Лекции по физике за 2 семестр

Лекции по физике за 2 семестр

Лекции по физике В.И.Бабецкого

(II курс факультета "Прикладная математика и физика" МАИ)          1999г.

1

Электромагнитное взаимодействие

            Мир состоит из взаимодействующих частиц. Всё, что мы видим, построено из элементарных частиц, есть такие кирпичики мироздания. На макроскопическом уровне много взаимодействий, на самом деле, в основании всего лежит четыре  типа фундаментальных взаимодействий. Они называются:

            1) сильное,

            2) электромагнитное,

            3) слабое,

            4) гравитационное.

Они перечислены в порядке убывания силы взаимодействия.

            Сильное взаимодействие определяет структуру атомных ядер и более глубокие структуры.  Следующее - электромагнитное взаимодействие. Оно послабее на два порядка сильного. Сильное взаимодействие проявляется на малых расстояниях, см, электромагнитное взаимодействие проявляется на любых расстояниях. Далее идёт слабое взаимодействие, вообще, играющее незаметную роль на макроскопическом уровне. И, наконец, самое слабое гравитационное взаимодействие, примерно на сорок порядков слабее электромагнитного. Но почему именно гравитационное взаимодействие мы ощущаем более часто, например, вы хотите подпрыгнуть, а вас тянет вниз. Это происходит за счёт того, что в нём участвуют все частицы. 

            Эти взаимодействия характерны тем, что в них участвуют определённые частицы, частицы, обладающие определёнными свойствами.

            На макроскопическом уровне электромагнитное взаимодействие самое важное, вот то, что мы видим на Земле - это всё электромагнитное взаимодействие.

Электрический заряд

                        Частицы, участвующие в электромагнитном взаимодействии, обладают специальным свойством - электрическим зарядом. Что такое электрический заряд? Первичное понятие. Нельзя его описать в других более понятных терминах. Электрический заряд - неотъемлемое свойство элементарной частицы. Если есть частица, обладающая электрическим зарядом, например, электрон, всем вам известный электрон, лишить его этого свойства невозможно. Электрон обладает и другими свойствами: массой, спином, магнитным моментом. Имеются частицы и не обладающие этим свойством. Если частица не участвует в электромагнитном взаимодействии (а как это определить? берём частицу, находим действующую на неё силу, есть книжки, в которых дано руководство для дальнейших действий), итак, если частица не участвует в электромагнитном взаимодействии, то она не обладает электрическим зарядом.

            Заряды всех тел кратны величине Кл, это заряд электрона. Это означает, что в природе встречается минимальный заряд, равный е. Можно было бы принять е=1, но в силу ряда причин, в частности, по исторической причине, е выражается таким числом.

            Есть такие частицы - кварки, заряд которых дробный: ,  и т.д. То, что их заряд дробный не противоречит тому, что я сказал, так как кварки самостоятельно не наблюдаются. Считается, что нельзя выделить кварки индивидуально, чтобы получить частицу с дробным зарядом. Чтобы было более понятно, я приведу такой пример. Имеем намагниченную спицу с южным и северным полюсом, они ведут себя, как точечные источники тока, но, сломав спицу пополам, на одном конце остаётся южный полюс, а на другом выскакивает северный. Так и при делении кварков, они делятся, но появляются новые кварки, а не их половинки.

            Заряды бывают двух знаков: “+” и “–“. Как понимать отрицательный и положительный знак? Можно было бы назвать их другими символами, но которые входят в математические понятия, потому что математика - базовая наука.

