Как найти силу электростатического взаимодействия электрона

Анна Львовна продолжает рассматривать типы взаимодействий во Вселенной. В прошлой статье мы знакомились с гравитацией. В этот раз разбираемся с электромагнитным взаимодействием. 

Долгое время считалось, что существует две силы — электрическая и магнитная. Однако с развитием науки выяснилось, что это две стороны одной медали. Тему мы задали обширную, поэтому начнем с одного конкретного вопроса — поговорим об электрической составляющей, а связь с магнетизмом оставим на десерт (т.е. на следующие выпуски моей рубрики).

Начнем с простейшего примера из урока физики. Помните, как МарИванна показывала опыт с эбонитовой палочкой и кусочком материи? В результате трения получали на палочке отрицательный  заряд «-«, а на материи – положительный «+» (иного не  дано^[1]). Это называется электризация. Затем мы подносили палочку к одной легкой алюминиевой гильзе, а материю – к другой. После передачи заряда гильзам они начинали притягиваться. А при передаче гильзам заряда только с палочки или материи мы наблюдали отталкивание гильз. Отсюда напрашивается вывод для взаимодействия неподвижных электрических зарядов: одноименные заряды притягиваются, разноименные – отталкиваются.

Но почему где-то образуется положительный заряд, а где-то отрицательный? Все дело в структуре вещества. Как мы знаем, все состоит из атомов. Они в свою очередь состоят из положительно заряженного ядра (протоны и нейтроны) и отрицательно заряженной окружающей его «шубой» (электроны^[2]).

Причем количество «плюсов» равно количеству «минусов», то есть заряды компенсируют друг друга. Получается, в целом атом электрически нейтрален. При трении палочки о материю (воздушного шарика о волосы или янтаря о шерсть), мы отрываем часть электронов с материи, и они переносятся на эбонитовую палочку (в случае данных веществ электронам с материи оторваться проще, чем с эбонита). А так как принято считать заряд электронов «-«, то тот, кто приобретает электроны, становится отрицательно заряжен, а тот, кто отдал электроны, – положительно заряженным (ведь теперь у него нескомпенсированное количество плюсов^[3]). Отсюда разные знаки зарядов, что дает нам притяжение тел^[4].

Так мы подобрались к закону электростатического взаимодействия, который был открыт Шарлем Кулоном в 18 веке:

Должно быть, вы подумали о сходстве с законом Всемирного тяготения? И ученые так подумали=) Но электрическое взаимодействие во много раз сильнее гравитационного!

Решим задачу. Найдем силы гравитационного и электростатического взаимодействия двух электронов на расстоянии 1 метр^[5].

Сила гравитационного взаимодействия:

Сила электростатического взаимодействия:

Сравним силы:

То есть сила электростатического взаимодействия электронов на 42^[6] порядка больше, чем гравитационного!

И это хорошо, ведь в случае победы гравитации над электростатической силой электроны стягивались бы в кучу, и никаких атомов не могло бы существовать. А поскольку мы с вами – кучка атомов, для нас это в прямом смысле вопрос жизни и смерти! 

[1] С равным успехом мы могли назвать заряды красными и зелеными, это лишь вопрос терминологии. Минус и плюс для обозначения рода заряда предложил Бенджамин Франклин, который, кстати, не был президентом США =) Он запускал воздушного змея в грозовое облако, чтобы доказать электрическую природу молнии.

[2] Минимальная порция заряда во Вселенной называется элементарным электрическим зарядом и равна 1,6*10^-19 Кулона. Каждый электрон является частицей-носителем элементарного заряда, как и каждый протон. Но заряд электрона берется с минусом, а заряд протона — с плюсом.

[3] При электризации только электроны могут скакать с одного тела на другое, так как протоны расположены глубоко в шубе из электронов, они как бы «в домике».

[4] Нет смысла задавать вопрос: почему два плюса (или 2 минуса) отталкиваются, а плюс и минус притягиваются? Ведь в начале было обнаружено действие: притяжение и отталкивание, а уже потом по результату – типы зарядов.

[5]Раз они имеют массу и заряд, то оба взаимодействия имеют место быть.

[6] Если вы читали книгу Дугласа Адамса «Автостопом по Галактике», то, вероятно, вспомните, что ответил супер-компьютер на «Главный вопрос жизни, вселенной и всего такого». Машина выдала ответ «42». Но Дуглас Адамс лишь подумал: «42 подойдет. Хорошее число».

© blog.tutoronline.ru,
при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

В.Н.Гуськов.

Часть первая.

Общие положения.

Значение взаимодействий в физическом мире очень велико. Без них невозможно существование структур ФО и проявление их свойств. Без взаимодействий нет движения, но точно также нет и реального (не абсолютного) покоя.
Напомним, что, согласно концепции непосредственного близкодействия (КНБ), любые элементарные взаимодействия всегда непосредственны и участвовать в них могут только два объекта. Данное обстоятельство в значительной мере облегчает анализ элементарных отношений между ФО.
В предыдущих статьях об электроне тема взаимодействий уже была затронута. И это не случайно, т.к. объяснить структуру и свойства электрона без учета его взаимодействий невозможно.
Здесь вполне уместно отметить, что положение о наличии в структуре электрона двух взаимодействий: внутреннего и внешнего не совсем точно.
Внешнее структурообразующее взаимодействие не принадлежат электрону полностью. В нем проявляют себя не только содержание электрона, но находится выражение и содержание внешних объектов.
Поэтому есть все основания утверждать, что внешнее взаимодействие любого ФО входит в структуру двух взаимодействующих сторон. При этом не важно, каков объект содержательно – обычный ФО или элемент ОСМ.
Это значит что все внешние взаимодействия, в которых участвует электрон, являются структурообразующими. Без них существование электрона невозможно! На смену любому взаимодействию с внешним миром обязательно должно прийти другое.
Именно поэтому с позиций КНБ электрон как впрочем, и любой другой ФО не может существовать в пустоте. Из этих реалий можно сделать вывод — в физической природе не существуют объекты с абсолютно замкнутой самодостаточной структурой. Такие объекты не могли бы проявить своих свойств и отсутствовали бы для внешнего мира. А любое внешнее взаимодействие неминуемо привело бы к распространению их содержания на это взаимодействие.
Из всего вышеизложенного можно сделать еще один вывод – все, даже самые элементарные физические объекты, представляют собой системы. Не является исключением и электрон.
Единственным отличием электрона от более сложных физических образований является его элементарность как системы. Это значит, что его части, по сути, есть его стороны, т.е. части не существующие вне его в качестве самостоятельных объектов.
Однако вернемся вновь к положению о наличии двух структурообразующих взаимодействий в электроне. Если детально рассматривать эти непосредственные отношения, то выяснится, что внешнее взаимодействие представляют собой совокупность взаимодействий. Взаимодействий частей электрона (в качестве которых выступают полукванты) с окружающими объектами. Это действительно так, представление о внешних отношениях электрона как о едином взаимодействии можно рассматривать как упрощение, обобщение реальной ситуации.
Однако внутреннее (центральное) взаимодействие, учитывая взаимозависимость существования полуквантов в нем, можно объективно рассматривать как неделимое объемное трехмерное явление.
Попутно отметим, что поскольку свойства объектов «обитают» как бы на границе распространения содержания объекта, то и внешние взаимодействия объектов сочетают в себе две функции. С одной стороны они являются структурообразующими, а с другой являются «зоной» проявления свойств объекта.

Взаимодействие электрона с ОСМ.

Роль и значение взаимодействия с основным состоянием материи (ОСМ) в существовании электрона трудно переоценить. Вместе с тем сказать о нем практически нечего.
Ясно, что это взаимодействие протекает в строгом соответствии с принципом абсолютного равенства взаимодействующих сторон. Стороны преобразуют друг друга «по своему образу и подобию», т.е. фактически становятся тем, против чего противостояли.
В этом взаимодействии (как и в любом другом) исключены какие-либо передачи, обмены. Через преобразование «передается» только состояние материи. Оно становится иным со всеми вытекающими из этого последствиями.
Таким и только таким образом происходит «передача» содержания ФО и соответствующих ему свойств из одной точки материального пространства в другую. Потерять, что-либо или напротив приобрести в этом процессе взаимного преобразования невозможно.

Характерная особенность ОСМ противостоять на равных в любых взаимодействиях с любыми ФО указывает на способность ОСМ быть в чем-то содержательно тождественным любому объекту не зависимо от его природы.
При этом ОСМ проявляет абсолютную внешнюю нейтральность, «одинаковость» в отношениях с другими объектами.
Вывод: отношения электрона с ОСМ сводятся к элементарному (по структуре) непосредственному преобразующему взаимодействию.

Взаимодействие электрона и фотона.

