3. Электричество и магнетизм.
Ну что же, начинается ещё одна достаточно сложная и в какой-то степени мутная часть физики. Мутная в первую очередь потому, что наглядно представить, как происходит хотя бы тот же электрический ток, уже сложно - не говоря уже о том, что он делает, и как его используют. Но благодаря тому же электричеству сейчас можно столько, что не разбираться, как работает самое-самое основное, уже как-то и стыдно. Начинают тут, как всегда, издалека и с самого-самого основного. С электростатики. Это раздел физики, изучающий электрические поля неподвижных зарядов (или заряженных тел). И сразу же влипаем в грязь. Какие такие электрические поля? Какие ещё заряды? Попробуем обо всём по порядку.
Что такое "поле" вообще, физика толком сказать не может. Это вторая форма материи (первая - вещество), а материя - это тупо всё, что нас окружает. Считается, что всё вокруг находится под воздействием так называемых полей взаимодействий, которые ничем не ощущаются, но могут передавать энергию или действовать с какой-то силой на что-нибудь. Одно из таких полей уже было в механике - это гравитационное поле, которое притягивает нас к планете. Второй вид поля, похожий по действию, но отличающийся по своей природе (по своему происхождению) - его назвали электромагнитным полем. А величину, характеризующую способность тела участвовать в таком взаимодействии, назвали электрическим зарядом. "Электричество" потому, что образовано от слова "янтарь" - первый материал, у которого нашли такие свойства: если янтарь потереть о шерсть, то последний начнёт непонятно почему притягивать мелкие лёгкие предметы. И понеслось... После всё это хозяйство, конечно же, стало обрастать математикой.
Первое же, что сделали, - ввели значение заряда и его знак. Заряд измеряется в кулонах (Кл), знак его обозначается чисто условно - всё та же договорённость. Он может быть положительным, отрицательным или нулём (тело не заряжено). Заряды одинакового знака отталкиваются друг от друга, а разных знаков - притягиваются друг к другу. Ещё предположили (а после доказали), что электрический заряд всегда должен быть представлен как сумма неких элементарных электрических зарядиков. Носителя такого элементарного заряда назвали электроном и приняли, что значение его заряда равно -1.6*10^-19 Кл. Именно с "минусом" - как здесь любят выражаться, так исторически сложилось. А элементарный заряд при этом с "плюсом"! Уже голова начинает кружиться, какой знак когда брать. Пока что электроны трогать не будем - примем за данность, что они есть и являют собой самый маленький заряд, который может быть в принципе. И пока забудем о них. У заряда тоже есть закон сохранения, как и у энергии: суммарный электрический заряд замкнутой системы постоянен. К слову, заряд - не вектор, его складывать черчением не надо - просто складываем всё, как в обычной алгебре, с учётом знаков. И, наконец, последнее допущение, которое почти повторяет ту же механику. Точечный заряд. Это просто материальная точка (та же, что была в механике), обладающая электрическим зарядом.
Ну и зачем весь этот ворох допущений, предположений и тому подобных непонятных вещей? Потому что только при их помощи смогли худо-бедно объяснить, почему происходит электромагнитное взаимодействие. Когда трёшь янтарь о шерсть, каким-то непонятным образом нарушается однородность их зарядов, часть маленьких зарядиков перебегает с шерсти на янтарь, первая становится заряженной положительно, а второй - отрицательно. Более жизненный пример - если причесаться обычной расчёской, то сразу после причёсывания к ней будут прилипать, например, маленькие кусочки бумаги - несмотря на то, что бумага электронейтральна (у неё заряд - 0), по сравнению с отрицательным зарядом расчёски она "кажется" другого знака, поэтому и притягивается. По той же причине после того же причёсывания или трения об одежду при переодевании может легонько "ударить током" при прикосновении к металлической вешалке - лишний заряд, скопившийся на тебе, стремится покинуть тебя и вернуть общую электронейтральность - всё тот же вездесущий принцип "природа стремится к равновесию".
А математика здесь завязана такая, что аналогия с той же гравитацией в механике полная, что заставляет физиков-философов (есть и такие) раскрывать рот и махать руками на тему, какие все фундаментальные (основные) взаимодействия похожие друг на друга, это же так круто! Вывел его товарищ Кулон тоже чисто экспериментальным путём. Остаётся только надеяться, что он не сговорился с Ньютоном. Выглядит он так: F = k*q1*q2/(r^2). F - сила взаимодействия (притяжения или отталкивания) между электрическими зарядами. k - экспериментальный коэффициент, равен 9*10^9 Н*м^2/(Кл^2). (По-хорошему, вместо k здесь надо писать 1/(4пи*эпсилон0), последняя непонятая буква там - электрическая постоянная, равная 8.85*10^-12 Ф/м - о ней речь пойдёт попозже, - но k запомнить проще, да и эта заумная дробь как раз будет равна k.) Q1 и q2 - электрические заряды, которые имеют наши точечные заряды, r - расстояние между ними. Почти тот же закон всемирного тяготения, только цифири другие (k вместо G), и вместо масс - заряды. Легко увидеть, что если сила отрицательна - это значит, что заряды притягиваются (плюс на минус даёт минус), а если положительная - то отталкиваются (минус на минус даёт плюс, плюс на плюс - естественно, тоже).