Электромагнитное поле

            Ещё раз повторю, мир состоит из взаимодействующих частиц, но частицы не взаимодействуют друг с другом. Этот вопрос занимал ещё Ньютона. Он считал, что сама идея взаимодействия через пустое пространство это абсурд. Нынешняя физика так же отвергает взаимодействие через пустое пространство. Например, откуда Земля "знает", что где-то от неё на расстоянии 150 млн. км находится Солнце, к которому она должна притягиваться? Поле является переносчиком взаимодействия, в частности, переносчиком электромагнитных взаимодействий является электромагнитное поле. Что такое поле? опять таки первичное понятие, невозможно его выразить более простыми словами. Надо понимать так: имеем частицу заряженную, одну единственную, и то, что создаёт частица в пространстве, это и есть электромагнитное поле. Некоторые формы этого электромагнитного поля мы видим, свет есть проявление электромагнитного поля. Другая заряженная частица погружена в это поле и взаимодействует с этим полем там, где она находится. Таким образом, решена проблема взаимодействия. Электромагнитное поле - это переносчик электромагнитного взаимодействия.

            Опять таки, поле мы не можем описать обычными словами. Вот стол, он деревянный, коричневый и т.д., его можно описать бесконечно большим набором свойств. Электромагнитное поле гораздо более простая вещь. Движение частицы, находящейся в электромагнитном поле, описывается следующим уравнением.

Второй закон Ньютона:      

 Заряженная частица, обладающая зарядом q, движется в электромагнитном поле согласно этому уравнению. Видим, что сила, действующая на частицу со стороны электромагнитного поля, определяется двумя векторными полями: , то есть в каждой точке пространства задан вектор , который может меняться со временем (математик может сказать, если в каждой точке пространства задана скалярная функция, что задано скалярное поле, если задана векторная функция - задано векторное поле), поле  называется напряжённостью электрического поля, поле  - индукция магнитного поля. Почему они так называются, нам сейчас неважно, это термины. Почему они разделены? Потому что влияние их на частицу различны. Поле  не содержит никаких характеристик частицы кроме заряда. Если v = 0, то второе слагаемое вылетает. Это означает, что магнитное поле действует только на движущиеся частицы. Неподвижные заряды не чувствуют магнитного поля.

            Когда говорится о функциях координат, имеется в виду, что мы находимся в некоторой инерциальной системе. Если заряд движется, то в другой инерциальной системе он будет покоиться. Это означает, что, если в одной инерциальной системе отсчёта существует только , то в другой появится и . Вот эти два векторных поля полностью описывают электромагнитное поле. Задать электромагнитное поле означает задать шесть функций от координат и времени.

Как задать поле в этом помещении? Помещаем пробный заряд, измеряем силу, делим на q, получаем . Чуть сложнее измерить . Есть более изящные методы измерения, основанные на этом уравнении. И получим исчерпывающее описание этой вещи. Это описание на много проще описания этого стола.

Уравнения поля

            Могу ли я конкретно, физически соорудить поле? Ответ, вообще говоря, нет. Не всякое векторное поле  может представлять реальное электрическое поле , и не всякое векторное поле  представляет магнитное поле . Реальное электромагнитное поле обладает структурой, и эта структура и выражается полевыми уравнениями, которые выступают в роли фильтров.

            Электромагнитное поле создаётся заряженными частицами, или, иначе говоря, заряженные частицы являются источниками электромагнитного поля.

Основная задача теории:

предъявлено распределение заряженных частиц, и мы должны найти поле, которое создаётся этими частицами.

Вопрос: как можно описать распределение частиц, как предъявить распределение зарядов? Кстати, никакие другие свойства кроме заряда не важны. Можно взять какую-то частицу, измерить её заряд и повесить на неё бирку, и так со всеми частицами. Но технически это сделать невозможно.

            Вот имеем некоторую систему координат. В точке с радиус-вектором  выбираем некоторый элемент объёма DVi, определяем заряд этого элемента объёма. Пусть внутри этого элемента объёма находится заряд Dqi. Теперь определяем такую величину: . Будем уменьшать объём, при этом окажется, что отношение  стремится к некоторому пределу. Считается, что элемент объёма очень мал, но число частиц в нём велико, такова реальность.