Приступая к анализу взаимодействия между элементарным зарядовым состоянием (ЗС) и элементарным энергетическим состоянием (ЭС) материи, т.е. между электроном и фотоном, необходимо учитывать, что мы имеем самые общие представления о структуре и свойствах только одной из взаимодействующих сторон – электроне. О структуре фотона нам практически ничего не известно.
Ясно только что фотон электрически нейтрален, распространяется волнообразно в пространстве ОСМ с максимально возможной для ФО скоростью.
Есть все основания считать, что именно способность фотона перемещаться в пространстве предает волнообразность и поведению электрона, когда они образуют единое целое, систему. (Система образованная их взаимодействием является простейшей из всех известных в физическом мире, но не элементарной, поскольку элементы, части ее образующие способны существовать и вне нее.).
В физике, когда рассматривается взаимодействие этих объектов, делается акцент на преобладающую роль электрона. Считается что именно электрон «поглощает» фотон. А фотон, как бы «растворяясь» в электроне прекращает свое существование.
Иначе говоря, считается, что электрон, приобретая некоторое содержание в виде ЭС и свойства соответствующие ему, в частности энергию, сохраняет свои «исконные» свойства (заряд и массу) неизменными.
Соответственно и вновь образованный объект предстает в виде ускоренного, движущегося электрона. Это весьма наглядный, но вместе с тем, весьма далекий от действительности образ.
На самом деле (как мы уже показали в предыдущей статье) никакого доминирования электрона в его отношениях с фотоном нет. Объединение ЗС и ЭС приводит к обобщению, а не простому суммированию, их свойств. Строго говоря, у нового объекта уже не будет как таковых свойств: «масса» и «энергия».
Вместо энергии и массы у него появляется «энергомасса», а вместо заряда и пока неопределенного нами свойства фотона — электромагнитное свойство. То, как проявляет себя содержание вновь образованного объекта – энергозарядового состояния (ЭЗС) не было свойственно до объединения ни ЗС, ни ЭС.
Из сказанного можно заключить, что в природе отсутствует не только «заторможенный» фотон, но и «ускоренный» электрон. На самом деле, появляется новый ФО с новыми соответствующими ему (и только ему!) свойствами, который мы, чисто условно, назовем – «фотоно-электрон».
Что происходит между электроном и фотоном при взаимодействии? Каким образом они соединяются в одно целое?
В этом много не ясного. Достоверно что-либо можно будет утверждать только после определения структуры ЭС. Сейчас только можно предположить, что их связь содержит в себе элементы, как противостояния, так и соответствия структур. Иначе говоря, взаимодействие электрона и фотона как бы состоит из взаимодействия несовместимых сторон и взаимодействия соответствующих друг другу сторон. (Необходимо только помнить что по своей сути и то и другое являются преобразовательным взаимодействием. Что мы уже показали в статье о свойствах электрона анализируя зарядовое взаимодействие.)
Эта двуликость отношения не позволяет им с одной стороны полностью преобразовать друг друга в противоположности и разойтись, а с другой беспрепятственно пройти сквозь друг друга. В результате, они как бы «вязнут» друг в друге, одновременно вынужденно (для ЗС) ускоряясь и также вынужденно (для ЭС) замедляясь.
В дальнейшем они таким, казалось бы, противоестественным образом и сосуществуют как одно целое, как система.
Главным из приобретенных свойств энергозарядового состояния (ЭЗС) материи, которое мы определили как «фотоно-электрон», является «энергомасса».
Она характеризует способность вновь образованного ФО перемещаться в пространстве практически с любой, но не максимальной в природе, скоростью сохраняя при этом (в части ЗС) неизменной свою структуру.
Между тем электрон до объединения с фотоном способностью перемещаться в пространстве не обладал. А фотон не мог существовать иначе, как двигаясь с максимально возможной для ФО скоростью.
После объединения они потеряли эти способности. Теперь уже ЭЗС не может ни покоиться в пространстве ОСМ, ни перемещаться в нем со скоростью света. Эти крайности стали одинаково для него недоступны.
Новый объект (ЭЗС) через свойство «энергомасса» приобретает способность вступать в преобразующие взаимодействия с окружающими объектами в любых направлениях. Эта способность к всестороннему проявления своего содержания досталась ему от электрона.
С другой стороны ЭЗС приобрело способность к проявлению своего содержания с максимальной величиной в направлении движения. Эта способность досталась ему от фотона, который был в состоянии проявлять свою энергичность только в одном направлении.
Сохранность структуры, которая досталась ЭЗС, несмотря на преобразовательные взаимодействия с ОСМ, была свойственна ранее электрону, а ее постоянная изменчивость – фотону.
При этом, периодически полностью меняя свое материальное содержание, фотон не мог быть подвергнут ускорению в направлении движения, а электрон благодаря постоянному внутреннему движению перейти в состояние абсолютного покоя.
Только что сказанное о появлении нового свойства «энергомассы» у ЭЗС находится в явном противоречии с представлениями о свойствах ФО в существующей физике.
В ней свойства элементов образующих систему вопреки факту взаимодействия элементов системы просто суммируются. Это упрощенное представление о сути взаимодействия, о его значении для взаимодействующих сторон низводит это важнейшее явление природы до элементарного акта сложения.

Незнание механизма преобразующего взаимодействия послужило основой для формирования главного заблуждения 20 века. Им стало положение теории относительности об обязательном наличии у покоящегося тела энергии пропорциональной его массе.
В основе этого утверждения лежит знаменитая формула Е=mc2. Которая действительно устанавливает математическую пропорциональность двух величин, характеризующих энергетическое и зарядовое состояния материи — энергии и массы.
Но это отнюдь не означает, что данное соотношение устанавливает такую связь между массой тела и энергией, при которой их одновременное наличие у ФО обязательно.
Фактически данное утверждение является совершенно очевидным и ничем не подтвержденным до сих пор постулатом теории относительности.
Рассмотрим, что происходит согласно ГП с элементарными энергетическими объектами (фотонами) в случае их преобразования в электрон-позитронную пару. Энергетическое содержание взаимодействующих фотонов трансформируется в зарядовое движение, которое образует структуры элементарных ЗС (электрона и позитрона).
Свойство «энергия» исчезает вместе со своим «носителем» — фотоном, взамен появляется новое свойство – «масса» которое характеризует вновь образованные ФО – электрон и позитрон.
Таким образом, все содержание фотонов (ЭС) за исключением той его избыточной части, которая придает движение ЗС друг от друга, преобразуется в содержание электрона и позитрона. А они для формирования своих структур в энергетическом содержании (движении) не нуждаются. Оно для их способа существования будет избыточным.
Как видим все элементарно. Спрашивается откуда во вновь образованных ЗС может появиться энергия, при том в количестве строго соответствующем имеющейся до взаимодействия у фотонов?
Ответ может быть только один – ниоткуда. Если энергетическое содержание фотонов перешло в зарядовое содержание электрона и позитрона, то, что же может характеризовать якобы сохранившееся свойство «энергия»? Только ту избыточную часть энергетического движения, которая позволяет частицам разойтись в пространстве. Но она не может быть сопоставима с прежней энергетикой фотонов, а в принципе может и вообще отсутствовать. (Правда при этом образованная пара: электрон + позитрон вероятнее всего подвергнется обратному преобразованию — аннигиляции.)
Таким образом, рассуждая строго логично, мы вынуждены признать, что как не сохраняется энергетическое содержание объектов при переходе в зарядовое содержание, точно также не сохраняется и свойство «энергия» при переходе в свойство «масса».
Каков же физический смысл формулы Е=mc2 с позиций ГП?
Он очень прост. Данная формула устанавливает математическую и отчасти физическую пропорциональность энергии и массы. Показывает, сколько можно получить того или другого при преобразовании ЭС (фотонов) и ЗС (электрона и позитрона) друг в друга.
Почему различаются физическая и математическая пропорциональность энергии и массы?
Потому что существуют определенные (экспериментально подтвержденные) ограничения на преобразовательные процессы ЭС в ЗС и наоборот. Простой пример, если «взять» все электроны, находящиеся в состоянии покоя, то можно получить огромную суммарную массу.
При этом из нее, а точнее из материального содержания которое эта масса характеризует, ни какими реальными способами (известными современной науке) не удастся получить ни единого кванта энергетического движения и, следовательно, энергии. Это значит, что вышеуказанную формулу следует применять обдуманно, поскольку физическая область ее действия ограничена. Иначе говоря, математическая эквивалентность величин энергии и массы не тождественна физической.

Вторым по значимости заблуждением, основанным на знаменитой формуле, является положение о зависимости массы тела от его скорости. Правда, оно уже неоднократно подвергалось критике даже со стороны последовательных сторонников релятивистской теории (см. например, Л.Б.Окунь, «Понятие массы (Масса, Энергия, Относительность)». Успехи физических наук, №158 (1989г.)).
Тем не менее, мы его также рассмотрим и покажем его ошибочность, но уже с позиций гипотезы полуквантов (ГП).
Согласно ГП данное заблуждение основано на принижении роли взаимодействия в физическом мире. Что позволяет рассматривать совокупные свойства системы в виде сохранившихся величин, которые достались в «наследство» объекту от ранее независимых элементов образующих в настоящее время систему.
Считается что якобы, несмотря на потерю, элементами, образующими систему самостоятельности их изначальные свойства сохраняются в неизменном и, следовательно, измеряемом, контролируемом виде.
Иначе говоря, у ЭЗС не образуется новое совокупное свойство «энергомасса», а сохраняются прежние присущие его элементам – энергия и масса.
Спрашивается, какие тогда есть основания утверждать, что элементы вообще образуют систему, единое целое? В чем вообще суть их взаимодействия, если они остаются прежними и сохраняют способность в полной мере проявлять свои свойства, как будто взаимодействия и нет?
Учитывая роль взаимодействия в физическом мире, следует признать, что объект, имеющий в своем составе энергетическое и зарядовое содержание, имеет и совокупное свойство – «энергомассу». И пока объект сохраняет свою целостность, он сохраняет и это свойство.
Поэтому любые изменения, происходящие с его содержанием, естественным образом находят выражение в изменении его совокупного свойства — «энергомассе».
Вывод: теории, утверждающие сохранность свойства массы в системах образованных ЗС и ЭС или напротив, ее изменчивость одинаково неприемлемы для ГП. Так как, рассматривают свойство «масса» там, где его нет.
Только формальный, чисто математический, подход к физической действительности позволяет объяснить или напротив исключить зависимость массы от скорости объекта.
Утверждение о том, что масса объекта может возрастать вследствие ускорения объекта чисто логически предполагает, что на образование или создание массы (не важно, что мы вкладываем в это понятие) необходимо затратить нечто реально существующее. Следовательно, с увеличением массы что-то в объекте должно убывать.
Учитывая взаимозависимость, (взаимосвязь) массы и энергии этой убывающей реальностью должна быть энергия. Но если мы признаем уменьшение энергии, ее переход в массу, то тем самым признаем нарушение закона сохранения энергии. На подобные процессы в физики наложено строгое «табу».
Кроме того, признав возможность непосредственного преобразования энергии в массу (как в примере с фотонами и электрон-позитронной парой) мы вынуждены признать отсутствие у последних внутренней энергии — ей просто неоткуда взяться, поскольку кинетическая энергия фотонов ушла на образование массы.

Используя положения ГП можно просто и логично объяснить, что именно происходит с ФО при ускорении и почему они никогда не смогут, если в их составе присутствует ЗС (которое обладает массой), достичь скорости света.
При этом не потребуется никаких дополнительных постулатов. Даже положения о постоянстве скорости света в вакууме. Достаточно только признать скорость света максимально возможной в физическом мире. И совершенно все равно, в какой «среде» находится ускоряемый объект и что его окружает, естественно кроме «пустоты» как того требует теория относительности.
Как уже отмечалось обобщенное свойство «энергомасса» может подвергаться всевозможным трансформациям (в отличие от массы или энергии) вызванных изменениями содержания объекта.
Однако есть определенные ограничения, которые связаны с организацией структурного движения в одном из элементов ЭЗС. Речь идет об электроне.
Ранее рассматривая структуру и свойства электрона, мы убедились что, несмотря на изменчивость внешних обстоятельств, количество зарядового движения в структуре остается неизменным. (Не указывает ли данное обстоятельство на сохранность свойства массы ЗС и в составе ЭЗС? Нет, не указывает, т.к. объединенное свойство как раз и состоит из отдельных свойств, а не является результатом их полного уничтожения.).
Структурообразующее зарядовое движение электрона может подвергаться во внешнем взаимодействии раньше или позже — вот и все. Поэтому независимо от количества энергетического движения в составе системы в ней всегда будет определенное количество зарядового движения направленного против ускорения. И сколько бы энергетического движения не прибавлялось в системе (ЭЗС), она никогда не сможет перемещаться с максимально возможной в природе скоростью (скоростью света).
Для достижения указанного эффекта массе достаточно быть сохраняемой величиной в составе «энергомассы» и совсем не обязательно «расти».
Поэтому ЭЗС, в структуре которого имеется не преобразуемое движение (часть которого всегда направлена против ускорения, в каком бы направлении оно не происходило), никогда не сможет достичь скорости света. Так как, для достижения максимально возможной скорости необходимо согласованное однонаправленное движение всех составляющих элементов объекта в плоскости перемещения.

