანტი რიბოტის სტუდენტი, რომელმაც ხელი შეუწყო ფარადეის თვითგანათლების სურვილს. ლექციებზე ის ცდილობდა ცოდნის შევსებას ნატურალური მეცნიერებაქიმია და ფიზიკა. 1813 წელს მას გადასცეს ბილეთი ჰამფრი დევის ლექციებზე, რამაც გადამწყვეტი როლი ითამაშა მის ბედში. მისი დახმარებით ფარადეიმ სამეფო ინსტიტუტში ასისტენტის თანამდებობა მიიღო.

ფარადეის სამეცნიერო მოღვაწეობა შედგა სამეფო ინსტიტუტში, სადაც ის პირველად დაეხმარა დევის თავის საქმეში ქიმიური ექსპერიმენტები, რის შემდეგაც მან დამოუკიდებლად დაიწყო მათი ჩატარება. ფარადეიმ მიიღო ბენზოლი ქლორის და სხვა გაზების შემცირებით. 1821 წელს მან აღმოაჩინა, თუ როგორ ბრუნავს მაგნიტი დირიჟორის გარშემო დენით, რითაც შეიქმნა ელექტროძრავის პირველი მოდელი.

მომდევნო 10 წლის განმავლობაში ფარადეი სწავლობდა ურთიერთობას მაგნიტურ და ელექტრო ფენომენები. მთელი მისი კვლევა დაგვირგვინდა ელექტრომაგნიტური ინდუქციის ფენომენის აღმოჩენით, რომელიც მოხდა 1831 წელს. მან დეტალურად შეისწავლა ეს ფენომენი და ჩამოაყალიბა მისი ძირითადი კანონი, რომლის დროსაც მან გამოავლინა დამოკიდებულება ინდუქციური დენი. ფარადეიმ ასევე შეისწავლა დახურვის, გახსნისა და თვითინდუქციის ფენომენები.

წარმოებული ელექტრომაგნიტური ინდუქციის აღმოჩენა მეცნიერული მნიშვნელობა. ეს ფენომენი საფუძვლად უდევს ყველა მონაცვლეობას და პირდაპირი დენი. ვინაიდან ფარადეი მუდმივად ცდილობდა ელექტრული დენის ბუნების გამოვლენას, ამან აიძულა იგი ჩაეტარებინა ექსპერიმენტები დენის გავლის შესახებ მარილების, მჟავების და ტუტეების ხსნარებში. ამ კვლევების შედეგად გაჩნდა ელექტროლიზის კანონი, რომელიც აღმოაჩინეს 1833 წელს. წელს ის ხსნის ვოლტმეტრს. 1845 წელს ფარადეიმ აღმოაჩინა სინათლის პოლარიზაციის ფენომენი მაგნიტურ ველში. ამ წელს მან ასევე აღმოაჩინა დიამაგნეტიზმი, ხოლო 1847 წელს პარამაგნეტიზმი.

შენიშვნა 1

მთელი ფიზიკის განვითარებაზე გავლენა მოახდინა ფარადეის იდეებმა მაგნიტური და ელექტრული ველები. 1832 წელს მან თქვა, რომ ელექტრომაგნიტური ფენომენების გავრცელება არის ტალღური პროცესი, რომელიც ხდება საბოლოო სიჩქარე. 1845 წელს ფარადეიმ პირველად გამოიყენა ტერმინი "ელექტრომაგნიტური ველი".

ფარადეის აღმოჩენებმა ფართო პოპულარობა მოიპოვა მთელ მსოფლიოში. სამეცნიერო სამყარო. მის პატივსაცემად ბრიტანელი ქიმიური საზოგადოებადააწესა ფარადეის მედალი, რომელიც გახდა საპატიო სამეცნიერო ჯილდო.

