Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ЭЛ)"
Автор книги: Большая Советская Энциклопедия
Жанр:
Энциклопедии
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 47 страниц)
Электрическое поле
Электри'ческое по'ле, частная форма проявления (наряду с магнитным полем) электромагнитного поля , определяющая действие на электрический заряд силы, не зависящей от скорости его движения. Представление об Э. п. было введено в науку М. Фарадеем в 30-х гг. 19 в. Согласно Фарадею, каждый покоящийся заряд создаёт в окружающем пространстве Э. п. Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот; так осуществляется взаимодействие зарядов (концепция близкодействия). Основная количественная характеристика Э. п. – напряжённость электрического поля Е, которая определяется как отношение силы F, действующей на заряд, к величине заряда q , Е = F/q. Э. п. в среде наряду с напряжённостью характеризуется вектором электрической индукции (см. Индукция электрическая и магнитная). Распределение Э. п. в пространстве наглядно изображается с помощью силовых линий напряжённости Э. п. Силовые линии потенциального Э. п., порождаемого электрическими зарядами, начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных. Силовые линии вихревого Э. п., порождаемого переменным магнитным полем, замкнуты.
Напряжённость Э. п. удовлетворяет принципу суперпозиции, согласно которому в данной точке пространства напряжённость поля Е, создаваемого несколькими зарядами, равна сумме напряжённостей полей (E1, E2, E2,... ) отдельных зарядов: Е = E1 + E2 + E3 +... Суперпозиция полей вытекает из линейности Максвелла уравнений .
Лит.: Тамм И. Е., Основы теории электричества, 9 изд., М., 1976, гл. 1, 6; Калашников С. Г., Электричество, 4 изд., М., 1977 (Общий курс физики), гл. 2, 13.
Г. Я. Мякишев.
Электрическое поле атмосферы
Электри'ческое по'ле атмосфе'ры, стационарное электрическое поле, создаваемое электрическими объёмными зарядами в атмосфере, собственным зарядом Земли и зарядами, индуцированными в атмосфере. Характеристики Э. п. а. – напряжённость поля и его потенциал – зависят также от распределения проводимости атмосферы , а следовательно, от метеорологических факторов: туманов, облаков, осадков, метелей, запыления и ионизации атмосферы, вулканических извержений и т. д. Поэтому Э. п. а. в разных точках атмосферы различно и испытывает значительные изменения во времени. Вблизи земной поверхности напряжённость Э. п. а. зависит от формы рельефа – она усиливается около выступающих элементов ландшафта, строений, высотных мачт и ослабевает во впадинах рельефа, на улицах городов и т. д. См. Атмосферное электричество .
Лит.: Имянитов И, М., Чубарина Е. В., Электричество свободной атмосферы, Л., 1965; Имянитов И. М., Чубарина Е. В., Шварц Я. М., Электричество облаков, Л., 1971; Чалмерс Дж. А., Атмосферное электричество, пер. с англ., Л., 1974.
И. М. Имянитов.
Электрическое поле Земли
Электри'ческое по'ле Земли', естественное электрическое поле Земли как планеты, которое наблюдается в твёрдом теле Земли, в морях, в атмосфере и магнитосфере. Э. п. 3. обусловлено сложным комплексом геофизических явлений. Распределение потенциала поля несёт в себе определённую информацию о строении Земли, о процессах, протекающих в нижних слоях атмосферы, в ионосфере, магнитосфере, а также в ближнем межпланетном пространстве и на Солнце.
Методика измерения Э. п. 3. определяется той средой, в которой наблюдается поле. Наиболее универсальный способ – определение разности потенциалов при помощи разнесённых в пространстве электродов. Этот способ применяется при регистрации земных токов (см. Теллурические токи ), при измерении с летательных аппаратов электрического поля атмосферы, а с космических аппаратов – магнитосферы и космического пространства (при этом расстояние между электродами должно превышать дебаевский радиус экранирования в космической плазме, т. е. составлять сотни метров).
Существование электрического поля в атмосфере Земли связано в основном с процессами ионизации воздуха и пространственным разделением возникающих при ионизации положительных и отрицательных электрических зарядов. Ионизация воздуха происходит под действием космических лучей ультрафиолетового излучения Солнца; излучения радиоактивных веществ, имеющихся на поверхности Земли и в воздухе; электрических разрядов в атмосфере и т. д. Многие атмосферные процессы: конвекция образование облаков, осадки и другие – приводят к частичному разделению разноимённых зарядов и возникновению атмосферных электрических полей (см. Атмосферное электричество ). Относительно атмосферы поверхность Земли заряжена отрицательно.
Существование электрического поля атмосферы приводит к возникновению токов, разряжающих электрический «конденсатор» атмосфера – Земля. В обмене зарядами между поверхностью Земли и атмосферой значительную роль играют осадки. В среднем осадки приносят положительных зарядов в 1,1—1,4 раза больше, чем отрицательных. Утечка зарядов из атмосферы восполняется также за счёт токов, связанных с молниями и отеканием зарядов с остроконечных предметов (острий). Баланс электрических зарядов, приносимых на земную поверхность площадью 1 км2 за год, можно характеризовать следующими данными:
Ток проводимости + 60 к/(км2 ·год)
Токи осадков + 20 »
Разряды молний – 20 »
Токи с остриёв – 100 »
__________________________
Всего – 40 к/(км2 ·год)
На значительной части земной поверхности – над океанами – токи с остриёв исключаются, и здесь будет положительный баланс. Существование статического отрицательного заряда на поверхности Земли (около 5,7×105к ) говорит о том, что эти токи в среднем сбалансированы.