Физическое объяснение наблюдаемого эффекта постепенного снижения ускорения объекта при постоянном прибавлении энергии очень простое. На начальном этапе ускорения системы прибавление кванта (фотона) энергетического движения даст максимально возможный прирост скорости ЭЗС.
Но вследствие неизменности величины зарядового движения направленного против ускорения дальнейшее прибавление таких же квантов энергетического движения будет приносить все меньший эффект. Их значимость в ускорении будет постоянно падать.
В результате создается видимость увеличения массы до бесконечных величин. Видимость увеличения противостояния объекта ускорению.
На самом деле противостояние объекта внешнему энергетическому воздействию (в данном направлении) не только не сохраняется на прежнем уровне, но и постоянно падает. На определенном этапе это может привести к тому, что ЭС (фотон) будет практически беспрепятственно (не образуя долговременной связи с электроном) проходить чрез ускоряемую систему.

Взаимодействие электрона с электроном.

Свободные электроны, находящиеся в состоянии покоя не могут самостоятельно вступить в энергетическое взаимодействие. Для возникновения взаимодействия электронам необходимо противостояние.
Противостоять друг другу электроны начинают только тогда, когда их способ существования требует от них быть, находиться в одном и том же месте. Это возможно только при условии вхождения, по крайней мере, одного из электронов в состав ЭЗС («движущийся электрон»).
Тем не менее, неэнергетическое взаимодействие электронов возможно. Это «чисто» зарядовое взаимодействие происходит всегда, когда сначала энергетическое движение приводит электроны к противостоянию, а затем «устраняется» от разрешения возникшего противоречия. Дело в том, что приведение зарядов в состояние статики в условиях их противостояния приводит к потере ими энергетического движения, которое не может находиться в состоянии покоя.
Данное обстоятельство принуждает электроны разрешать противоречие исключительно за счет «внутренних ресурсов», т.е. зарядового движения. Поэтому когда зарядам предоставляется свобода взаимодействия, они начинают преобразование друг друга в «стремлении» разрешить существующее между ними противоречие.
В результате, как уже отмечалось в статье о свойствах электрона, происходит смещение зарядовых центров в направлении друг от друга. Это приводит к тому, что объекты начинают удаляться друг от друга. Сначала с максимальной для них скоростью, которая по мере разрешения противоречия и преобразования объектов уменьшается, вплоть до полной остановки объектов, что означает прекращение их противостояния.
В связи с вышеизложенным следует заметить, что процесс “отталкивания” между элементарными ЗС выглядит совсем не так как при взаимодействии макрообъектов. Это связано с тем, что электрон практически никогда не предстает в виде монолита, корпускулы, частицы. Поэтому его взаимодействие с внешним объектом ни коим образом не может сразу же сказаться на всем его содержании. Преобразование происходит только в зоне контакта и только затем распространяются на весь объект. Изменения распространяются строго последовательно, хотя и с максимально возможной скоростью — скоростью света.
Кроме того, необходимо учитывать импульсивность существования электрона. Вследствиe этого взаимодействие двух электронов также приобретает импульсивный, прерывистый вид. Т.о. частота их взаимодействия будет соответствовать частоте собственных колебаний электронов, но длительность периода взаимодействия не может превышать половину длительности периода существования электрона.
Это объясняется тем,что в фазе сходящихся полуквантов электроны взаимодействовать не могут. По мере сближения преобразовательных центров контактирующих объектов величина их противостояния (сила) будет возрастать и наоборот, удаление центров (но не самих объектов) приведет к снижению противостояния. Только после прекращения взаимодействия, при отсутствии контакта, можно говорить о удалении объектов друг от друга.
Конечно, в идеальных условиях учитывая безграничность полей ЗС и их несовместимость, взаимодействие объектов ни когда бы не прекратилось. Однако в реальных условиях, в которых объекты противостоят не только между собой, но и с внешним миром, этот процесс «разбегания» зарядовых центров становится конечным.

Как видим для реализации зарядового взаимодействия между электронами не требуется никакой энергии. Она необходима только для создания начальных условий для этого взаимодействия. Зарядовые центры электронов перемещаясь в пространстве в процессе взаимодействия не приобретают и не теряют никакой энергии. Энергии у них просто нет. Действия объектов друг на друга носят не энергетический, а зарядовый характер.
Поэтому законы сохранения энергии и энергетического импульса к данному процессу неприменимы.
После прекращения зарядового взаимодействия объекты прекращают и пространственное перемещение, они просто остановятся.

Рассматривая зарядовое взаимодействие необходимо также учитывать, что структуры электронов могут находиться в разных фазах своего существования. Поэтому процесс и результат их взаимодействия может оказаться не однозначным. Но поскольку несовместимость электронов сохраняется в любом случае, то внешне различия найдут выражение только в величине сближения объектов под действием одной и той же силы.

Отношение электрона и ЭЗС.

Взаимодействие электронов, когда один из них входит в состав ЭЗС, т.е. согласно существующей терминологии «обладает энергией», существенно отличается от взаимодействия «неэнергичных» электронов.
Казалось бы ситуация в сравнении с только что рассмотренной изменилась незначительно. Тем не менее, благодаря тому что в отношение электронов добавляется энергетическая составляющая результат будет разительно иной.
Прежде чем рассуждать о происходящем между такими объектами обратимся к практике. Оказывается, что при лобовом упругом соударении электронов регистрируемым результатом отношения будет передача энергетической составляющей от одного объекта к другому.
В данном процессе энергия и импульс от одного объекта «переходит» к другому. Формально этим собственно все изменения объектов и ограничиваются. Входящий до этого в состав системы (ЭЗС) электрон становится свободным и приобретает покой, а ранее покоящийся электрон, объединяясь с фотоном, образует систему и продолжает свое существование, перемещаясь в пространстве. (В процессе такой «передачи» соблюдаются классические законы сохранения энергии и импульса.)
Несмотря на то, что читать такие элементарные положения человеку мало-мальски знакомому с механикой мучительно мы вынуждены продолжить.
Попытаемся детально проанализировать процесс между электроном и ЭЗС в состав, которого входит электрон. Рассматривая перед этим зарядовое взаимодействие, в котором участвовали те же самые ЗС, но без энергетической составляющей мы должны были заметить, что это взаимодействие протекает в строгом соответствии с третьим законом Ньютона. Действия объектов равны между собой, и они с одинаковой силой «отталкивают» друг друга.
В отношении же (которое мы изначально и как в последствии выяснится безосновательно назвали взаимодействием) электрона и ЭЗС в состав которого входит другой электрон, наблюдается совершенно иной результат. Здесь уже ни о каком равенстве взаимодействующих сторон речи быть не может. (Факт равенства «потерь и приобретений» объектов нельзя рассматривать как подтверждение соблюдения третьего закона Ньютона. Они свидетельствуют только лишь о соблюдении законов сохранения энергии и импульса.)

Получается, что законы сохранения энергии и импульса вступают в противоречие с законом Ньютона и с всеобщим принципом равенства взаимодействующих сторон, который лежит в основе КНБ. И это действительно так, поскольку процесс передачи чего-либо не равнозначен преобразованию взаимодействующих сторон. (За исключением равного обмена, где по внешним признакам невозможно определить суть происходящего.)
Спрашивается, в чем дело? Откуда возникла такая разноголосица, несогласованность, между физическими законами?
Зная механизм зарядового взаимодействия можно предположить, что противостояние ЗС приводит к разрушению связей между ЗС и ЭС в ЭЗС (движущемся электроне). И действительно, фотон должен находиться в постоянном движении – таков его способ существования. Объединившись с ЗС в систему (ЭЗС) он попав с ним в “резонанс”, потерял скорость, «смерился» с новыми условиями существования.
Но теперь, когда обстоятельства вынуждают его вновь еще более замедлиться вплодь до полной остановки, он вынужден разорвать сложившиеся отношения с ЗС и “покинуть” его, поскольку они уже не соответствуют его энергетическим характеристикам. С позиций формальной логики ЭС могло бы частично остаться в прежней системе (ЭЗС) передав другому ЗС только часть своего содержания. Ведь, для разрешения противоречия вполне достаточно равномерно распределить энергетическое движение между объектами. И тогда взаимодействующие объекты могли бы продолжить свое существование, смежено расположившись в пространстве двигаясь с одинаковой скоростью. (Правда надо учитывать еще зарядовую несовместимость объектов, но и она разрешается удалением объектов друг от друга на необходимое расстояние.)
Однако в действительности этого не происходит. Энергетическое содержание ЭС полностью, а, следовательно, и энергия от одного объекта переходит к другому. Все это может означать только одно – мы не представляем процесс, происходящий между ЭЗС и ЗС во всей его полноте.

Обратимся вновь к механизму зарядового взаимодействия. Если присмотреться внимательно, то станет ясно, что именно мы не учли при анализе отношения.
Процесс взаимодействия состоит не из противостояния, а из преобразования. Противостояние это необходимое условие для возникновения взаимодействия, но не само оно. А в процессе преобразования, несовместимые взаимодействующие ЗС (не зависимо от наличия энергетических составляющих) обязательно должны остановиться.
Более того, в процессе зарядового взаимодействия их зарядовые центры должны начать удаляться друг от друга. В этом как раз и можно найти ответ на то почему в результате взаимодействия ЗС и ЭЗС (покоящегося электрона и движущегося электрона) они не приобретают движения с одинаковыми скоростями.
Торможение ЭЗС (движущегося электрона) приводящее его к полной остановке и, более того, с обратным внутренним движением, неминуемо вызывает полный разрыв отношений с энергетической составляющей (с ЭС) не зависимо от ее величины.
Это вызвано невозможностью энергетического состояния материи (фотона) каким-либо образом покоиться в пространстве. С другой стороны ускорение ранее неподвижного электрона, которое происходит в результате зарядового взаимодействия, создает «благоприятные» условия для образования связи его с фотоном, покидающим прежнюю систему, что и происходит.

