Електродинаміка

Введення в електродинаміку

В загальних рисах, світ влаштований достатньо просто. Він складається з протонів, нейтронів та електронів, між якими діють сили гравітаційних, електромагнітних та ядерних взаємодій. При цьому, кожна різновидність взаємодій має свою сферу переважного застосування. Наприклад, якщо мова йде про тіла космічних масштабів, як то планети, зірки, галактики, тощо, то для них, головною дійовою особою є гравітація. Саме сили гравітаційної взаємодії об’єднують окремі планети та зірки у відповідні планетарні системи, окремі зірки у відповідні галактики, галактики – у Всесвіт. Саме ці сили запалюють в надрах зірок надпотужні термоядерні топки, енергія яких зігріває та наповнює життям неосяжні простори космосу. Саме гравітаційні сили, стискають надра зірок до таких густин, порівняно з якими густина сталі є надглибоким вакуумом. 

Однак, якщо мова йде про тіла земних масштабів як то олівці, камінці, автомобілі, будинки, живі істоти, тощо, то для них гравітаційні взаємодії не мають суттєвого значення. Звичайно, якщо не враховувати факту того, що всі подібні тіла суттєво притягуються до Землі. В житті тих тіл що нас оточують, як власне і в житті нас самих, визначальну роль відіграють так звані сили електромагнітної взаємодії. Саме ці сили об’єднують атомні ядра та електрони в атоми, атоми – в молекули, молекули – в клітини, клітини – в організми. Саме сили електромагнітної взаємодії із атомів, молекул та іонів, утворюють тверді та рідкі тіла і надають цим тілам певних механічних, хімічних, електричних, магнітних, оптичних, теплових та інших властивостей. 

Прояви електромагнітних сил такі багатогранні, що ми схильні називати їх по різному. Наприклад силами ковалентного, іонного, водневого, молекулярного та металічного зв’язків. Силами тертя, силами пружності, силами поверхневого натягу, силами Архімеда, Кулона, Ампера, Лоренца, Ван дер Ваальса, тощо. Але по суті, ці та їм подібні сили є різновидностями однієї і тієї ж фундаментальної сили – сили електромагнітної взаємодії. Вивченню властивостей цієї сили та тих явищ до яких вона має відношення і присвячено даний розділ фізики. Розділ, який називається електродинамікою. 

В науковій практиці термін “електродинаміка” має два значення. Електродинаміка, це наукова теорія, яка пояснює все різноманіття електричних, магнітних та електромагнітних явищ і яку часто називають теорією Максвела або теорією електромагнітного поля. Електродинаміка, це розділ фізики (наука) в якому, на основі тієї теорії яка називається електродинамікою, пояснюється все різноманіття електричних, магнітних та електромагнітних явищ. Власне в останньому значенні ми і будемо застосовувати термін електродинаміка в подальшому. 

Вивчення електродинаміки було б доречним розпочати з формулювання тих базових тверджень, які лежать в основі цієї науки і виходячи з яких пояснюється все різноманіття електричних, магнітних та електромагнітних явищ. Ця доречність є обгрунтованою бодай тому, що вивчення молекулярної фізики і термодинаміки ми починали саме з того, що формулювали базові твердження відповідних наук і на основі цих тверджень пояснювали все різноманіття тих явищ які є предметом їх вивчення. При цьому ми неминуче переконувались в тому, що подібний підхід до вирішення наукових проблем є надзвичайно ефективним. 

Однак електродинаміка – наука особлива. Особлива в тому сенсі, що її базові закони не можливо сформулювати у вигляді простих тверджень, на кшталт: “ всі речовини складаються з молекул, які рухаються і взаємодіють між собою”, або “при будь яких процесах що відбуваються в замкнутій системі, загальна кількість енергії цієї системи залишається незмінною”. Базові твердження електродинаміки набагато складніші за відповідні твердження механіки, молекулярної фізики та термодинаміки. Навіть гранично спрощені формулювання цих базових тверджень, передбачають певний рівень тих знань, які базуються на експериментальному та теоретичному  дослідженні багатьох електромагнітних явищ. Крім цього, кількісні формулювання базових тверджень електродинаміки (ці твердження називаються рівняннями Максвела), передбачають наявність глибоких знань в області вищої математики. А ці знання такі, що виходять не лише за межі програми загальноосвітньої школи, а й за межі програм більшості вищих навчальних закладів. 

