Підручник з Природничих наук. 1 частина. 10 клас. Гільберг - Нова програма

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

АЖ ІСКРИ ВІД ВЗАЄМОДІЇ

Електромагнітна взаємодія — це не лише електрика й магнетизм, без яких неможливе життя сучасної цивілізації. Ця взаємодія була так само потрібна печерній людині, як і нам з вами. Електромагнітна взаємодія — найдослідженіша із чотирьох фундаментальних фізичних взаємодій (мал. 3.6), адже нею зумовлено більшість явищ у нашому світі (мал. 3.7). Саме електромагнітна взаємодія зв’язує електрони та ядра в атомах і молекулах. Саме вона відповідає за всі хімічні реакції, зокрема й ті, що відбуваються в організмах. Зникне електромагнітна взаємодія — зникне й життя.

Мал. 3.6. Творці теорії електромагнетизму: а — Андре-Марі Ампер; б — Георг Симон Ом; в — Майкл Фарадей; г — Джеймс Клерк Максвелл

Мал. 3.7. Усюдисуща електромагнітна взаємодія

Електромагнітна взаємодія зумовлена тим, що в природі є частинки, невіддільна особливість яких — електричний заряд. Ці частинки — протон й електрон. Їхні електричні заряди однакові за числовим значенням, однак протилежні за знаком (мал. 3.8).

Мал. 3.8. Електромагнітна взаємодія: а — протонів й електронів; б — відштовхування однойменно заряджених тіл і притягання різнойменно заряджених тіл

Оскільки є електричні заряди двох знаків, то електромагнітна взаємодія може виявлятися як у притяганні (за різнойменних зарядів), так й у відштовхуванні (за однойменних зарядів) (мал. 3.8, б). Цим електромагнітна взаємодія суттєво відрізняється від гравітаційної, якій властиве лише притягання. Проте закон Кулона, що описує взаємодію нерухомих електричних зарядів, подібний до закону Всесвітнього тяжіння. Відповідно до нього сила, що діє між двома зарядженими тілами, пропорційна добутку зарядів й обернено пропорційна квадрату відстані між тілами. Однак є дуже суттєва відмінність. Гравітаційні сили не залежать від того, рухаються тіла чи є нерухомими. А сила взаємодії між зарядами змінюється, якщо заряди рухаються. Наприклад, між двома однаковими нерухомими зарядами діють сили відштовхування. Якщо ж ці заряди рухаються, то сили взаємодії змінюються. На додаток до електричних сил відштовхування виникають магнітні сили.

Завдяки існуванню двох типів зарядів більшість тіл у навколишньому світі електрично нейтральні.

Протони й електрони є складниками частинок, з яких побудовані речовини, — атомів, йонів, молекул. Тож за електромагнітними властивостями речовини поділяють на провідники, діелектрики й напівпровідники (за можливістю рухатися електрично зарядженим частинкам у речовині й, відповідно, створювати електричний струм); на діамагнетики, парамагнетики й феромагнетики (за можливістю переорієнтування руху електронів і, відповідно, намагнічування). Приклади таких речовин та вироби з матеріалів на їхній основі зображено на малюнку 3.9.

Мал. 3.9. а — провідники застосовують для передачі електричного струму; б — діелектрики є ізоляційними матеріалами для інструментів; в — напівпровідники є основним матеріалом в комп’ютерній техніці, світлодіодах, фотоелементах; г — з феромагнітних матеріалів виготовлюють магніти

Особливості утворення й існування електричного струму залежно від агрегатного стану речовини наведено в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1

Назва середовища

Метали

Електроліти — речовини, водні розчини або розплави яких проводять електричний струм

Гази

Процес утворенняносіїв струму

Мають вільні електрони

Електролітична дисоціація — розщеплення молекул (атомів) речовини на йони у водному розчині або в розплаві

Йонізація — утворення позитивних і негативних йонів та вільних електронів з молекул (атомів) газу

Носії струму

Вільні електрони

Позитивно й негативно заряджені йони

Позитивно й негативно заряджені йони та електрони

Закони

Закон Ома

Закон Джоуля — Ленца

Закон Фарадея

Тривалий час магнітні та електричні взаємодії вважали різними явищами, не пов’язаними між собою. І лише в 1820 р. данський учений Ганс Крістіан Ерстед виявив дію електричного струму на магнітну стрілку й змусив замислитися вчених про взаємозв’язок електричних і магнітних явищ.

Поняття поля (електричного та магнітного) увів Майкл Фарадей у 1830 р. Згідно із цими уявленнями заряджені частинки або струми створюють в усіх точках навколишнього простору особливий стан — поле, яке діє на будь-яку іншу заряджену частинку або струм, уміщені в довільну точку цього простору.

Отже, поле заряджених електричних частинок або струмів зосереджене в усіх точках навколишнього простору. У кожній такій точці електромагнітне поле характеризують енергією та імпульсом.

Окрім гравітаційного Земля має й електромагнітне поле (мал. 3.10).

Мал. 3.10. Електромагнітне поле Землі — «щит» від сонячного вітру

Вирішальний крок у пізнанні електромагнетизму зробив у середині XIX ст. Джордж Максвелл, який об’єднав електрику й магнетизм в єдину теорію електромагнетизму — першу єдину теорію поля. Він стверджував, що електромагнітне поле може існувати й вільно, незалежно від джерел, які його створили, у вигляді електромагнітних хвиль. У 1865 р. Джордж Максвелл теоретично довів, що електромагнітні коливання за своєю внутрішньою природою мають властивість поширюватися в просторі зі швидкістю світла.

Електромагнітну взаємодію описують фундаментальні закони електростатики й електродинаміки: закон Кулона, закон Ампера, закон Ома, закон електромагнітної індукції тощо. Найзагальнішим описом є електромагнітна теорія Максвелла (класична електродинаміка), заснована на фундаментальних рівняннях, що пов’язують електричне й магнітне поля.

Сучасною є квантова електродинаміка, яку вважають найдосконалішою з усіх теорій, що є наразі. Ця теорія відповідає основним вимогам як квантової теорії, так і теорії відносності.

Електромагнітна взаємодія властива не лише об’єктам неживої природи. Її також широко використовують у медичній біології та біологічній медицині. Ідеться, зокрема, про таке:

• дослідження електричних процесів, що відбуваються в організмах, а також електричні й магнітні властивості біологічних об’єктів;

• вивчення механізмів упливу зовнішніх електромагнітних полів на біологічні тканини;

• використання сучасної електронної апаратури для потреб медицини та біології.