Из вышеизложенного следует, что для объяснения происходящего между ЭЗС и ЗС недостаточно законов классической механики, которые объясняют механизм отношений между электрически нейтральными макротелами. Необходимо учитывать, как минимум, закон Кулона, который приблизительно объясняет зарядовое взаимодействие элементарных тождественных ЗС.
Если же принять во внимание организацию внутреннего движения в ЭС и ЗС, то мы должны учитывать квантовые эффекты. Это значит учитывать пульсацию, периодичность внутренних движений в элементарных ФО, которая непосредственно находит выражение в их взаимодействии. Которое само приобретает прерывистый, квантованный характер.

Таким образом, с позиций ГП нам удалось объяснить суть простого физического явления мимо которого проходило не одно поколение физиков-математиков.
Объяснить происходящее в физической природе или даже просто увидеть в этом проблему, исходя только из математических закономерностей, основанных на статистических данных, невозможно.
У физической природы есть свои, более глубинные, принципы существования и соответствующая им логика развития событий. Только их познание позволит сформировать максимально приближенную к действительности математическую модель происходящего в природе.

Аналогично рассмотренному выше отношению протекают процессы между двумя ЭЗС в состав которых входят электроны. Пожалуй, единственное отличие состоит в том, что в случае противостояния ЭС нельзя отличить этот преобразовательный процесс от формального обмена.
Поэтому следует не забывать, что в основе процессов передачи или обмена ЭС между взаимодействующими объектами лежит все тоже преобразовательное взаимодействие. Без него или помимо его ЭС не может «перейти» от одного объекта к другому.
Вывод — отношения между физическими системами нельзя произвольно классифицировать как взаимодействие. Они (практически всегда) представляют собой более сложные явления и принцип равенства взаимодействующих сторон и, следовательно, третий закон Ньютона, к ним не применим.
Без учета фактора преобразования взаимодействующих сторон (без зарядового взаимодействия) объяснить происходящее в отношении электрона и ЭЗС невозможно.

Часть вторая.

Взаимодействие электрона с позитроном.

Сразу оговоримся, дальнодействующее «притяжение» согласно КНБ не возможно. Процесс притяжения в существующей физической теории предполагает удаленность взаимодействующих объектов, а, согласно КНБ, взаимодействие всегда непосредственно.
Поэтому удаленные электрически заряженные объекты для реализации любого взаимодействия между собой должны, прежде всего, вступить в непосредственный контакт. После возникновения контакта они могут либо «отталкиваться» проявляя свою несовместимость, либо взаимопроникать друг в друга.
Вот именно взаимопроникновение объектов друг в друга в ГП и рассматривается как процесс аналогичный «притяжению».

Причиной взаимопроникновения «притягивающихся» объектов, как и причиной «отталкивания» являются взаимодействие несовместимых сторон. Данное утверждение может показаться странным и даже алогичным, но, тем не менее, это так.
Объяснять «отталкивание» несовместимостью взаимодействующих объектов вполне естественно. Однако и здесь не все так просто. Необходимо помнить, что согласно КНБ пустого пространства не существует.
Следовательно, любой ФО находится в постоянном и всестороннем взаимодействии с окружающими его и непосредственно с ним контактирующими объектами. Как уже отмечалось, эти взаимодействия принимают непосредственное участие в формировании структуры объекта и совершенно необходимы для его существования.
С другой стороны эти же взаимодействия определяют «поведение» объекта. Если непосредственные отношения ЗС ограничиваются взаимодействием с ОСМ, то объект находится в состоянии покоя (внешнего) или равномерного прямолинейного движения. Мы уже рассматривали взаимодействие «покоящегося» электрона с другим «движущимся» электроном, которое приводит их к «отталкиванию».
Не трудно заметить, что взаимодействие электронов возникает не на пустом месте, оно заменяет взаимодействие с ОСМ, которое в других направлениях у электронов сохраняется. Ясно что причины изменений которые произойдут с электронами кроются не только в их взаимодействии, но и во взаимодействиях с другими объектами. И если речь идет о пространственном перемещении, то необходимо учитывать все взаимодействия в плоскости перемещения. В данном случае и взаимодействия с ОСМ.
Казалось бы, о чем говорить и что учитывать – с позиций существующей физической теории взаимодействие с ОСМ это взаимодействие практически ни с чем – с пустотой. Однако представим противоположную взаимодействию электронов ситуацию. Когда противостояние электрона с объектом не возрастает в сравнении с противостоянием во взаимодействии с ОСМ, а наоборот, уменьшается. Значимость взаимодействия с ОСМ сразу возрастет, и объекты будут буквально «вдавливаться» друг в друга этими, казалось бы, малозначительными взаимодействиями.
Конечно, подобное объяснение также является неполным, упрощенным. Опять причина изменений представляется только внешним обстоятельством.
На самом деле причиной изменений состояния объекта (в данном случае пространственного движения) всегда является комплекс взаимодействий.

Одной из причин, по которым взаимодействие с ОСМ ускользает из поля зрения, является его постоянство. Это своего рода константа, значение которой меняется в зависимости от качеств объекта взаимодействующего с противоположного направления. Фактор взаимодействия с ОСМ всегда присутствует, не зависимо от того – «притягиваются» объекты, «отталкиваются» или находятся в состоянии покоя. Поэтому создается видимость того, что единственной и достаточной причиной для изменения состояния объектов является их взаимодействие.
Конечно, непосредственное взаимодействие между собой является важным фактором в изменениях происходящих с объектами, но не единственным.

Что же происходит между электроном и позитроном после возникновения контакта? Вспомним, как происходит образование структуры ЗС во взаимодействии с ОСМ.
В фазе расходящихся полуквантов зарядовое движение распространяется в пространстве ОСМ (через преобразование) постоянно «рассеиваясь» до тех пор, пока не будет «отражено» от ОСМ в обратном направлении.
Если на смену взаимодействия с ОСМ придет взаимодействие с содержательно тождественным объектом (электрон + электрон), то это преобразование (отражение) наступит раньше. Т.е. структура ЗС «замкнется» в этом направлении преждевременно и на меньшем удалении от центра.
Произойдет пространственная деформация структуры и последующее внутреннее преобразовательное взаимодействие сместится в направлении от зоны контакта электронов, что и воспринимается как “отталкивание”.

При взаимодействии электрона с позитроном их зарядовые движения встречают в лице друг друга противостояние такой величины, которое оказывается еще ниже, чем с ОСМ. Поэтому не происходит не только упреждающего обратного преобразования полуквантов (отражения) как при взаимодействии электронов, но даже и того «рассеивания» которое наблюдается при взаимодействии с ОСМ.
В результате зарядовые движения объектов, а, следовательно, и их структуры не только взаимопроникают друг друга, но в момент взаимодействия практически не изменяются. (Используя модный в физике термин можно сказать, что происходит своего рода «туннельный» проход взаимодействующих зарядовых фронтов сквозь друг друга). Поэтому, окончательное преобразование полуквантов зарядового движения в противоположные (что приводит к замыканию структур ЗС в этом направлении) запаздывает в пространстве и во времени.
Это приводит к обратному наблюдаемому при взаимодействии электронов эффекту. Центры последующих преобразовательных взаимодействий в ЗС начинают смещаться в направлении друг к другу. Объекты, если можно так выразиться, «притягиваются» друг в друга.
Как видим, совмещение структур ЗС не просто возможно, а обязательно для реализации этого процесса.

Рассматривая начальный этап процесса взаимодействия электрона с позитроном, следует обратить внимание на три обстоятельства.
1. Взаимопроникновение и, следовательно, совмещение объектов чисто фронтальное. Это связано со строением ЗС, их собственное пространство ограничено местонахождением полуквантов. Пройдя сквозь друг друга структуры ЗС в зоне совмещения продолжают взаимодействовать с ОСМ которое находится внутри этих сфер.
2. Частота взаимодействия электрона с позитроном не совпадает с собственной частотой колебаний структур ЗС, как при взаимодействии электронов.
Это объясняется тем, что после преобразования расходящихся полуквантов зарядовых движений они вновь, уже в фазе сходящихся полуквантов проходят сквозь друг друга во встречном направлении.
Поэтому утверждение о недоступности ЗС в фазе сходящихся полуквантов для внешних взаимодействий (ЗС в этот период как бы не существует для внешнего мира) не применимо к взаимодействию совмещающихся ЗС. Они в любой фазе своего существования могут взаимодействовать.
3. Объекты в момент взаимодействия могут находиться в различных фазах существования, что естественным образом сказывается на течении процесса. В частности меняется длительность, силовые и пространственные характеристики взаимодействия.

Аннигиляция.

Можно сказать, что взаимодействие противоположных по содержанию элементарных ЗС гораздо богаче и разнообразнее взаимодействия тождественных ЗС. Хотя бы, потому что для такого взаимодействия характерно преобразование зарядового движения в энергетическое. Это явление в физики называется аннигиляцией.
По мере взаимопроникновения структур ЗС количество полуквантов участвующих во взаимодействии растет. Соответственно растет и «сила притяжения».
При этом постепенно совмещение структур из одной плоскости переходит и на другие. В момент совмещения зарядовых центров силы притяжения исчезают, «притягиваться» становится не к чему, да и нечему. Совмещаемые зарядовые движения разных структур становятся синхронными.
Однонаправленные полукванты из разных ЗС объединяясь, теряют способность к преобразованию в обратные полукванты при взаимодействии с ОСМ. В результате зарядовые центры прекращают свое существование, и структуры ЗС исчезают.
Объединенные однонаправленные зарядовые движения, приобретая строго поступательный характер, образуют тем самым энергетическое движение.
Таким образом, структуры ЗС переходят в структуры ЭС. Новые структуры качественно и количественно в равных долях состоят из двух прежних структур ЗС.

Примерно так, возможно, происходит взаимное разрушение структур ЗС изнутри. Без каких-либо затрат и усилий структуры ЗС, которые невозможно было ранее разрушить самым мощным внешним воздействием, буквально «разваливаются».
Происходит преобразование зарядового движения в энергетическое со всеми вытекающими из этого последствиями. Появляются структуры новых ФО – фотонов (ЭС) с соответствующими свойствами и способом существования.