Вкратце и поумнее: электростатика - раздел физики, изучающий электрические поля неподвижных зарядов. Электрическое поле - форма материи, порождается электрическими зарядами. Электрический заряд - величина, характеризующая способность тела участвовать в электромагнитном взаимодействии. Единица измерения - кулон (Кл), может иметь знак "+", "-" или не иметь его вообще (0). Любой электрический заряд является суммой элементарных электрических зарядов, последний равен 1.6*10^-19 Кл. Носитель элементарного заряда - электрон, он заряжен отрицательно. Закон сохранения заряда: суммарный заряд замкнутой системы постоянен (сумма зарядов определяется алгебраически, не векторно, так как заряд - скалярная величина). Точечный заряд - заряженное тело, размерами которого можно пренебречь в условиях данной задачи, то есть материальная точка, обладающая электрическим зарядом. Закон Кулона для взаимодействия точечных электрических зарядов: F = k*q1*q2/(r^2), где F - сила взаимодействия между зарядами (положительная - отталкивания, отрицательная - притяжения), k - экспериментальный коэффициент, равен 1/(4пи*эпсилон0) = 9*10^9 Н*м^2/(Кл^2), где эпсилон0 = 8.85*10^-12 Ф/м - электрическая постоянная, q1 и q2 - значения электрических зарядов, которые имеют наши точечные заряды, r - расстояние между ними.
Теперь начинается то, что вне физики любят окрещивать "терминами лженауки". С зарядами вроде худо-бедно разобрались, осталось электрическое поле. Никто его никогда не видел, не слышал и не ощущал, но при этом утверждают, что оно есть. Просто потому, что два зарядика просто так ни с того ни с сего не станут применять силу друг против друга (или друг за друга), это надо как-то объяснить! Вот и приехали, да к такому объяснению, что оно даже выглядит правдоподобным. Ну вот, например, самое простое. Два одинаковых зарядика отталкиваются друг от друга просто потому, что на каждого из них действует электрическое поле, создаваемое другим - именно оно и даёт эту неведомую силу. Открестились, однако, одним неизвестным от второго! Если о силе нам уже что-то известно из механики, то тут тёмный лес. Да он ещё и сгущается: а если поле действует не на один зарядик, а на несколько? А если на целое здоровенное туловище, которое не посчитаешь? Чтобы убрать привязку к точечному зарядику и сделать эту неведомую силу более-менее универсальной для счётов, придумали обозвать её "напряжённость электрического поля". Это сила, которая действует на заряд в 1 Кл, находящийся в этом считаемом поле. (К слову, 1 Кл - это очень большой заряд; как можно заметить, единички в таких определениях означают то, на что мы умножаем или делим.) То есть E = F/q (E - напряжённость, F - сила, q - величина точечного заряда, на который действуют.) Как можно увидеть, мериться она должна в Н/Кл, но обычно используют такую же размерность, обозванную В/м. (Да, В - это вольт. Пошли знакомые слова? То ли ещё будет.) Поскольку сила - это вектор, а заряд - скаляр (число), то напряжённость получается тоже вектором. И вот тут-то математика и начинает радостно потирать ручонками и облизываться. Потому что напряжённость и траектории тех зарядиков, которые она мутузит, расположены друг относительно друга так же, как скорость и траектория при движении по окружности - по касательной друг к другу. Не знаю, специально это так выдумали, или совпало, но факт остаётся фактом: силовые линии электрического поля (то направление, куда поле заставляет "ехать" заряд) направлены так, что касательные к ним совпадают по направлению с вектором напряжённости этого же поля в той точке, в которой касаются. Да, звучит очень заумно. Глазами это можно представить так: вокруг положительного зарядика можно описать большое количество полуокружностей, причём каждая из них "держится" за зарядик только самым краешком - например, верхним или нижним. А дальше эта полуокружность уходит в бесконечность, так и не выросши до окружности. Если зарядик отрицательный - то он, наоборот, собирает на себе все "пришедшие" чёрт-те откуда такие же линии. Опять-таки, это всё договорённость - линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Причём всегда их много-много, но так, что они не пересекаются! И чем больше напряжённость, тем ближе эти линии расположены друг к другу, тем поле сильнее. Аура? Биополе? Ну да, это что-то в том же духе, только их не любят описывать математикой - а то якобы никто не поймёт. Без математики, впрочем, их тоже не понимают (только это уже в основном технари, привыкшие всё считать).
