Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. И так мы продолжаем изучать физику и раздел электрические явления. О чем же сегодня пойдет речь? Вы уже знаете, что если наэлектризовать эбонитовую палочку, натирая ее о волосы, а стеклянную палочку о полиэтилен, то они начинают притягиваться к друг другу. Если взять две стеклянные или эбонитовые палочки и проделать с ними такую же процедуру, которую мы называем электризацией, то они будут отталкиваться друг от друга. Т.е между ними мы наблюдаем новый вид взаимодействия по сравнению с гравитационным взаимодействием. И мы уже говорили о том, что это взаимодействие значительно более сильное. Действительно, стеклянная и эбонитовая палочка притягиваются друг к другу в следствии того, что они имеют массу и это гравитационное взаимодействие. Но если эти палочки наэлектризовать, то они будут притягиваться друг к другу с силой больше, чем сила гравитационного взаимодействия в 10 в 42 степени раз. Почему это происходит, мы объясняем так: на заряженных телах появляется нечто или некое свойство, которое мы назвали электрическим зарядом. Что такое электрический заряд? На самом деле, бессмысленно спрашивать, так как это некое фундаментальное свойство природы. Физики могут сказать как ведут себя электрические заряды, описать их взаимодействие, но вот что такое электрический заряд физики никогда не скажут. Так же, как например, математики никогда не скажут, что такое число или что такое точка - все это фундаментальные понятия, на которых строится весь понятийный аппарат, как физики, так и математики. Но физикам все-таки было бы интересно знать, а как все-таки можно описать взаимодействие двух или нескольких заряженных тел. Мы будем говорить взаимодействие электрических зарядов, но естественно, мы на самом деле будем говорить о взаимодействии заряженных тел. Как же происходит это взаимодействие? Оказывается в XIX веке, когда наиболее интенсивно изучались электрические явления не существовало единой точки зрения на механизм взаимодействия электрических зарядов. На тот момент, существовало две теории, одна из которых в последствии оказалась правильной, а вторая со временем была опровергнута с помощью экспериментов. Давайте рассмотрим обе. И так первая теория, которую со временем опровергли называлась "Теория дальнодействия".
А теперь давайте рассмотрим вторую теорию, которая носит название "Теория близкодействия".
И так то,что мы с вами рассмотрели это кажется невероятным, по крайней мере такое объяснение электрического взаимодействия в XIX веке казалось невероятным. Идея электрического, а точнее электро-магнитного поля принадлежит великому Английскому экспериментатору Майклу Фарадею. Майкл Фарадей в 1832 году идею электрического поля и идею большой, но конечной скорости распространения электрического взаимодействия с помощью поля описал в письме, запечатал его и конверт отправил в Королевское Английское научное общество. Более чем, через сто лет, а точнее, в 1936 году этот конверт вскрыли и прочитали там идею Фарадея о существовании электро-магнитного поля и о том, что оно распространяется с конечной скоростью, потому что Фарадей понимал, что если он в 20 или 30-е годы XIX столетия такую идею начнет пропагандировать, то его просто могут не понять. Это слишком, для того времени, была передовая идея. И тем не менее она оказалась правильной! В дальнейшем Джеймс Клерк Максвелл на теоретическом уровне описал электро-магнитное взаимодействие, именно на языке электро-магнитного поля и оказалось, например, что электрический заряд испытывает действие электрического поля, даже если рядом нет другого заряда. И это электро-магнитное поле приходит из далека в виде так называемых электро-магнитных волн. И эти электро-магнитные волны - это радиоволны, это световые волны, даже рентгеновское излучение - это тоже относится к электро-магнитным волнам.
И так основная идея взаимодействия электрических зарядов, согласно Майклу Фарадею, состоит в том, что один заряд является источником электрического поля. Напомню вам, что электрическое поле является одним из видов материи. Что такое материя? Это, то что реально существует и то, что мы можем обнаружить экспериментальным путем. А как обнаружить существование электрического поля в пространстве? Надо в это электрическое поле поместить другой заряд и на этот заряд со стороны электрического поля будет действовать электрическая сила. Величину электрической силы мы с вами научимся вычислять позже, но оказывается, что электрическое поле можно описать количественно,зная характеристики электрического поля и зная характеристики заряда, который находится в этом электрическом поле можно найти величину электрической силы. И почему же все-таки теория называется теорией близкодействия? Ведь поле создаваемое этим зарядом распространяется на большое расстояние. Так называется эта теория потому, что электрическая сила определяется характеристиками электрического поля вблизи заряда, который в этом поле находится, а точнее именно там где этот заряд находится. Вот почему теория называется теорией близкодействия. Сила определяется характеристиками поля, там где находится заряд, а не в других точках. Майкл Фарадей выдвинул эту идею и пользовался ею только, как бы, внутри себя, не решаясь ее широко публиковать и тем не менее со временем оказалось, что он был абсолютно прав. Максвелл потом развил эту теорию и в настоящее время на этой теории, фактически держится, теория электро-магнитных явлений.