Интересно, что при совмещении ЗС находящихся в противофазе возможна ситуация в которой даже полностью совмещенные ЗС не смогут аннигилировать. Их сосуществование в противофазе не позволяет образоваться энергетическому движению. (При этом деформация структур полностью совмещенных ЗС приобретает всесторонний характер. В результате должно произойти увеличение внешних размеров ЗС).
Неизвестно сколь долго могут находиться в таком состоянии взаимодействующие объекты. Но, поскольку устойчивые электрически нейтральные системы с двойной электронной массой науке пока не известны, то, скорее всего это лишь один из вариантов перехода ЗС в ЭС. Значит, данная система представляет собой один из видов позитрония. Вероятно, через какой-то промежуток времени фазы существования ЗС каким-то образом совместятся и образуются ЭС (фотоны).

Мы обошли вниманием энергетическую составляющую, которая непременно должна быть, по крайней мере, у одного из взаимодействующих ЗС. При аналогичном взаимодействии тождественных ЗС происходит переход ЭС от одного ЗС к другому. Совершенно очевидно, что тех же причин связанных с несовместимостью объектов для перехода ЭС во взаимодействии совмещающихся ЗС нет.
Однако если взглянуть на причины, по которым ЭС и ЗС объединяется в систему не с механистических позиций, а с учетом их внутреннего строения и способа существования, то станет ясным их единство.
Скорее всего, к объединению ЗС и ЭС приводит своего рода резонанс, в котором должны находиться структуры объектов образующих систему. И если по каким-либо причинам он нарушается, то связь между объектами может разрушиться.
Именно это и происходит при взаимодействии как тождественных, так и содержательно противоположных ЗС.
В любом случае взаимодействие ЗС приводит к изменению внутренних частотных характеристик объектов, что в свою очередь приносит несогласованность в их отношение с ЭС. Это и является причиной нарушения связи между ЗС и ЭС.
Однако если в случае взаимодействия тождественных (отталкивающихся) ЗС “несогласованность поведения”служит причиной для перехода ЭС от одного ЗС к другому, то при взаимодействии совмещаемых (притягивающихся) ЗС этого не происходит. Условий для образования новой связи ЭС с другим ЗС не создается, поскольку изменения происходящие в ЗС строго синхронны. Поэтому ЭС покидает взаимодействующие ЗС.

Закон Кулона.

Закон Кулона это математическая закономерность, систематизирующая статистические данные о происходящем с электрически заряженными макрообъектами при их взаимодействии.
Она устанавливает зависимость между величиной зарядов взаимодействующих объектов и расстоянием между ними. Считается что данный закон определят силу взаимодействия электрически заряженных объектов. Но так ли это?

Во времена Кулона представления о процессах происходящих в физическом мире были просты и понятны. Считалось, что если электрически заряженные объекты поместить в вакуум, то отношения каждого из них с внешним миром будут ограничиваться действиями друг на друга.
Соответственно не вызывало никаких сомнений, что выявленная и оформленная в виде физического закона математическая закономерность характеризует если не отдельные действия объектов, то, по крайней мере, их взаимодействие.
Между тем, согласно КНБ, эти представления не могут соответствовать действительности. И дело не только в недопустимости дальнодействия или одностороннего действия.
Выше уже отмечалась роль внешних взаимодействий в формировании структуры электрона. Без всесторонних внешних взаимодействий существование его немыслимо. Все взаимодействующие с электроном объекты принимают непосредственное участие в формировании его структуры. Это положение также верно для всех ФО, в состав которых входят ЗС.

Из этого следует важный вывод – поведение объекта в любой момент существования определяется не каким-то единичным взаимодействием, а комплексом отношений. Отсюда заключение – закон Кулона не может определять силу взаимодействия между двумя объектами (и тем более, силу действия отдельного объекта).
На самом деле в законе Кулона нашла выражение разность сил, по крайней мере, трех взаимодействий двух объектов участвующих в опыте.
Во первых, это взаимодействие зарядов между собой, а во вторых, их взаимодействия с ОСМ. Рассуждая механистически можно сказать, что взаимодействие электрически заряженных объектов толкает их друг от друга (не зависимо от знаков зарядов взаимодействующих объектов), а взаимодействия с ОСМ толкает их друг к другу.

Поэтому есть все основания утверждать, что в основе таких казалось бы разных явлений какими являются притяжение и отталкивание лежит одно и тоже преобразовательное взаимодействие несовместимых сторон.
Наблюдаемый внешний результат зависит от конкретной величины противостояния объектов в разных взаимодействиях. При этом нет необходимости определять величины противостояния заряженных объектов между собой и с ОСМ что бы затем вычитать их друг из друга. Природа все делает сама – во внешнем движении заряженных объектов проявляется уже результирующая этих взаимодействий.
Более того, можно однозначно утверждать — определить величину противостояния (силу отдельного взаимодействия) электрически заряженных макрообъектов наука не в состоянии.

Таким образом, закон Кулона определяет не силу взаимодействия двух электрически заряженных объектов, а результирующую всех противоположно направленных взаимодействий в плоскости зарядового взаимодействия.
Можно сказать, что при определении результирующей силы в случае отношения одинаковых по знаку ЗС происходит естественное «вычитание» силы взаимодействий объектов с ОСМ из силы их взаимодействия. При взаимодействии противоположных по знаку ЗС наоборот, происходит «вычитание» силы взаимодействия между ними из силы взаимодействия с ОСМ.

Продолжая рассуждать на уровне представлений классической механики можно сказать, что в случае отталкивания объекты под действием сил противостояния “выталкиваются” в окружающее пространство ОСМ.
В случае притяжения, напротив, под действием преобладающих сил отталкивания ОСМ “вдавливаются” друг в друга. Однако подобные образы приемлемы только для формирования самого общего представления о сути происходящего между объектами.

Применение закона Кулона для объяснения зарядовых отношений на элементарном уровне весьма ограничено.
Так при описании взаимодействий тождественных ЗС (отталкивания) закон принимает вид среднестатистического. Он не может учитывать конкретного разнообразия возможных вариантов развития событий связанных с фазовым состоянием ЗС.
В отношении взаимодействий ЗС имеющих противоположные знаки зарядов (притяжение) закон Кулона применим, даже в виде среднестатистического, только на начальном этапе. Затем он перестает «работать».
Дело в том, что при объяснении отталкивания ЗС закон Кулона в принципе соблюдается, поскольку соответствует всеобщему закону сохранения материи как таковой. (Сила отталкивания при сближении зарядовых центров ЗС (но не самих ЗС!) будет возрастать до бесконечности, т.к. иначе должно произойти совмещение тождественной материи, что должно привести к уничтожению части ее, а это совершенно недопустимо).

В случае «притяжения» ЗС происходит не сближение объектов, а их совмещение. Поэтому теряет смысл само положение закона о сближении, пускай даже точечных, объектов.
Но если даже в качестве взаимодействующих объектов рассматривать их зарядовые центры, то и тогда на определенной стадии совмещения ЗС проявится несоответствие закона реалиям. Окажется, что уменьшение расстояния между зарядовыми центрами на определенном этапе развития событий приведет не к увеличению сил «притяжения», а к их интенсивному падению.
Более того, при полном совмещении зарядовых центров силы «притяжения» полностью исчезнут. В этом нельзя увидеть никакого соответствия (даже приблизительного) реального процесса закону Кулона.
Кроме того, закон Кулона не может учитывать импульсивный, прерывистый характер зарядового взаимодействия на элементарном уровне.

Следует отметить, что на уровне элементарных взаимодействий возможна детализация отношений (”притяжения” и “отталкивания”) между ЗС. Здесь (в отличие от отношений макрообъектов) в принципе можно определить величину (силу) характеризующую конкретное взаимодействие.
Это связано с практически полной независимостью элементарных взаимодействий друг от друга, несмотря на то, что в них участвует один и тот же объект.
Это обстоятельство нетрудно обнаружить при детальном рассмотрении конкретных взаимодействий ЗС. В каждом из них принимает участие (до определенных пределов) часть содержания объекта, а не весь объект.
Учитывая этот фактор можно попытаться сопоставить общий результат отношений ЗС исходя из закона Кулона с конкретным определением результирующей всех взаимодействий. Возможно, это позволит определить величину (силу) взаимодействия ЗС с ОСМ. Нужно только учитывать, что установление величины противостояния (силы взаимодействия), допустим, одинаковых по знаку ЗС позволит определить не расстояние между объектами (как это следует из закона Кулона), а только лишь величину пространственной деформации их внутренних структур. А определение величины противостояния противоположных по знаку ЗС – не величину их совмещения, а только потенциальную возможность этого.
Причина последнего в том, что движение ЗС друг в друга невозможно без внешнего влияния того же ОСМ (они не могут тянуть друг друга за «веревочки» какой бы оригинальный вид те не имели). Дело в том, что перемещение ЗС друг в друга немыслимо не только без двустороннего внешнего преобразования его содержания (”вдавливания” их друг в друга), но и без смещения центра внутреннего преобразовательного взаимодействия.
Направление перемещения этого центра и будет собственно указывать на то, что именно происходит с объектами – «притяжение» или «отталкивание».

Подведем некоторые итоги.
1. Закон Кулона характеризует не единичное зарядовое взаимодействие объектов, а комплекс взаимодействий, в которых они участвуют.
2. Определение силы отдельного зарядового взаимодействия макрообъектов невозможно.
3. Закон Кулона не учитывает конкретных обстоятельств взаимодействий на элементарном уровне. Поэтому его применение в этой области ограничено.
4. Поведение элементарных ЗС подчинено комплексу закономерностей, которые действуют независимо от наличия зарядового взаимодействия между ними. В любом случае внешнее движение ЗС будет проявлением результирующей их внешних взаимодействий.
5. Без учета взаимодействия с ОСМ невозможно определить поведение ни одного из участвующих в зарядовом взаимодействии объектов.

Следующая статья будет посвящена отношению электрона с протоном.

Общение с автором здесь:  v.gusckow@yandex.ru

О законе сухого трения см. Закон Амонтона — Кулона

Классическая электродинамика

Электричество · Магнетизм

Электростатика Закон Кулона Теорема Гаусса Электрический дипольный момент Электрический заряд Электрическая индукция Электрическое поле Электростатический потенциал

Магнитостатика Закон Био — Савара — Лапласа Закон Ампера Магнитный момент Магнитное поле Магнитный поток Магнитная индукция

Электродинамика Векторный потенциал Диполь Потенциалы Лиенара — Вихерта Сила Лоренца Ток смещения Униполярная индукция Уравнения Максвелла Электрический ток Электродвижущая сила Электромагнитная индукция Электромагнитное излучение Электромагнитное поле

Электрическая цепь Закон Ома Законы Кирхгофа Индуктивность Радиоволновод Резонатор Электрическая ёмкость Электрическая проводимость Электрическое сопротивление Электрический импеданс

Ковариантная формулировка Тензор электромагнитного поля Тензор энергии-импульса 4-потенциал 4-ток

Известные учёные Генри Кавендиш Майкл Фарадей Никола Тесла Андре-Мари Ампер Густав Роберт Кирхгоф Джеймс Клерк Максвелл Оливер Хевисайд Генрих Рудольф Герц Альберт Абрахам Майкельсон Роберт Эндрюс Милликен

См. также: Портал:Физика

п • о • р

Зако́н Куло́на — это закон, описывающий силы взаимодействия между неподвижными точечными электрическими зарядами.

