ELEKTOMAGNETYZM

Elektrostatyka

4 typy oddziaływań fundamentalnych:

Oddziaływanie Natężenie wzg.

Grawitacyjne 10

-39

Słabe

10

-5

Elektromagnetyczne

10

-3

Silne 1

- grawitacyjne – powszechne ciążenie (bardzo słabe)

- słabe – rozpady radioaktywne (krótki zasięg)

- elektromagnetyczne

– wiązania chemiczne, tarcie, zderzenia

(dominujące w przyrodzie)



najlepiej zrozumiałe i opisane

- silne

– wiązanie protonów i neutronów w jądrze atomowym

(bardzo k

rótki zasięg)

Prawa elektrodynamiki klasycznej



Franklin, Coulomb, Ampère, Faraday, Maxwell

Elektrodynamika -

unifikacja teorii fizycznych

:

•

Elektryczność

– szklane pręty, futro, baterie, prądy, elektroliza,

błyskawice

• Magnetyzm

– magnesy sztabkowe, żelazne rdzenie, igły

k

ompasów, biegun północny

• Pocieranie bursztynu powoduje, że kawałki materii przyciągają się do

niego bez widocznej przyczyny

• Błyski i trzaski przy ubieraniu ocieraniu ubrań wykonanych z tworzyw

sztucznych

• Indukcja – rozdział ładunków w metalu

Elektryzowanie
przedmiotów



Napięcie powstające

pomiędzy chmurami a ziemią
wynosi ok.

2 GV



Prąd przy wyładowaniu

20 kA



Energia wyładowania

5 MWh

Zjawiska w otaczającej przyrodzie -

wyładowania atmosferyczne

A.K. Wróblewski – Wykłady z historii fizyki, UW



Oersted

– 1820 – odchylenie igły kompasu pod wpływem

prądu elektrycznego



Ampère

– hipoteza: wszystkie zjawiska magnetyczne

spowodowane są ruchem ładunków elektrycznych



Faraday

– 1831 – okrycie: wytworzenie prądu elektrycznego przez

poruszający się magnez



Maxwell i Lorentz

– ostateczna postać teorii elektromagnetyzmu

– nierozerwalny związek elektryczności i magnetyzmu



Faraday, Maxwell

– elektromagnetyczny charakter światła -



włączenie optyki do elektromagnetyzmu



Hertz

– 1888 – doświadczalne potwierdzenie związku między

światłem i elektrycznością



ok. 1900

–

połączenie elektryczności, magnetyzmu i optyki w

zunifikowaną teorię

Historia rozwoju elektrodynamiki:

• Podstawowy problem teorii elektromagnetyzmu:

Oddziaływania między ładunkami znajdującymi się w
przestrzeni.

•

Rozwiązanie klasyczne –

teoria pola

Pole

sił

– przestrzeń, w której działają siły

Źródło pola elektrycznego -

ładunek elektryczny

ŁADUNEK ELEKTRYCZNY



Dwa rodzaje ładunku –

dodatni i ujemny

-

różnoimienne

- jednoimienne



Prawo zachowania ładunku

– globalnego

Ładunek we Wszechświecie jest stały

- lokalnego

W układzie izolowanym całkowity ładunek
elektryczne jest zachowany, tzn. suma ładunków
dodatnich i ujemnych jest stała.

Przykład: jonizacja atomu



równanie ciągłości



Kwantowanie ładunku –

Ładunek elektryczny występuje tylko w dyskretnych
porcjach

– całkowitych wielokrotnościach ładunku

elementarnego

q = ne,

gdzie

n =



1,



2...

ładunek elementarny

e = 1.602 x 10

-19

C

Ładunek protonu: +e

elektronu: -e

neutronu: 0

W układzie jednostek podstawowych SI: 1 C= 1A · 1s

Rozkład ładunku:

- dyskretny
- ci

ągły: liniowy, powierzchniowy, objętościowy

Charakterystyka oddziaływań między ładunkami punktowymi w próżni

Prawo Coulomba

ELEKTROSTATYKA

2

)

przenikalność elektryczna próżni

(

Siła odpychania i przyciągania między dwoma ciałami naelektry-
zowanymi ładunkami Q i q zmienia się w sposób proporcjonalny do
odwrotności kwadratu odległości r między środkami tych ciał oraz
proporcjonalnie do iloczynu obu ładunków

F

Q q

r



1

4

0

2

 

Waga skręceń Coulomba, 1785 r. Muzeum Techniki Paryż
1 – cylinder ze szkła, 2 – skala (360

0

), 3 – pokrywa szklana, 4 – tuleja

szklana, 5 - mosiężna tarcza, 6 – skala, 7 – drut srebrny, 8 - wskaźnik
pokazujący kąt na skali (6), 9 – pozioma belka z kulka,
10 – kulka ołowiana na pręcie.

A) kulki są ustawione tuż obok siebie;
B) kulka ołowiana jest wyjęta, elektryzowana i włożona do układu;
C) kulki odpychają się, następuje skręcenie belki i drutu o kąt



,

D) pokrętłem (5) doprowadza się do powrotu kulki do pozycji w

punkcie ‘A’;

E) odczytuje się kąt



na skali (6) jako miarę siły odpychania kulek.

1

2

3

1

5

6

8

4

7

9

10

Siły grawitacyjne i kulombowskie
- atom wodoru

oddziaływanie elektrostatyczne elektron – proton

Jak jest siła oddziaływania
między ładunkami q = 1 C
umieszczonych w odległości d =
1 km? Jakie masy będą
równoważyć taką siłę z tej samej
odległości?

G = 6.67

·10

-11

Nm

2

kg

-2

F

C

/ F

N

= 1/ (4





0

G)



e

2

/ m

p

m

e



2



10

39

!!!

?

?

Zasada superpozycji

Oddziaływanie między dwoma danymi ładunkami

jest niezależne od obecności innych ładunków

F

F

2

F

1

F

3

F = F

1

+F

2

+F

3

q

q

3

q

2

q

1

F

3

F

2

F

1

NATĘŻENIE POLA ELEKTRYCZNEGO

• Natężenie pola elektrycznego określa siłę

działającą na ładunek próbny podzieloną przez
ten ładunek

(analogia do pola grawitacyjnego)

Q>0

q>0

r

E

• Ładunki oddziałują pomiędzy sobą za pomocą pola.
• Linie sił pola – krzywe styczne do wektora siły

elektrostatycznej F działającej na ładunek próbny

q

o

oraz wektora natężenia

E

LINIE SIŁ POLA ELEKTROSTATYCZNEGO

q

0

F

q

Pole radialne

Pole jednorodne

Ładunki różnoimienne

Ładunki jednoimienne

Natężenie pola wypadkowego od ładunków punktowych –

zasada superpozycji

P

1

E



2

E



3

E



E



)

(

1

1

r

q



)

(

2

2

r

q



)

(

i

i

r

q



)

(

0

r

P









n

i

i

E

E

1





Suma wektorowa

natężeń pól wytworzonych

przez każdy z ładunków