Электромагнитное взаимодействие
Мы помогаем студентам с дипломными, курсовыми, контрольными Узнать стоимость

Электромагнитное взаимодействие

    Для начала введем основное определение.

    Определение 1

    Электромагнитное взаимодействие – это взаимодействие, осуществляемое между заряженным телом (или несколькими телами) и электромагнитным полем.

    Электромагнитное поле в данном случае выступает основным проводником между заряженными частицами.

    Электромагнитное взаимодействие относится к так называемым фундаментальным взаимодействиям (наряду с сильным, слабым и гравитационным). Его проявления видны повсюду в окружающем нас мире. Электромагнитная природа характерна для многих сил в механике, например, сил упругости, натяжения и других.

    Источником электромагнитного поля служат заряженные частицы. Взаимодействие нейтральных (лишенных заряда) частиц осуществляется благодаря квантовым эффектам или особенностям их сложной внутренней структуры. Именно это является основным отличием электромагнитного поля от гравитационного, сила воздействия которого распространяется на все частицы без исключения. Однако именно электромагнитное взаимодействие обеспечивает существование молекул и атомов, потому что они связаны между собой электромагнитными силами. Таким образом, именно этот тип взаимодействия лежит в основе всех явлений на нашей планете.

    Электромагнитную природу имеют и химические силы, поскольку они объединяют атомы в молекулы. Сила воздействия электромагнитного поля значительно больше, чем гравитационного. В отличие от сильного и слабого взаимодействия радиусом его действия является бесконечность. Такую особенность можно объяснить тем, что главным переносчиком электромагнитного поля является фотон, не имеющий массы.

    От слабого взаимодействия электромагнитные силы также отличаются тем, что по отношению к заряду и пространству они всегда сохраняют свою четность. Однако в отличие от сильного взаимодействия, в нем не происходит сохранения изотопического спина.

    Сравнение сил электромагнитного взаимодействия с гравитационными

    Попробуем сравнить электромагнитное взаимодействие с гравитационным на основе их отношения к протону. Он является стабильной частицей с массой mp=1,67·10-27 кг и зарядом qp=1,6·10-19 Кл.

    Параметр сравнения Электромагнитное взаимодействие Гравитационное взаимодействие
    1 Источник Электрический заряд Тензор энергии-импульса
    2 Продолжительность 10-21 c 1016 с
    3 Тип проявления Существование молекул, атомов и химических сил Универсальное с участием всех частиц
    4 Радиус распространения Бесконечный Бесконечный
    5 Переносчик Фотон Гравитон
    6 Какие частицы взаимодействуют Заряженные частицы, нейтральные частицы с определенной структурой Все без исключения
    7 Статическая сила взаимодействия между протонами Fe=qp24πεε0r2, где ε0=8,8·10-12Фм является электрической постоянной, ε - диэлектрической проницаемостью среды, а r – расстоянием между частицами. Fg=Gmp2r2 где показатель G равен 6,67·10-11м3кгс2, а r означает расстояние между частицами.

    Что такое постоянная электромагнитного взаимодействия

    Определение 2

    Существует важная величина, называемая постоянной электромагнитного взаимодействия, которая выражается так:

    a=e24πε0hc.

    Здесь заряд электрона будет равен e=-1,6·10-19 Кл, а скорость света, распространяющегося в вакууме, – h=h2π=1,05·10-34Дж·c, c=3·108 мс. Вычислим значение постоянной:

    α=(1,6·10-19)24·3,14·8,8·10-12·1,05·10-343·1082,56·10-38348,15·10-381137.

    Разберем несколько примеров применения постоянной в решении задач.

    Пример 1

    Условие: в вакууме на расстоянии одного метра находятся два протона. Определите силу электростатического и гравитационного взаимодействия между ними.

    Решение

    Чтобы найти силу гравитации, нам нужно использовать формулу Fg=Gmp2r2. Здесь расстояние между частицами будет равно G=6,67·10-11 м3кгс2, а mp=1,67·10-27 кг.

    Вычислим значение с учетом этих данных:

    Fg=6,67·10-111,67·10-27212=18,6·10-45 (Н).

    Для нахождения силы электростатического взаимодействия нам потребуется закон Кулона:

    Fe=qp24πεε0r2.

    Здесь электрическая постоянная будет равна ε0=8,8·10-12Фм. Буквой ε обозначена диэлектрическая проницаемость среды. В вакууме значение данного параметра будет равно единице. Заряд протона такой же, как у электрона, но с противоположным знаком: qp=1,6·10-19 Кл.

    У нас есть все нужные данные для расчета. Вычислим ответ:

    Fe=1,6·10-1924·3,14·8,8·10-12·12=2,56·10-38110,53·10-12=2,31·10-28 (Н).

    Ответ: итоги расчета говорят нам о том, что два протона будут испытывать силу гравитационного притяжения на заданном расстоянии, равную 18, 6·10-45 Н. Электростатическое отталкивание в этом случае будет значительно больше: 2,31·10-28 Н.

    Пример 2

    Условие: найдите значение удельного заряда частицы, при котором сила гравитационного воздействия будет равна по модулю силе электростатического. Взаимодействующие частицы при этом будут одинаковы.

    Решение

    Решить эту задачу можно с помощью закона всемирной гравитации и закона Кулона.

    Fg=Gm2r2, буквой m обозначена масса частицы, G – гравитационная постоянная, а r ­ расстояние, на котором расположены частицы.

    Fe=q24πεε0r2, буквой q обозначен заряд каждой частицы, ε0 – электрическая постоянная, а r ­ расстояние между частицами.

    Согласно первоначальным условиям, Fg=Fe, значит, Gm2r2=q24πεε0r2 и 4πεε0Gm2=q2qm=4πεε0G.

    Допустим, что данные частицы находятся в вакууме, тогда ε=1. Зная, что значение гравитационной постоянной G=6,67·10-11м3кгс2, а электрической – ε0=8,8·10-12 Фм, можем вычислить ответ:

    qm=4·3,14·8,8·10-12·6,67·10-118,9·10-11.

    Ответ: искомый заряд частицы будет равен 8,9·10-11 Клкг.

    Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
    Средняя оценка статьи
    4,6 из 5 (8 голосов)