Формулировки

Был открыт Шарлем Кулоном в 1785 г. Проведя большое количество опытов с металлическими шариками, Шарль Кулон дал такую формулировку закона:

Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

Современная формулировка^[1]:

Сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды, пропорциональна их величинам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Она является силой притяжения, если знаки зарядов разные, и силой отталкивания, если эти знаки одинаковы.

Важно отметить, что для того, чтобы закон был верен, необходимы:

1. Точечность зарядов, то есть расстояние между заряженными телами должно быть много больше их размеров. Впрочем, можно доказать, что сила взаимодействия двух объёмно распределённых зарядов со сферически симметричными непересекающимися пространственными распределениями равна силе взаимодействия двух эквивалентных точечных зарядов, размещённых в центрах сферической симметрии;
2. Их неподвижность. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд;
3. Расположение зарядов в вакууме.

Однако с некоторыми корректировками закон справедлив также для взаимодействий зарядов в среде и для движущихся зарядов^[2].

В векторном виде в формулировке Ш. Кулона закон записывается следующим образом:

где  — сила, с которой заряд 1 действует на заряд 2;  — величина зарядов;  — радиус-вектор (вектор, направленный от заряда 1 к заряду 2, и равный, по модулю, расстоянию между зарядами — );  — коэффициент пропорциональности.

Закон Кулона совершенно аналогичен по форме закону всемирного тяготения. При этом роль тяжёлых масс играют электрические заряды^[3].

Коэффициент

В СГСЭ единица измерения заряда выбрана таким образом, что коэффициент равен единице.

В Международной системе единиц (СИ) одной из основных единиц является единица силы электрического тока — ампер, а единица заряда — кулон — производная от него. Величина ампера определена таким образом, что k = c²·10⁻⁷ Гн/м = 8,9875517873681764·10⁹ Н·м²/Кл² (или Ф⁻¹·м). В СИ коэффициент k записывается в виде:

где ≈ 8,85418781762·10⁻¹² Ф/м — электрическая постоянная.

В однородном изотропном веществе в знаменатель формулы добавляется диэлектрическая проницаемость среды ε.

В СГСЭ

В СИ

Закон Кулона в квантовой механике

В квантовой механике закон Кулона формулируется не при помощи понятия силы, как в классической механике, а при помощи понятия потенциальной энергии кулоновского взаимодействия. В случае, когда рассматриваемая в квантовой механике система содержит электрически заряженные частицы, к оператору Гамильтона системы добавляются слагаемые, выражающие потенциальную энергию кулоновского взаимодействия, так, как она вычисляется в классической механике^[4]. Это утверждение не следует из остальных аксиом квантовой механики, а получено путём обобщения опытных данных.

Так, оператор Гамильтона атома с зарядом ядра Z имеет вид:

Здесь m — масса электрона, е — его заряд,  — абсолютная величина радиус-вектора j-го электрона , а . Первое слагаемое выражает кинетическую энергию электронов, второе слагаемое — потенциальную энергию кулоновского взаимодействия электронов с ядром и третье слагаемое — потенциальную кулоновскую энергию взаимного отталкивания электронов. Суммирование в первом и втором слагаемом ведется по всем Z электронам. В третьем слагаемом суммирование идёт по всем парам электронов, причём каждая пара встречается однократно^[5].

Закон Кулона с точки зрения квантовой электродинамики

Согласно квантовой электродинамике, электромагнитное взаимодействие заряженных частиц осуществляется путём обмена виртуальными фотонами между частицами. Принцип неопределённости для времени и энергии допускает существование виртуальных фотонов на время между моментами их испускания и поглощения. Чем меньше расстояние между заряженными частицами, тем меньшее время нужно виртуальным фотонам для преодоления этого расстояния и следовательно, тем большая энергия виртуальных фотонов допускается принципом неопределенности. При малых расстояниях между зарядами принцип неопределённости допускает обмен как длинноволновыми, так и коротковолновыми фотонами, а при больших расстояниях в обмене участвуют только длинноволновые фотоны. Таким образом, с помощью квантовой электродинамики можно вывести закон Кулона^[6][7].

История

Впервые исследовать экспериментально закон взаимодействия электрически заряженных тел предложил^[8] Г. В. Рихман в 1752—1753 гг. Он намеревался использовать для этого сконструированный им электрометр-«указатель». Осуществлению этого плана помешала трагическая гибель Рихмана.

В 1759 г. профессор физики Санкт-Петербургской академии наук Ф. Эпинус, занявший кафедру Рихмана после его гибели, впервые предположил^[9], что заряды должны взаимодействовать обратно пропорционально квадрату расстояния. В 1760 г. появилось краткое сообщение^[10] о том, что Д. Бернулли в Базеле установил квадратичный закон с помощью сконструированного им электрометра. В 1767 г. Пристли в своей «Истории электричества»^[11] отметил, что опыт Франклина, обнаружившего отсутствие электрического поля внутри заряженного металлического шара, может означать, что «сила электрического притяжения подчиняется тем же законам, что и сила тяжести, а следовательно, зависит от квадрата расстояния между зарядами»^[12]. Шотландский физик Джон Робисон утверждал (1822), что в 1769 г. обнаружил, что шары с одинаковым электрическим зарядом отталкиваются с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, и таким образом предвосхитил открытие закона Кулона (1785)^[13].

Примерно за 11 лет до Кулона, в 1771 г., закон взаимодействия зарядов был экспериментально открыт Г. Кавендишем, однако результат не был опубликован и долгое время (свыше 100 лет) оставался неизвестным. Рукописи Кавендиша были вручены Д. К. Максвеллу лишь в 1874 г одним из потомков Кавендиша на торжественном открытии Кавендишской лаборатории и опубликованы в 1879 г.^[14].

Сам Кулон занимался исследованием кручения нитей и изобрел крутильные весы. Он открыл свой закон, измеряя с помощью них силы взаимодействия заряженных шариков.

Закон Кулона, принцип суперпозиции и уравнения Максвелла

Закон Кулона и принцип суперпозиции для электрических полей полностью равносильны уравнениям Максвелла для электростатики и . То есть закон Кулона и принцип суперпозиции для электрических полей выполняются тогда и только тогда, когда выполняются уравнения Максвелла для электростатики и, наоборот, уравнения Максвелла для электростатики выполняются тогда и только тогда, когда выполняются закон Кулона и принцип суперпозиции для электрических полей^[15].

Степень точности закона Кулона

Закон Кулона — экспериментально установленный факт. Его справедливость неоднократно подтверждалась всё более точными экспериментами. Одним из направлений таких экспериментов является проверка того, отличается ли показатель степени r в законе от 2. Для поиска этого отличия используется тот факт, что если степень точно равна двум, то поле внутри полости в проводнике отсутствует, какова бы ни была форма полости или проводника^[16].

Такие опыты впервые провел Кавендиш и повторил Максвелл в усовершенствованном виде, получив для максимального отличия показателя в степени от двух величину ^[17].

Эксперименты, проведённые в 1971 г. в США Э. Р. Уильямсом, Д. Е. Фоллером и Г. А. Хиллом, показали, что показатель степени в законе Кулона равен 2 с точностью до ^[18].

Для проверки точности закона Кулона на внутриатомных расстояниях У. Ю. Лэмбом и Р. Резерфордом в 1947 г. были использованы измерения относительного расположения уровней энергии водорода. Было установлено, что и на расстояниях порядка атомных 10⁻⁸ см, показатель степени в законе Кулона отличается от 2 не более чем на 10^−9[19][20].

Коэффициент в законе Кулона остается постоянным с точностью до 15·10^−6[20].

Поправки к закону Кулона в квантовой электродинамике

На небольших расстояниях (порядка комптоновской длины волны электрона,

м^[21],

где  — масса электрона,  — постоянная Планка,  — скорость света) становятся существенными нелинейные эффекты квантовой электродинамики: на обмен виртуальными фотонами накладывается генерация виртуальных электрон-позитронных (а также мюон-антимюонных и таон-антитаонных) пар, а также уменьшается влияние экранирования (см. перенормировка). Оба эффекта ведут к появлению экспоненциально убывающих членов порядка в выражении для потенциальной энергии взаимодействия зарядов и, как результат, к увеличению силы взаимодействия по сравнению с вычисляемой по закону Кулона.

Например, выражение для потенциала точечного заряда в системе СГС, с учётом радиационных поправок первого порядка, принимает вид
^[22]:

где  — комптоновская длина волны электрона,
 — постоянная тонкой структуры и .

На расстояниях порядка 10⁻¹⁸ м, где  — масса W-бозона, в игру вступают уже электрослабые эффекты.

В сильных внешних электромагнитных полях, составляющих заметную долю от поля пробоя вакуума (порядка 10¹⁸ В/м или 10⁹ Тл, такие поля наблюдаются, например, вблизи некоторых типов нейтронных звёзд, а именно магнитаров) закон Кулона также нарушается в силу дельбрюковского рассеяния обменных фотонов на фотонах внешнего поля и других, более сложных нелинейных эффектов. Это явление уменьшает кулоновскую силу не только в микро-, но и в макромасштабах, в частности, в сильном магнитном поле кулоновский потенциал падает не обратно пропорционально расстоянию, а экспоненциально^[23].

Закон Кулона и поляризация вакуума

Явление поляризации вакуума в квантовой электродинамике заключается в образовании виртуальных электронно-позитронных пар. Облако электронно-позитронных пар экранирует электрический заряд электрона. Экранировка растет с ростом расстояния от электрона, в результате эффективный электрический заряд электрона является убывающей функцией расстояния ^[24]. Эффективный потенциал, создаваемый электроном с электрическим зарядом , можно описать зависимостью вида . Эффективный заряд зависит от расстояния по логарифмическому закону:

где

 — постоянная тонкой структуры;

см — классический радиус электрона^[25][26].

Эффект Юлинга

Явление отклонения электростатического потенциала точечных зарядов в вакууме от значения закона Кулона известно как эффект Юлинга, который впервые вычислил отклонения от закона Кулона для атома водорода. Эффект Юлинга даёт поправку к лэмбовскому сдвигу 27 МГц^[27][28].