Определённая выше функция , называется плотностью заряда. Понятно, что всё распределение заряда описывается функцией . Если имеются отдельные точечные заряды, то они подпадают под эту функцию. И она такова, что, если в точке  находится точечный заряд, то тогда = . Скалярная функция позволяет полностью описать мир с точки зрения электродинамики. Но не только она, скорость заряда тоже влияет на электромагнитное поле. Так как магнитное поле создаётся движущимися зарядами, нам нужно учесть ещё движение, и для этого нужна ещё одна характеристика. Берём в нашей системе координат точку  и вычисляем такую величину: . Формулы надо научиться читать повествовательно! В этом случае: ловите все частицы этого объёма, заряд частицы умножаем на её скорость, делим на объём, а потом переходим к пределу, получаем некоторый вектор и этот вектор приписываем точке, в окрестности которой производили измерения... Получаем векторное поле.  - плотность тока. Кстати, в механике аналогичная величина - плотность импульса. Вместо заряда возьмём массу, получим суммарный импульс, если разделить его на объём, получим плотность импульса.

            Источники электромагнитного поля полностью характеризуются скалярной функцией  и векторной функцией .  Вот я уже говорил там о цветочках в саду, птички летают… с точки зрения электродинамики система должна быть описана функциями r и . Действительно, если дать эти функции, то по ним можно было бы дать цветную картинку, кстати, телевизор это и делает, а частью этого электромагнитного поля являются волны, которые попадают вам в глаз. Задание этих функций задаёт поле, потому что, если известны источники, то известно и поле.

Полевые уравнения

Всё электричество сидит в этих уравнениях. Они, на самом деле, симметричны и красивы. Эти уравнения постулируются, они лежат в основе теории. Это фундаментальные уравнения теории. Вот, кстати, интересно. Теория существует неизменно с семидесятых годов XIX века по сей день, и никаких поправок! Ньютоновская теория не выдержала, а электродинамика стоит около 1,5 века, работает на расстоянии м и никаких отклонений.

            Для расшифровки этих уравнений потребуются некоторые математические конструкции.

2

Поток вектора.

Задано некоторое поле , в какой-то точке пространства задан вектор . В окрестности этой точки выбираем площадку dS, площадку ориентированную, её  ориентация характеризуется вектором . Тогда конструкция  называется поток вектора  через площадку dS. При этом площадка настолько мала, что вектор  может считаться в пределах этой площадки постоянным.

Теперь ситуация другая. Рассмотрим некоторый кусок поверхности. Эту поверхность разбиваем на элементы. Вот, например, выделенный элемент под номером i, его площадь DSi, его нормаль . Где-то в пределах элемента выбираем вектор , сам элемент задаётся радиус-вектором , то есть какая-то точка внутри элемента имеет радиус-вектор . Сумма по всем элементам поверхности образует такую сумму: , а теперь предел  обозначается так: .

Ну, это стандартный опять приём: интеграл есть предел суммы по определению, предел этой суммы называется поток вектора  через поверхность S.

Так, если дует ветер, в каждой точке некоторой поверхности определён вектор скорости, тогда поток вектора скорости по этой поверхности - будет объём воздуха, проходящего через поверхность за единицу времени. Если векторное поле  не поле скоростей, а нечто другое, то ничего там не течёт. Это есть некий термин, и не надо понимать его буквально.

Если поверхность замкнута, то разобьём её на маленькие элементы. Но берётся ограничение: вектор нормали выбирается наружу (выбор нормали влияет на знак). Если поверхность замкнута, то нормаль берётся наружу, а соответствующий интеграл снабжается кружочком. Это, что касается термина поток.                 

Если  - поле скоростей, то скалярное произведение  отрицательно (см. рис.2.2 цифра 1), это газ или воздух, втекающий в поверхность. А берём площадку 2, здесь поток положительный, это воздух, вытекающий из поверхности. Если мы вычислим такую штуку  для потока скорости ветра через замкнутую поверхность, (это будет разность воздуха втекающего и вытекающего) и, если течение стационарное, то есть скорость со временем не меняется, то такой интеграл будет равен нулю, хотя и не всегда.