Зважаючи на вище сказане, вивчення електродинаміки ми почнемо не з формулювання її базових тверджень, а з дослідження та пояснення тих явищ, які є предметом вивчення цієї науки. Якщо ж говорити про базові твердження електродинаміки (рівняння Максвела), то їх формулювання стане певним підсумком, певним узагальненням тих знань які ви отримаєте в процесі вивчення великої кількості електричних, магнітних та електромагнітних явищ. 

Вивчаючи механіка, молекулярну фізику та термодинаміку, ми або взагалі не цікавились внутрішнім устроєм речовини, або обмежувались констатацією факту того, що всі речовини складаються з надзвичайно дрібненьких частинок, які називаються молекулами (молекулами, атомами, іонами). При цьому внутрішній устрій цих частинок нас не цікавив. Не цікавив тому, що для пояснення тих явищ, які є предметом вивчення механіки, молекулярної фізики та термодинаміки, зовсім не обов’язково знати про внутрішню будову атомів та молекул. 

Інша справа, електродинаміка. Різноманіття тих явищ що є предметом вивчення електродинаміки, не можливо пояснити без розумінні того, яку будову має речовина та ті частинки з яких вона складається. А ця будова є наступною:

1. Речовини складаються з молекул. 

2. Молекули складаються з атомів. 

3. Атоми складаються з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронів, які обертаються навколо ядра. 

4. Атом – частинка незаряджена (електронейтральна), тобто така в якій загальна кількість позитивних зарядів, в точності дорівнює загальній кількості зарядів негативних: ∑(+) = ∑(-). 

5. Складові заряджені частинки атома (протони та електрони), є носіями елементарного, тобто найменшого, неподільного електричного заряду, величина якого 1,6·10-19 кулон: q(p) = +1,6·10-19Кл; q(e) = -1,6·10-19Кл.

Вище сформульовані твердження прийнято називати основними положеннями електронної теорії будови речовини. В електродинаміці основні положення електронної теорії будови речовини по суті відіграють таку ж важливу роль як і основні положення МКТ в молекулярній фізиці. 

Потрібно зауважити, що протони (р) і електрони (е), це частинки абсолютно різні. Достатньо сказати, що маса протона в 1836 разів більша за масу електрона. Однак електричні заряди цих абсолютно різних частинок є однаковими і чисельно рівними   1,6·10-19Кл. Різниця лише в тому, що заряд протона є позитивним (+), а заряд електрона – негативний (−).

Крім цього, доречно додати, що до складу атомів окрім протонів та електронів входять ще й нейтрони – частинки дуже схожі на протони, але незаряджені (електронейтральні). При цьому, протони та нейтрони в своїй сукупності утворюють атомні ядра.

Таким чином, не заглиблюючись в деталі внутрішнього устрою атома, про цей устрій можна сказати наступне. Атом представляє собою цілісну систему, яка складається з масивного позитивно зарядженого ядра та певної кількості надлегких, негативно заряджених електронів. При цьому, заряд ядра і кількість тих електронів які обертаються навколо нього, визначається порядковим номером відповідного атома. 

Коли ми стверджуємо, що атом частинка електронейтральна, то це означає лише те, що в цій частинці кількість позитивних і негативних зарядів вточності однакова. Однак це зовсім не означає що за певних умов електронейтральність атома не може бути порушеною. І не важко збагнути, що цією умовою є втрата атомом одного або декількох своїх електронів, або навпаки – приєднання до себе певної кількості надлишкових електронів. При цьому, той атом який втрачає електрони, перетворюються на відповідний позитивний іон. А той атом, який приєднує надлишкові електрони, стає відповідним негативним іоном. Наприклад при зустрічі атомів натрію (Na) та хлору (Cl, хлор забирає у натрію валентний електрон і перетворюється на негативний іон хлору (Cl−). При цьому атом натрію стає позитивним іоном натрію (Na+).

Сьогодні ми не будемо наводити докази того, що атоми влаштовані саме  так. Ці докази будуть наведені в розділі “Фізика атома та атомного ядра”. Сьогодні ми просто констатуємо той факт, що атоми дійсно складаються з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронів, що в нормальному стані, атоми є незарядженими, і що складові заряджені частинки атома (протони та електрони) є носіями елементарного електричного заряду, величина якого  1,6·10-19Кл. При цьому зауважимо, що дані уявлення про будову атома є гранично спрощеними. Однак такими, що дозволяють зрозуміти суть електричних, магнітних та електромагнітних явищ.

На завершення додамо, що електродинаміка, це ключовий розділ фізики, який тісно пов’язаний з іншими її розділами, зокрема механікою, молекулярною фізикою, термодинамікою, оптикою, теорією відносності, фізикою атома та атомного ядра, космологією.