Закон Кулона и сверхтяжёлые ядра

В сильном электромагнитном поле вблизи сверхтяжёлых ядер с зарядом осуществляется перестройка вакуума, аналогичная обычному фазовому переходу. Это приводит к поправкам к закону Кулона^[29].

Значение закона Кулона в истории науки

Закон Кулона является первым открытым количественным и сформулированным на математическом языке фундаментальным законом для электромагнитных явлений. С открытия закона Кулона началась современная наука об электромагнетизме^[30].

См. также

• Электростатика
• Электрическое поле
• Дальнодействие
• Закон Био — Савара — Лапласа
• Закон притяжения
• Кулон, Шарль Огюстен де
• Кулон (единица измерения)
• Принцип суперпозиции
• Уравнения Максвелла

Ссылки

• Закон Кулона (видеурок, программа 10 класса)
• Закон Кулона на YouTube

Примечания

Литература

• Филонович С. Р. Судьба классического закона. — М., Наука, 1990. — 240 с., ISBN 5-02-014087-2 (Библиотечка «Квант», вып. 79), тир. 70500 экз.

Электрическое поле

Электродинамика – раздел физики, изучающий свойства и взаимодействия электрических зарядов, осуществляемые посредством электромагнитного поля.

Электростатикой называется раздел электродинамики, в котором рассматриваются свойства и взаимодействия неподвижных электрически заряженных тел или частиц.

Электромагнитное взаимодействие – это взаимодействие между электрически заряженными частицами или макротелами.

Точечный заряд – заряженное тело, размер которого мал по сравнению с расстоянием, на котором оценивается его действие.

Электризация тел

Электризация – процесс сообщения телу электрического заряда, т. е. нарушение его электрической нейтральности. Процесс электризации представляет собой перенесение с одного тела на другое электронов или ионов. В результате электризации тело получает возможность участвовать в электромагнитном взаимодействии.

Способы электризации:

• трением, – например, электризация эбонитовой палочки при трении о мех. При тесном соприкосновении двух тел часть электронов переходит с одного тела на другое; в результате этого на поверхности у одного из тел создается недостаток электронов и тело получает положительный заряд, а у другого – избыток, и тело заряжается отрицательно. Величины зарядов тел одинаковы;
• через влияние (электростатическая индукция) – тело остается электрически нейтральным, электрические заряды внутри него перераспределяются так, что разные части тела приобретают разные по знаку заряды;
• при соприкосновении заряженного и незаряженного тела – заряд при этом распределяется между этими телами пропорционально их размерам. Если размеры тел одинаковы, то заряд распределяется между ними поровну;
• при ударе;
• под действием излучения – под действием света с поверхности проводника могут вырываться электроны, при этом проводник приобретает положительный заряд.

Взаимодействие зарядов. Два вида зарядов

Электрический заряд – скалярная физическая величина, характеризующая способность тела участвовать в электромагнитных взаимодействиях.

Обозначение – ​( q )​, единица измерения в СИ – кулон (Кл).

Существуют два вида электрических зарядов: положительный и отрицательный. Наименьший отрицательный заряд имеет электрон (–1,6·10^-19 Кл), наименьший положительный заряд (1,6·10^-19 Кл) – протон. Минимальный заряд, который может быть сообщен телу, равен заряду электрона (элементарный заряд). Если тело имеет избыточные (лишние) электроны, то тело заряжено отрицательно, если у тела недостаток электронов, то тело заряжено положительно.

Величина заряда тела будет равна

где ​( N )​ — число избыточных или недостающих электронов;
​( e )​ — элементарный заряд, равный 1,6·10^-19 Кл.

Важно!
Частица может не иметь заряда, но заряд без частицы не существует.

Электрические заряды взаимодействуют:

• заряды одного знака отталкиваются:

• заряды противоположных знаков притягиваются:

Прибор для обнаружения электрического заряда называется электроскоп. Основная часть прибора – металлический стержень, на котором закреплены два листочка металлической фольги, помещенные в стеклянный сосуд. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электроскопа заряды распределяются между листочками фольги. Так как заряд листочков одинаков по знаку, они отталкиваются.

Для измерения зарядов можно использовать и электрометр. Основные части его – металлический стержень и стрелка, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. Стержень со стрелкой закреплен в пластмассовой втулке и помещен в металлический корпус, закрытый стеклянными крышками. При соприкосновении заряженного тела со стержнем стержень и стрелка получают электрические заряды одного знака. Стрелка поворачивается на некоторый угол.

Закон сохранения электрического заряда

Систему называют замкнутой (электрически изолированной), если в ней не происходит обмена зарядами с окружающей средой.

В любой замкнутой (электрически изолированной) системе сумма электрических зарядов остается постоянной при любых взаимодействиях внутри нее.

Полный электрический заряд ​( (q) )​ системы равен алгебраической сумме ее положительных и отрицательных зарядов ​( (q_1, q_2 … q_N) )​:

Важно!
В природе не возникают и не исчезают заряды одного знака: положительный и отрицательный заряды могут взаимно нейтрализовать друг друга, если они равны по модулю.

Закон Кулона

Закон Кулона был открыт экспериментально: в опытах с использованием крутильных весов измерялись силы взаимодействия заряженных шаров.

Закон Кулона формулируется так:
сила взаимодействия ​( F )​ двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна их модулям ​( q_1 )​ и ( q_2 ) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними ​( r )​:

где ​( k=frac{1}{4pivarepsilon_0}=9cdot10^9 )​ (Н·м²)/Кл² – коэффициент пропорциональности,
​( varepsilon_0=8.85cdot10^{-12} )​ Кл²/(Н·м²) – электрическая постоянная.

Коэффициент ​( k )​ численно равен силе, с которой два точечных заряда величиной 1 Кл каждый взаимодействуют в вакууме на расстоянии 1 м.

Сила Кулона направлена вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие заряды. Заряды взаимодействуют друг с другом с силами, равными по величине и противоположными по направлению.

Значение силы Кулона зависит от среды, в которой они находятся. В этом случае формула закона:

где ​( varepsilon )​ – диэлектрическая проницаемость среды.

Закон Кулона применим к взаимодействию

• неподвижных точечных зарядов;
• равномерно заряженных тел сферической формы.

В этом случае ​( r )​ – расстояние между центрами сферических поверхностей.

Важно!
Если заряженное тело протяженное, то его необходимо разбить на точечные заряды, рассчитать силы их попарного взаимодействия и найти равнодействующую этих сил (принцип суперпозиции).

Действие электрического поля на электрические заряды

Электрическое поле – это особая форма материи, существующая вокруг электрически заряженных тел.

Впервые понятие электрического поля было введено Фарадеем. Он объяснял взаимодействие зарядов следующим образом: каждый заряд создает вокруг себя электрическое поле, которое с некоторой силой действует на другой заряд.

Свойства электрического поля заключаются в том, что оно:

• материально;
• создается зарядом;
• обнаруживается по действию на заряд;
• непрерывно распределено в пространстве;
• ослабевает с увеличением расстояния от заряда.

Действие заряженного тела на окружающие тела проявляется в виде сил притяжения и отталкивания, стремящихся поворачивать и перемещать эти тела по отношению к заряженному телу.

Силу, с которой электрическое поле действует на заряд, можно рассчитать по формуле:

где ​( vec{E} )​ – напряженность электрического поля, ​( q )​ – заряд.

Решение задач о точечных зарядах и системах, сводящихся к ним, основано на применении законов механики с учетом закона Кулона и вытекающих из него следствий.

Алгоритм решения задач о точечных зарядах и системах, сводящихся к ним:

• сделать рисунок; указать силы, действующие на точечный заряд, помещенный в электрическое поле;
• записать для заряда условие равновесия или основное уравнение динамики материальной точки;
• выразить силы электрического взаимодействия через заряды и поля и подставить эти выражения в исходное уравнение;
• если при взаимодействии заряженных тел между ними происходит перераспределение зарядов, к составленному уравнению добавить уравнение закона сохранения зарядов;
• записать математически все вспомогательные условия;
• решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
• проверить решение

Напряженность электрического поля

Напряженность электрического поля ​( vec{E} )​ – векторная физическая величина, равная отношению силы ​( F )​, действующей на пробный точечный заряд, к величине этого заряда ​( q )​:

Обозначение – ( vec{E} ), единица измерения в СИ – Н/Кл или В/м.

Напряженность поля точечного заряда в вакууме вычисляется по формуле:

где ( k=frac{1}{4pivarepsilon_0}=9cdot10^9 ) (Н·м²)/Кл²,
​( q_0 )​ – заряд, создающий поле,
​( r )​ – расстояние от заряда, создающего поле, до данной точки.

Напряженность поля точечного заряда в среде вычисляется по формуле:

где ​( varepsilon )​ – диэлектрическая проницаемость среды.

Важно!
Напряженность электрического поля не зависит от величины пробного заряда, она определяется величиной заряда, создающего поле.

Направление вектора напряженности в данной точке совпадает с направлением силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в эту точку.

Линией напряженности электрического поля называется линия, касательная к которой в каждой точке направлена вдоль вектора напряженности ​( vec{E} )​.

Линии напряженности электростатического поля начинаются на положительных электрических зарядах и заканчиваются на отрицательных электрических зарядах или уходят в бесконечность от положительного заряда и приходят из бесконечности к отрицательному заряду.

Распределение линий напряженности вокруг положительного и отрицательного точечных зарядов показано на рисунке.

Определяя направление вектора ​( vec{E} )​ в различных точках пространства, можно представить картину распределения линий напряженности электрического поля.

Поле, в котором напряженность одинакова по модулю и направлению в любой точке, называется однородным электрическим полем. Однородным можно считать электрическое поле между двумя разноименно заряженными металлическими пластинами. Линии напряженности в однородном электрическом поле параллельны друг другу.

Принцип суперпозиции электрических полей

Каждый электрический заряд создает в пространстве электрическое поле независимо от наличия других электрических зарядов.

Принцип суперпозиции электрических полей: напряженность электрического поля системы ​( N )​ зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из них в отдельности:

Электрические поля от разных источников существуют в одной точке пространства и действуют на заряд независимо друг от друга.

Потенциальность электростатического поля

Электрическое поле с напряженностью ​( vec{E} )​ при перемещении заряда ​( q )​ совершает работу. Работа ​( A )​ электростатического поля вычисляется по формуле:

где ​( d )​ – расстояние, на которое перемещается заряд,
​( alpha )​ – угол между векторами напряженности электрического поля и перемещения заряда.

Важно!
Эта формула применима для нахождения работы только в однородном электростатическом поле.

Работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только начальным и конечным положением заряда.

Потенциальным называется поле, работа сил которого по перемещению заряда по замкнутой траектории равна нулю.

Важно!
Работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю. Электростатическое поле является потенциальным.

Работа электростатического поля по перемещению заряда равна изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком. В электродинамике энергию принято обозначать буквой ​( W )​, так как буквой ​( E )​ обозначают напряженность поля:

Потенциальная энергия заряда ​( q )​, помещенного в электростатическое поле, пропорциональна величине этого заряда. Потенциальная энергия взаимодействия зарядов вычисляется относительно нулевого уровня (аналогично потенциальной энергии поля силы тяжести). Выбор нулевого уровня потенциальной энергии определяется исходя из соображений удобства при решении задачи.

Потенциал электрического поля. Разность потенциалов

Потенциал – скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда.

Обозначение – ​( varphi )​, единица измерения в СИ – вольт (В).

Потенциал ( varphi ) является энергетической характеристикой электростатического поля.

Разность потенциалов численно равна работе, которую совершает электрическая сила при перемещении единичного положительного заряда между двумя точками поля:

Обозначение – ​( Deltavarphi )​, единица измерения в СИ – вольт (В).

Иногда разность потенциалов обозначают буквой ​( U )​ и называют напряжением.

Важно!
Разность потенциалов ( Deltavarphi=varphi_1-varphi_2 ), а не изменение потенциала ( Deltavarphi=varphi_2-varphi_1 ). Тогда работа электростатического поля равна:

Важно!
Эта формула позволяет вычислить работу электростатических сил в любом поле.

В электростатике часто вычисляют потенциал относительно бесконечно удаленной точки. В этом случае потенциал поля в данной точке равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность.

Потенциал поля точечного заряда ​( q )​ в точке, удаленной от него на расстояние ​( r )​, вычисляется по формуле:

Для наглядного представления электрического поля используют эквипотенциальные поверхности.

Важно!
Внутри проводящего шара потенциал всех точек внутри шара равен потенциалу поверхности шара и вычисляется по формуле потенциала точечного заряда (​( r =R )​, где ​( R )​ – радиус шара). Напряженность поля внутри шара равна нулю.

Эквипотенциальной поверхностью, или поверхностью равного потенциала, называется поверхность, во всех точках которой потенциал имеет одинаковое значение.

Свойства эквипотенциальных поверхностей

• Вектор напряженности перпендикулярен эквипотенциальным поверхностям и направлен в сторону убывания потенциала.
• Работа по перемещению заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю.

В случае однородного поля эквипотенциальные поверхности представляют собой систему параллельных плоскостей. Для точечного заряда эквипотенциальные поверхности представляют собой концентрические окружности.

Разность потенциалов и напряженность связаны формулой:

Из принципа суперпозиции полей следует принцип суперпозиции потенциалов:

Потенциал результирующего поля равен сумме потенциалов полей отдельных зарядов.

Важно!
Потенциалы складываются алгебраически, а напряженности – по правилу сложения векторов.

Решение задач о точечных зарядах и системах, сводящихся к ним, основано на применении законов сохранения, теоремы об изменении кинетической энергии заряда с учетом работы электростатических сил.

Алгоритм решения таких задач:

• установить характер и особенности электростатических взаимодействий объектов системы;
• ввести характеристики (силовые и энергетические) этих взаимодействий, сделать рисунок;
• записать законы сохранения и движения для объектов;
• выразить энергию электростатического взаимодействия через заряды, потенциалы, напряженности;
• составить систему уравнений и решить ее относительно искомой величины;
• проверить решение.

Проводники в электрическом поле

Проводниками называют вещества, в которых может происходить упорядоченное перемещение электрических зарядов, т. е. протекать электрический ток.

Проводниками являются металлы, водные растворы солей, кислот, ионизованные газы. В проводниках есть свободные электрические заряды. В металлах валентные электроны взаимодействующих друг с другом атомов становятся свободными.

Если металлический проводник поместить в электрическое поле, то под его действием свободные электроны проводника начнут перемещаться в направлении, противоположном направлению напряженности поля. В результате на одной поверхности проводника появится избыточный отрицательный заряд, а на противоположной – избыточный положительный заряд.

Эти заряды создают внутри проводника внутреннее электрическое поле, вектор напряженности которого направлен противоположно вектору напряженности внешнего поля. Под действием внешнего электростатического поля электроны проводимости в металлическом проводнике перераспределяются так, что напряженность результирующего поля в любой точке внутри проводника равна нулю. Электрические заряды расположены на поверхности проводника.

Важно!
Если внутри проводника есть полость, то напряженность в ней будет равна нулю независимо от того, какое поле имеется вне проводника и как заряжен проводник. Внутренняя полость в проводнике экранирована (защищена) от внешних электростатических полей. На этом основана электростатическая защита.

Явление перераспределения зарядов во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией.

Заряды, разделенные электростатическим полем, взаимно компенсируют друг друга, если проводник удалить из поля. Если такой проводник разрезать, не вынося из поля, то его части будут иметь заряды разных знаков.

Важно!
Во всех точках поверхности проводника вектор напряженности направлен перпендикулярно к его поверхности. Поверхность проводника является эквипотенциальной (потенциалы всех точек поверхности проводника равны).

Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектриками называют вещества, не проводящие электрический ток. Диэлектриками являются стекло, фарфор, резина, дистиллированная вода, газы.

В диэлектриках нет свободных зарядов, все заряды связаны. В молекуле диэлектрика суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. Различают полярные и неполярные диэлектрики.

В молекулах полярных диэлектриков ядра и электроны расположены так, что центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга. То есть молекулы представляют собой диполи независимо от наличия внешнего электрического поля. В отсутствие внешнего электрического поля из-за теплового движения молекул диполи расположены хаотично, поэтому суммарная напряженность поля всех диполей диэлектрика равна нулю.

Если в отсутствие внешнего электрического поля центры масс положительных и отрицательных зарядов в молекуле диэлектрика совпадают, то он называется неполярным. Пример такого диэлектрика – молекула водорода. Если такой диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то направления векторов сил, действующих на положительные и отрицательные заряды, будут противоположными. В результате молекула деформируется и превращается в диполь. При внесении диэлектрика в электрическое поле происходит его поляризация.

Поляризация диэлектрика – процесс смещения в противоположные стороны разноименных связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества в электрическом поле.

Если диэлектрик неполярный, то в его молекулах происходит смещение положительных и отрицательных зарядов. На поверхности диэлектрика появятся поверхностные связанные заряды. Связанными эти заряды называют потому, что они не могут свободно перемещаться отдельно друг от друга.

Внутри диэлектрика суммарный заряд равен нулю, а на поверхностях заряды не скомпенсированы и создают внутри диэлектрика поле, вектор напряженности которого направлен противоположно вектору напряженности внешнего поля. Это значит, что внутри диэлектрика поле имеет меньшую напряженность, чем в вакууме.

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля в вакууме к модулю напряженности электрического поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества:

В полярном диэлектрике во внешнем электрическом поле происходит поворот диполей, и они выстраиваются вдоль линий напряженности.

Если внесенный в электрическое поле диэлектрик разрезать, то его части будут электрически нейтральны.

Электрическая емкость. Конденсатор

Электрическая емкость (электроемкость) – скалярная физическая величина, характеризующая способность уединенного проводника удерживать электрический заряд.

Обозначение – ​( C )​, единица измерения в СИ – фарад (Ф).

Уединенный проводник – это проводник, удаленный от других проводников и заряженных тел.

Фарад – электроемкость такого уединенного проводника, потенциал которого изменяется на 1 В при сообщении ему заряда 1 Кл:

Формула для вычисления электроемкости:

где ​( q )​ – заряд проводника, ​( varphi )​ – его потенциал.

Электроемкость зависит от его линейных размеров и геометрической формы. Электроемкость не зависит от материала проводника и его агрегатного состояния. Электроемкость проводника прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости среды, в которой он находится.

Конденсатор – это система из двух проводников, разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.

Проводники называют обкладками конденсатора. Заряды обкладок конденсатора равны по величине и противоположны по знаку заряда. Электрическое поле сосредоточено между обкладками конденсатора. Конденсаторы используют для накопления электрических зарядов.

Электроемкость конденсатора рассчитывается по формуле:

где ​( q )​ – модуль заряда одной из обкладок,
​( U )​ – разность потенциалов между обкладками.

Электроемкость конденсатора зависит от линейных размеров и геометрической формы и расстояния между проводниками. Электроемкость конденсатора прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости вещества между проводниками.

Плоский конденсатор представляет две параллельные пластины площадью ​( S )​, находящиеся на расстоянии ​( d )​ друг от друга.

Электроемкость плоского конденсатора:

где ​( varepsilon )​ – диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками,
( varepsilon_0 ) – электрическая постоянная.

На электрической схеме конденсатор обозначается:

Виды конденсаторов:

• по типу диэлектрика – воздушный, бумажный и т. д.;
• по форме – плоский, цилиндрический, сферический;
• по электроемкости – постоянной и переменной емкости.

Конденсаторы можно соединять между собой.

Параллельное соединение конденсаторов

При параллельном соединении конденсаторы соединяются одноименно заряженными обкладками. Напряжения конденсаторов равны:

Общая емкость:

Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении конденсаторов соединяют их разноименно заряженные обкладки.

Заряды конденсаторов при таком соединении равны:

Общее напряжение:

Величина, обратная общей емкости:

При таком соединении общая емкость всегда меньше емкостей отдельных конденсаторов.

Важно!
Если конденсатор подключен к источнику тока, то разность потенциалов между его обкладками не изменяется при изменении электроемкости и равна напряжению источника. Если конденсатор заряжен до некоторой разности потенциалов и отключен от источника тока, то его заряд не изменяется при изменении электроемкости.

Применение конденсаторов
Конденсаторы используются в радиоэлектронных приборах как накопители заряда, для сглаживания пульсаций в выпрямителях переменного тока.

Энергия электрического поля конденсатора

Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор.

Электрическая энергия конденсатора сосредоточена в пространстве между обкладками конденсатора, то есть в электрическом поле, поэтому ее называют энергией электрического поля. Формулы для вычисления энергии электрического поля:

Так как напряженность электрического поля прямо пропорциональна напряжению, то энергия электрического поля конденсатора пропорциональна квадрату напряженности.

Плотность энергии электрического поля:

где ​( V )​ – объем пространства между обкладками конденсатора.

Плотность энергии не зависит от параметров конденсатора, а определяется только напряженностью электрического поля.

Основные формулы раздела «Электрическое поле»