Если взять , то такая штука  означает, что масса втекающего воздуха равна массе вытекающего.

Циркуляция потока.

Линии, вдоль которых направлено поле, называются силовыми линиями, а для любого векторного поля они носят название интегральных кривых. Рассмотрим некоторую кривую . Последовательно разбиваем кривую на элементы, вот один элемент, я выделяю его, маленький вектор . В пределах этого элемента определяем значение вектора , берём скалярное произведение , получаем число и суммируем по всем элементам[1]. В пределе получаем некоторое число: , которое обозначаем .

Берём замкнутую кривую  (интеграл тогда будет снабжён кружочком), задаём произвольно направление,  - это некоторое число, зависящее от вектора  и , называется циркуляцией вектора  по замкнутому контуру.

Если дует ветер, то циркуляция по замкнутому контуру, не всегда правда, равна нулю. А если возьмём вихрь, то циркуляция заведомо не равна нулю.

Статическое электромагнитное поле (электростатика)

В прошлый раз я нарисовал четыре уравнения. Начнём их жевать потихоньку. И сделаем упрощения. Прежде всего, положим .  от чего? От всего, то есть  ничего со временем не меняется.

Особенность физики в чём состоит? Не в предмете! Все науки имеют свой предмет рассмотрения, биология - наука изучающая жизнь на Земле и т.д. Физика отличается взглядом на мир. С точки зрения электричества он характеризуется двумя векторными полями, кстати, если задать эти штуки, например, дать описание зарядов в этой аудитории, то мы сможем восстановить всю ту картинку, которую вы сейчас наблюдаете.

Итак, .  И второе .

В каждой точке пространства ничего не меняется, и все заряды неподвижны, то есть все заряды прибиты просто гвоздями. Тогда уравнения принимают вид:

Вот при такой подстановке  и  наши четыре фундаментальные уравнения принимают такой вид.

Третье уравнение означает, что поток вектора  через любую замкнутую поверхность равен нулю, четвёртое - циркуляция вектора  по любому замкнутому контуру равна нолю. Из этих двух уравнений следует, что . Это не очевидно, но мы ещё до этого доберёмся. Магнитное поле отсутствует. В статическом электромагнитном поле отсутствует магнитное поле, а электрическое описывается двумя уравнениями. В этих уравнениях сидят все свойства электростатического поля, то есть ничего больше не надо. И мы эти свойства сейчас извлечём.

Общие свойства электростатического поля

Прежде всего, что означают эти уравнения? Первое уравнение утверждает, что, если мы возьмём некоторую замкнутую поверхность S, V - объём этой поверхности, разбиваем поверхность на элементы, определяем в пределах каждого элемента напряжённость поля и вычисляем такую вещь , суммируем, никто нам не запрещает это сделать, это математическая вещь, физика сидит в равенстве:

  (поток вектора напряжённости через замкнутую поверхность) =

Таким образом, поток вектора  через любую замкнутую поверхность равен заряду внутри этой поверхности.

            Например, стены, пол, потолок - это замкнутая поверхность. Можем сосчитать поток через эту замкнутую поверхность и получим число, и, если это число отлично от нуля, то это означает, что здесь находится заряд. Электромагнитное взаимодействие очень сильное, и в силу этого мы имеем нейтральное вещество. Ноль получим. Это не означает, что здесь нет электрических полей, но заряда нет.

            Берём замкнутый контур, вычисляем циркуляцию. Второе уравнение утверждает, что, какой бы контур мы не взяли, циркуляция равна нулю. Отсюда следует, что силовые линии электромагнитного поля не могут быть замкнутыми. Мы могли бы взять контур, совпадающий с этой линией, скалярное произведение не меняет знак, следовательно, интеграл не равен нулю. Силовые линии не могут быть замкнуты, но тогда что с ними?

