Электрические заряды. Электрические токи

Электромагнитное поле это совокупность неразрывно связанных друг с другом изменяющихся электрического и магнитного полей
В разных случаях электромагнитное поле проявляет себя по-разному:
Если оно воздействует на неподвижные электрические заряды, то проявляется - электрическое поле.
Если электромагнитное поле воздействует на движущиеся заряды, то проявляются - и электрическое, и магнитное поля.

Если электромагнитное поле создано движущимися зарядами, то неподвижный наблюдатель обнаружит и электрическое, и магнитное поля, а наблюдатель, движущийся с зарядами, обнаружит только электрическое поле.

Электрические заряды
это свойство тел, позволяющее им взаимодействовать с электромагнитными полями: создавать эти поля, будучи их источниками, и подвергаться (силовому) действию этих полей.
Отрицательными
Наименьшим элементарным электрическим зарядом является электрон. Его заряд отрицателен и имеет величину q = -1,6⋅10-19 Кл
Положительными
протоны и позитроны
1. Электрические заряды
Единица измерения –Кулон (Кл)
Обозначается Q
В макроскопической теории электро­магнитного поля не рассматриваются отдельные электроны, а изуча­ется их совокупность как непрерывное распределение заряженных частиц.

Электрически заряженным телом или объемом V называется тело или объем, обладающий избытком отрицательных или положительных частиц.
Реальные электрические заряды ΔQ всегда занимают некоторый объем ΔV , поэтому, строго говоря, заряды имеют объемное распределение.
Однако практически мы часто встречаемся с распределением зарядов в очень тонком слое, например,
на поверхности проводника ΔS ;
с зарядами, распределенными вдоль тонкой нити или линии Δl;
зарядами, сосредоточенными в очень малом объеме.

Виды распределения зарядов:
При объемном распределении зарядов считают, что заряды распределены в некотором объеме V.
Примером объемного распределения зарядов может служить пучок электронов в электронно-лучевой трубке, пространственный заряд в вакуумной лампе, ионосфера.
В случае поверхностного распределения зарядов идеализированно считают, что заряды сосредоточены в бесконечно тонком слое на поверхности S.
Примером такого распределения может служить распределение зарядов на поверхности проводника.
При линейном распределении зарядов считают, что заряды распределены вдоль бесконечно тонкой нити.
Примером такого распределе­ния является тонкая заряженная нить.

2. Электрические токи
Электрическим током называются любые движущиеся заряды. В теории электрических цепей в качестве количественной характеристики электрического тока обычно используется понятие силы тока.
Сила тока – это количество электричества, протекающего через поперечное сечение проводника за единицу времени:
Если ток меняется во времени, то в этом случае сила тока - это предел отношения количества электричества ΔQ , протекшего через поперечное сечение проводника за промежуток времени Δt , к этому промежутку при стремлении его к нулю:

Когда токи текут не по тонким проводам, приведенное определение силы тока становится недостаточным и используют понятия
элемента электрического тока и плотности тока.
Векторы элементов тока позволяют охарактеризовать поле токов и по величине, и по направлению в каждой отдельной точке.

Для характеристики распределения тока по объему и поверхности вводятся понятия объемной и поверхностной плотности тока Линейный ток характеризуется линейной плотностью тока .

3. Собственные векторы электрического поля и электромагнитные параметры среды.
Электрическое поле представляет собой особый вид материи, отличный от вещества и проявляющийся в виде механической силы, с которой поле действует на внесенный в него неподвижный электрический заряд.
Количественная характеристика электрического поля определяется законом Кулона (закон устанавливает силу взаимодействия между точечными зарядами, находящимися в однородной среде).

Силовая характеристика электрического поля напряженность называют векторную физическую величину, равную силе, с которой действует это поле на единичный положительный точечный заряд.

Для графического изображения поля используют силовые линии, касательные в каждой точке к вектору.
Густота силовых линий пропорциональна величине напряженности поля. Силовые линии электрического поля начинаются на заряде, который является источником силовых линий. Эти линии претерпевают разрыв в тех точках, где есть заряды. Линии расходятся от положительного заряда (исток) и сходятся к отрицательному (сток).

Магнитное поле - представляет собой особый вид материи, отличный от вещества и проявляющийся в виде механической силы, с которой поле действует на внесённый в него электрический ток или постоянный магнит.
Количественная характеристика магнитного поля описывается законом Ампера. Этот закон определяет силу взаимодействия между элементами тока, находящимися в однородной среде,

Выделим из закона Ампера множитель, определяющий поле, созда­ваемое первым элементом тока, и зависящий от величины элемента тока, расстояния и среды:
Полученное выражение носит название формулы Био-Савара

Для определения полей, созданных системой произвольно рас­пределенных зарядов или токов, используется
принцип наложения (суперпозиции).
Согласно этому принципу поле системы элементарных зарядов или токов равно векторной сумме элементарных полей каждого зaрядa или тока:

Это безразмерный коэффициент, зависящий от среды и показывающий, во сколько раз сила взаимодействия между зарядами в данной среде меньше, чем в вакууме

Относительная магнитная проницаемость среды определяется выражением.
Это безразмерный коэффициент, зависящий от среды. Он показывает, во сколько раз сила взаимодействия между токами в данной среде больше, чем в вакууме.

В среде под действием внешнего поля возникают заряды или токи, соответствующие определенной ориентации частиц. Эти заряды или токи называются связанными, потому что они не могут быть отделены от среды. Под связанными понимаются электрические заряды, входящие в состав вещества и удерживающиеся в определенных положениях внутримолекулярными силами. Такие заряды «связаны» с веществом, неотделимы от него. Эти заряды или токи создают собственное поле, которое складывается с внешним полем. Поэтому суммарное поле в среде отли­чается от поля в вакууме.

Обычно вещество само по себе не создает наблюдаемого поля (одно из хорошо известных исключений – постоянные магниты). Это объясняется уравновешенностью внутренних процессов в веществе на макроскопическом уровне. В частности, нейтрализованы положительные и отрицательные заряды. Однако под действием внешнего (постороннего) поля на эти заряды взаимная компенсация их полей в той или иной степени нарушается. Можно утверждать, что во внешнем электрическом поле происходит некоторая деформация, а также переориентация атомов и молекул, заряды которых продолжают оставаться связанными в прежней структуре вещества. В результате отклонений зарядов, однако, появляется нескомпенсированное внутреннее поле, которое, налагаясь на внешнее, заметно изменяет его. Это называется поляризацией среды. Аналогичный процесс, связанный с магнитным полем, называется намагничиванием.

Силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды, называются сторонними силами. Эти силы могут быть самого разнообразного происхождения:
- механического (перенос заряда рукой);
- химического (в аккумуляторах и гальванических элементах);
- теплового (в термопарах);
- за счет ядерных сил (при радиоактивном распаде);
- электромагнитного;
- внешние электрические поля, не созданные данной системой зарядов.
Электрическое поле сторонних сил называют сторонним электри­ческим полем.
Напряженность поля сторонних сил определяется следующим соотношением, аналогичным соотношению
где – сторонняя сила; dq – элементарный заряд.

В тех точках среды, где имеются сторонние поля, напряженность суммарного поля определяется суммой поля распределенных зарядов и стороннего поля. В этом случае плотность тока определяется соотношением
Материальные уравнения необходимы для того чтобы при заданном распределении зарядов и токов уравнения допускали единственное решение для векторов поля, к этим уравнениям необходимо добавить соотношения, описывающие поведение веществ под влиянием поля.