ელექტრომაგნიტური ინდუქციის ფენომენების ახსნით და სირთულეების შემჩნევისას, ფარადეიმ შემოგვთავაზა ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების განხორციელება ელექტრული და მაგნიტური ველების დახმარებით. ამ ყველაფერმა საფუძველი ჩაუყარა ელექტრომაგნიტური ველის კონცეფციის შექმნას, რომელიც ჯეიმს მაქსველმა მოამზადა.

მაქსველის წვლილი ელექტროდინამიკის განვითარებაში

ჯეიმს კლერკ მაქსველი არის ინგლისელი ფიზიკოსი, რომელიც დაიბადა ედინბურგში. სწორედ მისი ხელმძღვანელობით შეიქმნა კევენდიშის ლაბორატორია კემბრიჯში, რომელსაც მთელი ცხოვრება ხელმძღვანელობდა.

მაქსველის ნაშრომები ეძღვნება ელექტროდინამიკას, ზოგად სტატისტიკას, მოლეკულურ ფიზიკას, მექანიკას, ოპტიკას და ასევე ელასტიურობის თეორიას. მან უდიდესი წვლილი შეიტანა ელექტროდინამიკაში და მოლეკულური ფიზიკა. ერთ-ერთი დამფუძნებელი კინეტიკური თეორიააირები არის მაქსველი. მან დაადგინა მოლეკულების განაწილების ფუნქციები სიჩქარის მიხედვით, რომელიც ეფუძნება საპირისპირო და პირდაპირი შეჯახების განხილვას; მაქსველმა განავითარა ტრანსპორტის თეორია ზოგადი ხედიდა გამოიყენა იგი დიფუზიის პროცესებზე, შიდა ხახუნის, თბოგამტარობა და ასევე გააცნო რელაქსაციის კონცეფცია.

1867 წელს მან პირველად აჩვენა თერმოდინამიკის სტატისტიკური ბუნება, ხოლო 1878 წელს შემოიღო ცნება „სტატისტიკური მექანიკა“. ყველაზე მნიშვნელოვანი მეცნიერული მიღწევამაქსველი არის მის მიერ შექმნილი ელექტრომაგნიტური ველის თეორია. თავის თეორიაში ის იყენებს " გადაადგილების დენის" ახალ კონცეფციას და იძლევა ელექტრომაგნიტური ველის განმარტებას.

შენიშვნა 2

მაქსველი წინასწარმეტყველებს ახალ მნიშვნელოვან ეფექტს: არსებობას ელექტრომაგნიტური რადიაციადა ელექტრომაგნიტური ტალღები თავისუფალ სივრცეში, ასევე მათი გავრცელება სინათლის სიჩქარით. მან ასევე ჩამოაყალიბა თეორემა ელასტიურობის თეორიაში, დაადგინა კავშირი ძირითად თერმოფიზიკურ პარამეტრებს შორის. მაქსველი ავითარებს ფერთა ხედვის თეორიას, იკვლევს სატურნის რგოლების სტაბილურობას. ის აჩვენებს, რომ რგოლები არ არის თხევადი ან მყარი, ისინი მეტეორიტების გროვაა.

მაქსველი ცნობილი პოპულარიზატორი იყო ფიზიკური ცოდნა. მისი ოთხი ელექტრომაგნიტური ველის განტოლების შინაარსი შემდეგია:

1. მაგნიტური ველი წარმოიქმნება მოძრავი მუხტებისა და ელექტრული ველის მონაცვლეობით.
2. ელექტრული ველი ძალის დახურული ხაზებით წარმოიქმნება მონაცვლეობითი მაგნიტური ველით.
3. მაგნიტური ველის ხაზები ყოველთვის დახურულია. ამ ველს არ აქვს მაგნიტური მუხტები, რომლებიც ელექტრული მუხტების მსგავსია.
4. ელექტრული ველი, რომელსაც აქვს ძალის ღია ხაზები, წარმოიქმნება ელექტრული მუხტებით, რომლებიც ამ ველის წყაროა.