Имеется некоторая область, из которой силовые линии выходят, тогда берём замкнутую поверхность S и по этой замкнутой поверхности . Это означает, что q>0.

Если наоборот, силовые линии входят в область, эту область окружаем поверхностью, тогда интеграл отрицательный. Нормаль направлена наружу, в первом случае произведение  положительно, а здесь отрицательно.

Можно сказать, что силовые линии электростатического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных или уходят в бесконечность, но не может быть так, чтобы линия замкнулась на себя. Для магнитного поля, мы увидим дальше, что силовые линии всегда замкнуты, в отличие от электростатических, которые никогда не замкнуты.

Потенциал

Вот такое математическое утверждение: .

Вы, вот, словами должны читать сами формулы. Кстати, физику можно излагать без слов, так же, как математику. Из того, что циркуляция для любого контура равна нулю, следует, что векторное поле  может быть выражено через некоторую функцию от , называемую градиентом скалярного  поля : . Любому скалярному полю j можно поставить в соответствие векторное поле  вот по такому рецепту. Это векторное поле называется градиентом скалярного поля j.

Смысл векторного поля.  - это вектор, направление вектора  это направление, в котором функция j меняется наиболее быстро. Направление вектора  это направление быстрейшего изменения функции j, а величина вектора характеризует скорость изменения функции j в этом направлении. Ну, скорость по отношению к пространственному перемещению.

Температура, заведомо скалярная величина. В данной точке сунули термометр, он что-то показал, сунули в другую, он покажет другую температуру. А теперь, градиент от этого скалярного поля. Температура в данной точке такая, сместились в эту сторону на метр - другая температура, и так во все стороны, где температура выше, туда будет направлен её градиент , а величина этого вектора .

Другой пример - плотность. Имеем стационарную атмосферу. Направление градиента плотности воздуха будет по вертикали и именно сверху вниз (вниз плотность будет возрастать).

Вот смысл градиента.

Это следствие  чисто математическое, это можно доказать. Что физически означает уравнение ?    Какую физическую интерпретацию можем ему дать?

Рассмотрим некоторую кривую с направлением. Вот имеем электрическое поле:

Возьмём точечный заряд q и будем перемещать заряд по заданной кривой из точки (1) в точку (2). Поскольку на заряд действует сила со стороны электрического поля, работа электрического поля при перемещении заряда вдоль кривой  равна: . Работа, которая совершается электрическим полем при перемещении заряда, если я взял и принёс заряд из точки (1) в точку (2), а потом принёс его обратно (контур замкнулся!). То тогда следует, что .

Работа по перемещению заряда по замкнутому контуру равна нулю.

Это означает другое: что работа по перемещению заряда из точки (1) в точку (2) не зависит от пути перемещения.

Это, может быть, не очень очевидно. Вот я перешёл по некоторому пути из (1) в (2), поле совершило некоторую работу, кстати, эта работа положительна. Положу рельсы из точки (1) в точку (2). Поставлю на них вагончик от игрушечной железной дороги, помещу в вагончик заряд, и этот вагончик поедет, (избыток кинетической энергии перейдёт во внутреннюю). В точке (2) перевожу стрелки и пускаю вагончик по другому пути. Так вагончик будет ездить, к нему можно приделать вертушку... но известно, что циркуляция  ноль, и построить вечного двигателя нельзя.

А теперь мы имеем такой математический результат: . Электростатическое поле – это градиентное поле. Эта скалярная функция , градиентом которой является напряжённость электрического поля, называется потенциалом электрического поля.

            Не всякое векторное поле можно получить как градиент потенциала. Электростатическое поле представляется одной скалярной функцией координат, а не тремя, как можно было бы думать по его векторному характеру. Задать одну функцию координат – и получим картину электрического поля.

Какой физический смысл этого скалярного поля?

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6