Макро и микрополя в веществе
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ Глава 2. Электростатика в веществе. Введение. Уже первые эксперименты в области электричества установили, что вещества различаются по своей способности сохранять «нечто электрическое». Некоторые вещества можно легко наэлектризовать трением и удерживать их в таком состоянии, другие же не могут быть наэлектризованы таким образом, поскольку они не сохраняют электрическое «нечто». На этом основании экспериментаторы начала XVIII века стали разделять вещества на электрики и неэлектрики. Примерно в 1730 г. англичанин Стефан Грэй произвел опыты, в которых с помощью хоть и довольно плохо, но проводящей веревки сумел передать «электрическое нечто» от одного тела к другому на расстояние в несколько сотен метров. Обнаружив различие между проводимостью и непроводимостью, исследователи заметили, что даже неэлектрик можно сильно наэлектризовать, расположив на стекле или подвесив на шелковых нитях. Наиболее эффектным опытом, демонстрировавшимся на одной из популярных в середине XVIII века выставок по электричеству, была электризация мальчика, подвешенного на шелковых нитях: его волосы вставали дыбом, а с кончика носа можно было снимать искры. После работ Грэя и его современников электрики и неэлектрики стали называть, соответственно, электрическими изоляторами и электрическими проводниками. Это различие в свойствах вещества до сих пор является одним их наиболее поразительных контрастов природы.
Макро и микрополя в веществе.
Как сегодня хорошо известно, вещество состоит из молекул и атомов. Размеры ядер и электронов малы по сравнению с размерами атомов – атомное ядро примерно в 105 раз меньше размеров атома. Поэтому на долю заряженных частиц приходится очень маленький объем, составляющий примерно от занимаемого телом пространства. Весь остальной объем – это вакуум. Находящиеся в непрерывном движении электроны и ядра, в состав которых входят положительно заряженные протоны, возбуждают в нем электрические и магнитные поля. Электрическое поле в этом “пустом пространстве”, т.е. в разных точках атомов и в промежутках между ними, меняется очень сложным образом как в пространстве, и во времени. Это электрическое поле называют микрополем микро. Распределение электронов и протонов, являющихся источником этого поля, образуют, так называемую, микроплотность зарядов микро. микро и микро нельзя измерить путем внесения пробного заряда, т.к. даже наименьший заряд - заряд электрона - при его помещении в интересующую точку существенно исказит как микрополе, так и микроскопическое распределение заряда. Задание микро и микро во всех точках пространства и времени дает наиболее детальное описание поля, однако оно практически неосуществимо при описании макропроцессов в веществе. Да и сам результат получился бы настолько сложным, что его просто нельзя было бы использовать. Однако для решения макроскопических задач знание такого поля совершенно не требуется. Для многих целей достаточно более простого и грубого описания, отвлеченного от атомистического строения вещества и мелкомасштабных изменений поля. Лоренц показал как, исходя из представлений о микрополях, можно прийти к уравнениям для описания макросостояний в телах. Переход к макрополям и макроплотностям происходит путем усреднения микрополей по пространству и времени (заметим, что после пространственного усреднения временное усреднение уже не требуется). Рассмотрим физически малый объем , тогда (1.1) (1.2) Чтобы результат усреднения не зависел от выбранного объема , необходимо выполнение следующих условий: 1) внутри объема должно содержаться большое число атомов и 2) объем должен быть настолько малым, чтобы можно было положить (быть бесконечно малым в сравнении с макровеличинами), т.е. его линейные размеры должны быть во много раз меньше, чем те расстояния, на которых макрополе меняется заметно. Усреднение по таким объемам сглаживает все нерегулярные и быстро меняющиеся вариации микрополя на расстояниях порядка атомных, но сохраняет плавные изменения макрополя на микроскопических расстояниях. Переход от уравнений микроскопического поля к уравнениям макрополя, записанным в дифференциальной форме, определяется следующими соотношениями для производных: , (1.3) Выражения (1.3) утверждают, что усреднение и дифференцирование по координате и времени можно поменять местами. Положим, что для микрополей справедлива теорема Гаусса (экспериментально выполнение закона Кулона проверено до расстояний 10-15 см): (1.4) Усредняя по пространству или по времени, имеем (1.5) Таким образом, получаем уравнение Максвелла для электрического поля в среде: (1.6) В дальнейшем мы будем иметь дело со сглаженными усредненными полями, для которых будут выполняться основные уравнения электромагнетизма в веществе. Опыт показывает, что при внесении во внешнее электрическое поле в веществе происходит смещение положительных и отрицательных зарядов (ядер и электронов) В различных областях вещества появляются нескомпенсированные заряды различного знака (наблюдается частичное разделение зарядов). Рассматриваемое явление называют электростатической индукцией, а появившиеся в результате разделения заряды – индуцированными зарядами. Индуцированные заряды создают дополнительное электрическое поле. Поэтому макрополе в веществе образуется в результате суперпозиции внешнего и внутреннего полей . (1.7)
Известно, что вещества в соответствии с их свойствами (откликом на приложенное электрическое поле) можно условно разделить на диэлектрики (изоляторы), полупроводники, проводники, сверхпроводники или демонстрирующие некоторые промежуточные свойства. Хороший проводник и хороший изолятор по своим электрическим свойствам различаются так же сильно, как жидкость и твердое тело по механическим свойствам. По-видимому, эта аналогия не совсем случайна. Дело в том, что как электрические, так и механические свойства тела зависят от подвижности атомных частиц. Электрическая проводимость веществ определяется подвижностью носителей заряда, а механические свойства тех или иных материалов зависят от подвижности образующих их атомов и молекул. Некоторые вещества, например стекло, при изменении температуры на несколько сотен градусов постепенно и непрерывно меняет свои свойства, переходя из жидкого состояния, характеризуемого высокой подвижностью молекул, в очень устойчивое и жесткое состояние, свойственное твердому телу (хотя, являясь аморфным веществом, формально сохраняет признаки переохлажденной жидкости). В принципе, вполне возможно превратить то же стекло из изолятора в проводник при нагревании, любой газ можно ионизовать рентгеновскими лучами. Однако в качестве электрического аналога аморфных веществ следует рассматривать класс материалов, называемых полупроводниками. Их электрическая проводимость меняется в зависимости от температуры в очень широком диапазоне – от «хороших» проводников до «хороших» изоляторов.
Популярное: Как построить свою речь (словесное оформление):
При подготовке публичного выступления перед оратором возникает вопрос, как лучше словесно оформить свою... Как выбрать специалиста по управлению гостиницей: Понятно, что управление гостиницей невозможно без специальных знаний. Соответственно, важна квалификация... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (1655)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |