Електричні кола постійного струму

Елементарні електричні заряди й електромагнітне поле як особливий вид матерії

Елементарні частинки матерії, які мають електричні заряди (наприклад, електрон – від'ємний заряд, протон – додатний), є важливими структурними елементами атомів речовини й тому, природно, що з електромагнітними яви­щами пов'язані найрізноманітніші явища природи. Ці елементарні частинки надалі будемо коротко називати елементарними електричними зарядами.

Елементарні заряджені частинки входять до складу атомів і молекул ре­човини, але можуть бути теж у вільному стані. Вони знаходяться у безперерв­ному русі й оточені електромагнітним полем.

Електричний заряд елементарних частинок є важливою фізичною вла­стивістю, яка характеризує їх взаємозв'язок з власним електромагнітним полем і взаємодію із зовнішнім електромагнітним полем.

Електромагнітне поле є особливим видом матерії, воно є носієм енергії й має характерні для нього електричні й магнітні власти­вості.

Необхідно відзначити, що елементарну частинку речовини, яка володіє зарядом, не можна уявити без електромагнітного поля, але електромагнітне поле може існувати у вільному стані, відокремлене від зарядженої частинки, (наприклад фотон, а також електромагнітне поле, випромінюване антеною). Електромагнітне поле у вільному стані, не зв'язане з частинками речовини, по­ширюється в пустоті, за відсутності сильних гравітаційних полів, з природною для нього швидкістю С = 2,998∙10⁸ м/с ≈ 3∙10⁸ м/с 300 000 км/с. У речовині, а також за наявності сильних гравітаційних полів, тобто поблизу дуже великих мас речовини, швидкість поширення електромагнітного поля дещо менша від С.

Будь-яке електромагнітне явище має дві характеристики – електричну й магнітну, між якими існує тісний взаємозв'язок. Отже, електромагнітне поле представляє собою два взаємозв'язані поля – електричне поле й магнітне поле.

Разом з тим, можна створити умови, коли в деякій області простору бу­дуть спостерігатися тільки електричні або тільки магнітні поля. Наприклад, у заряджених нерухомих провідних тіл ззовні спостерігається тільки електричне поле.

У нерухомих постійних магнітів, навпаки, в просторі, що їх оточує, про­являється тільки магнітне поле.

Елек­тричне поле створюється електричними зарядами, а також змінним магнітним полем. Магнітне поле створюється рухомими електричними зарядами, а також змінним електричним полем.

Електростатичне поле. Напруженість поля

Електростатичне поле – це окре­мий вид електромагнітного поля. Воно створюється сукупністю незмінних у часі нерухомих електричних зарядів.

Нехай маємо два нерухомі й заряджені незмінними зарядами тіла (+q) і (-q) (рис. 1.1), що розташовані в ідеально ізоля­ційному середовищі, електрична провідність якого дорівнює нулеві. В області цих тіл встанов­люється електростатичне поле. Користуючись пробним зарядом q₀, визначимо основну фізичну величину, яка характеризує електричне поле в кожній його точці й називається напруженістю електричного поля ().

Напруженість електричного поля дорівнює відношенню механічної сили , що діє на нерухомий додатний пробний заряд q₀, розташований у даній точ­ці поля, до величини цього заряду. Напруженість електричного поля як вектор збігається за напрямом з вектором механічної сили , яка діє на заряд q₀, тобто:

(1.1)

Тут і надалі будемо користуватися міжнародною системою одиниць (СІ). В цій системі одиницею вимірювання заряду є кулон, одиницею сили є ньютон і одиницею напруженості електричного поля є вольт на метр:

[q] = 1 К = 1 А∙с; [F ] = 1 Н = 1 Дж/м = 1 кг ∙ м/с²; [Е ] = 1 В/м.

Обстежуючи все електричне поле, можна визначити напруженість поля у всіх його точках і потім провести ряд ліній так, щоб у кожній точці цих ліній до­тичні до них збігалися за напрямом вектора напруженості поля. Ці лінії назива­ють лініями вектора напруженості електричного поля, чи просто силовими лініями електричного поля. Сукупність силових ліній створює картину електричного поля (рис. 1.1).