И так величина силы, действующей на заряд, помещенный в электрическое поле, определяется характеристиками поля там где находится заряд. Но вы можете при этом возразить. Подождите! Получается какая-то странная ситуация...почему именно первый заряд создает электрическое поле, в котором находится второй заряд. А что второй заряд не создает вокруг себя электрического поля? Конечно, создает! Любой электрический заряд создает вокруг себя электрическое поле. Мы на схеме это поле, просто, не показали. И так второй заряд вокруг себя создает электрическое поле в котором находится первый заряд. И благодаря этому первый заряд испытывает на себе тоже действие электрической силы, поэтому ситуация симметричная: первый заряд создает поле, которое действует электрической силой на второй заряд, второй заряд создает поле, в которое оказывается погруженным первый заряд. Единственное о чем нужно помнить, что поле, создаваемое самим зарядом, на него, на сам источник поля не действует, на него действует только поле, создаваемое окружающими зарядами. И если это понять, тогда механизм взаимодействия зарядов оказывается, по крайней мере для нас, с вами современников достаточно простым.
И вот мы с вами говорим о том, что заряды могут быть больше, могут быть меньше. Как же описать количественно этот заряд? Мы с вами знаем, что если зарядить электрометр, то через некоторое время стрелка опадет, особенно во влажную погоду, значит электрический заряд на шаре электрометра с течением времени становится меньше. Т.е это физическая величина, которую можно количественно охарактеризовать. Эту физическую величину - электрический заряд обозначают буквой q. И если есть физическая величина, то соответственно, есть и единица ее измерения.
И так мы выяснили, что кулон - это единица электрического заряда. Ну, а в принципе, заряд в наших опытах по электричеству имеет порядок величины около нКл или 10-ков нКл, т.е значительно меньше одного кулона. Электрический заряд может быть больше и может быть меньше. И давайте мы сейчас с вами немного поэкспериментируем с электрическими зарядами...
И так мы выяснили, что электрический заряд можно делить. А можно ли делить его до бесконечности или точнее до сколь угодно малых порций? Т.е, например, можно ли получить заряд 10 в минус пятидесятой степени кулона или 10 в минус 22 степени кулона. Каков ответ на этот вопрос? Чтобы ответить на этот вопрос нужно понимать, а где собственно сосредоточен этот электрический заряд. Что именно является носителем этого удивительного свойства? Мы с вами знаем, что мы можем наэлектризовать какое-то электрическое тело. Тело состоит из вещества, вещество состоит из молекул, молекулы состоят из атомов, и мы, конечно же, уже знаем, что атом только называется не делимым. На самом деле атом состоит из частиц и оказывается, что эти частицы несут на себе электрический заряд. И эти частицы, которые называют элементарными дальше уже разделить невозможно. Поэтому тот заряд, который они несут на себе дальше разделить тоже уже не возможно. И минимальный заряд, который может существовать в природе - это заряд этих самых частиц. Это заряд элементарных частиц, например, заряд электрона. Это отрицательный заряд меньше, которого в природе получить нельзя. Когда на следующих лекциях мы будем подробнее говорить о строении атомов, то мы разберемся и с тем, где находится положительный электрический заряд. И вот минимальный заряд, который несут на себе элементарные частицы носит название элементарного заряда. И давайте познакомимся с двумя опытами, которые позволили определить величину заряда элементарной частицы. В первом опыте советский физик Абрам Федорович Иоффе смог определить, какое количество элементарных зарядов несет на себе участвующая в его эксперименте заряженная цинковая пылинка, но не смог определить величину этого заряда. Давайте посмотрим...
А вот американский физик Роберт Милликен смог определить величину элементарного заряда и получить величину одной из фундаментальных величин, величину заряда элементарной частицы.
И так мы узнали, что величина заряда элементарной частицы составляет 1,6х10^-19 Кл. Давайте словами: одна целая шесть десятых на десять в минус девятнадцатой степени кулона. Невозможно получить, например, заряд 1х10^-19 Кл или 0,8х10^-19Кл. Можно получить заряд 3,2....4,8....6,4... и т.д. Т.е величину заряда кратную величине 1,6. Т.е любой электрический заряд, в том числе, и на эбонитовой или стеклянной палочке всегда равен целому заряда элементарных частиц или по-другому числу элементарных зарядов. Давайте это сформулируем более строго.
Электрический заряд любого заряженного тела всегда равен целому числу элементарных зарядов. И давайте ниже приведем величину элементарного заряда одного электрона.
Мы узнали, что заряд электрона имеет отрицательную величину, а вот где сосредоточен положительный заряд в атоме мы поговорим на следующей лекции, но уже понятно, что если атом в целом электрически нейтрален, то это означает, что положительный заряд внутри атома обязательно равен целому числу элементарных зарядов. Т.е какое-то целое число умноженное на 1,6...А вот порядок величины заряда 10^-19 Кл - это очень маленькое число, поэтому в повседневной жизни мы не замечаем того, что электрический заряд, как говорят физики и математики дискретен, т.е может меняться скачкообразно. и величина "скачка" кратна величине 1,6... А нам кажется, что заряд можно менять плавно. Например, когда мы разряжаем электрометр его стрелка плавно опускается, но на самом деле это не так и заряд меняется скачками.
Вот такой вклад в определение величины заряда элементарной частицы внесли два вышеуказанных ученых. Стоит отметить, что Иоффе, роме определения количества элементарных зарядов, содержащихся в любой заряженной частички внес еще очень большой вклад в исследование веществ, которые называются полупроводниками. И его современики-коллеги называли "папа Иоффе". А Милликен, в свою очередь, не только доказал, что электрический заряд имеет предел деления, но и измерил величину элементарного заряда. И в конце давайте подробнее посмотрим на экспериментальные установки Иоффе и Милликена.
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, пожалуйста подпишись на канал и поддержи автора.