Многие физические явления, наблюдаемые в природе и окружающей нас жизни, не могут быть объяснены только на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики. В этих явлениях проявляются силы, действующие между телами на расстоянии, причем эти силы не зависят от масс взаимодействующих тел и, следовательно, не являются гравитационными. Эти силы называют электромагнитными силами.

О существовании электромагнитных сил знали еще древние греки. Но систематическое, количественное изучение физических явлений, в которых проявляется электромагнитное взаимодействие тел, началось только в конце XVIII века. Трудами многих ученых в XIX веке завершилось создание стройной науки, изучающей электрические и магнитные явления. Эта наука, которая является одним из важнейших разделов физики, получила название электродинамики.

Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие заряда в электродинамике является первичным, основным понятием.

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

• Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

• Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.

• Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда:

q₁+q₂+q₃+...+q_n=const

Основными объектами изучения в электродинамике являются электрические и магнитные поля, создаваемые электрическими зарядами и токами.

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.

С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e.

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.

Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина: q=±en (n=0,1,2,3,......)

Электрический ток - это упорядоченное движение (движение в одном направлении) заряженных частиц (электронов, ионов, дырок) под действием электрического поля.

Условия существования электрического тока:

1. Наличие свободных заряженных частиц.

2. Наличие электрического поля.

В разных проводниках ток создают разные носители заряда:

в твёрдых проводниках - электроны;

в жидких проводниках - ионы;

в газообразных проводниках - ионы и электроны;

в вакууме - электроны;

в полупроводниках - электроны и дырки.

Рассмотрим электрический ток в металлах.

Направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц называют электрическим током. Сила тока равна отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени Δt, к этому интервалу: . Силу тока измеряют в амперах (А).

Как известно, сила, действующая на заряды в проводнике со стороны электрического поля напряжённостью Е, определяется формулой F = qE. Поэтому при отсутствии других сил заряды должны двигаться с ускорением. Однако из-за столкновений носителей тока (зарядов) с атомами и молекулами проводника возникает тормозящая сила, пропорциональная скорости <V>, которую называют средней скоростью направленного (упорядоченного) движения заряженных частиц ли средней скоростью дрейфа.

, где q₀ - заряд одной частицы (если это электрон или протон, то q₀= е = 1,6 х 10^-19 Кл. Если это ион, то q₀=N е = N 1,6 10^-19 Кл, где N число ушедших или пришедших к атому электронов), n - концентрация заряженных частиц в проводнике. Если силу тока разделить на площадь поперечного сечения проводника, то получим величину, которая называется плотностью тока j= I/S .

За направление тока принято направление движения положительно заряженных частиц. Поэтому, если в проводнике ток создаётся отрицательными зарядами, то направление тока будет противоположно направлению движения отрицательно заряженных частиц.

Если в задаче говорится о массе проводника m , то его длина и площадь поперечного сечения могут быть связаны с массой проводника формулой m=ρV=ρSL В этой формуле "ро" означает плотность вещества (табличное значение для твёрдых и жидких проводников для температуры 0⁰C ). !!!! Не путать с удельным сопротивлением ρ из формулы сопротивления. Если проводник газообразный, то плотность газа можно определить из уравнения Менделеева-Клапейрона pV= RTm/M ,где m=ρV.

Зависимость сопротивления от характеристик проводника выражается формулой (длины L, площади поперечного сечения S, рода вещества проводникасопротивлением, которое называется удельным ) . Удельное сопротивление, а значит и сопротивление проводника, зависят от температуры проводника.Удельное сопротивление и сопротивление металлических проводников возрастает с ростом температуры:

,

.

Вернуться к конспектам урока