Электрические поля в ионосфере обусловлены процессами, протекающими как в верхних слоях атмосферы, так и в магнитосфере. Приливные движения воздушный масс, ветры, турбулентность – всё это является источником генерации электрического поля в ионосфере благодаря эффекту гидромагнитного динамо (см. Земной магнетизм ) Примером может служить солнечно-суточная электрическая токовая система, которая вызывает на поверхности Земли суточные вариации магнитного поля. Величина напряжённости электрического поля в ионосфере зависит от местоположения точки наблюдения, времени суток, общего состояния магнитосферы и ионосферы, от активности Солнца. Она колеблется от нескольких единиц до десятков мв /м, а в высокоширотной ионосфере достигает ста и более мв/м. При этом сила тока доходит до сотен тысяч ампер. Из-за высокой электропроводности плазмы ионосферы и магнитосферы вдоль силовых линий магнитного поля Земли электрического поля ионосферы переносятся в магнитосферу, а магнитосферные поля в ионосферу.
Одним из непосредственных источников электрического поля в магнитосфере является солнечный ветер . При обтекании магнитосферы солнечным ветром возникает эдс Е = v ´b^ , где b^– нормальная компонента магнитного поля на поверхности магнитосферы, v — средняя скорость частиц солнечного ветра.
Эта эдс вызывает электрические токи, замыкающиеся обратными токами, текущими поперёк хвоста магнитосферы (см. Земля ). Последние порождаются положительными пространственными зарядами на утренней стороне хвоста магнитосферы и отрицательными – на его вечерней стороне. Величина напряженности электрического поля поперёк хвоста магнитосферы достигает 1 мв /м. Разность потенциалов поперёк полярной шапки составляет 20—100 кв.
Ещё один механизм возбуждения эдс в магнитосфере связан с коллапсом противоположно направленных силовых линий магнитного поля в хвостовой части магнитосферы; освобождающаяся при этом энергия вызывает бурное перемещение магнитосферной плазмы к Земле. При этом электроны дрейфуют вокруг Земли к утренней стороне, протоны – к вечерней. Разность потенциалов между центрами эквивалентных объемных зарядов достигает десятков киловольт. Это поле противоположно по направлению полю хвостовой части магнитосферы.
С дрейфом частиц непосредственно связано существование магнитосферного кольцевого тока вокруг Земли. В периоды магнитных бурь и полярных сияний электрические поля и токи в магнитосфере и ионосфере испытывают значительные изменения.
Магнитогидродинамические волны, генерируемые в магнитосфере, распространяются по естественным волноводным каналам вдоль силовых линии магнитного поля Земли. Попадая в ионосферу, они преобразуются в электромагнитные волны, которые частично доходят до поверхности Земли, а частично распространяются в ионосферном волноводе и затухают, На поверхности Земли эти волны регистрируются в зависимости от частоты колебаний либо как магнитные пульсации (10-2 —10 гц ), либо как очень низкочастотные волны (колебания с частотой 102 —104гц ).
Переменное магнитное поле Земли, источники которого локализованы в ионосфере и магнитосфере, индуцирует электрическое поле в земной коре. Напряжённость электрического поля в приповерхностном слое коры колеблется в зависимости от места и электрического сопротивления пород в пределах от нескольких единиц до нескольких сотен мв /км, а во время магнитных бурь усиливается до единиц и даже десятков в /км. Взаимосвязанные переменные магнитное и электрическое поля Земли используют для электромагнитного зондирования в разведочной геофизике, а также для глубинного зондирования Земли.
Определённый вклад в Э. н. З. вносит контактная разность потенциалов между породами различной электропроводности (термоэлектрический, электрохимический, пьезоэлектрический эффекты). Особую роль при этом могут играть вулканические и сейсмические процессы.
Электрические поля в морях индуцируются переменным магнитным полем Земли, а также возникают при движении проводящей морской воды (морских волн и течений) в магнитном поле. Плотность электрических токов в морях достигает 10-6 а/м2. Эти токи могут быть использованы как естественные источники переменного магнитного поля для магнитовариационного зондирования на шельфе и в море.
Вопрос об электрическом заряде Земли как источнике электрического поля в межпланетном пространстве окончательно не решён. Считается, что Земля как планета электрически нейтральна. Однако эта гипотеза требует своего экспериментального подтверждения. Первые измерения показали, что напряженность электрического поля в околоземном межпланетном пространстве колеблется в пределах от десятых долей до нескольких десятков мв /м.
Лит.: Тихонов А. Н. Об определении электрических характеристик глубоких слоев земной коры, «Докл. АН СССР», 1950, т. 73, № 2; Тверской П. Н., Курс метеорологии, Л., 1962; Акасофу С. И., Чепмен С., Солнечно-земная физика, пер. с англ., ч. 2, М., 1975.
Ю. П. Сизов.
Электрическое смещение
Электри'ческое смеще'ние, то же, что вектор электрической индукции (см. Индукция электрическая и магнитная). Термин имеет историческое происхождение (введён Дж. К. Максвеллом ), в современной физической литературе не применяется.
Электрическое сопротивление
Электри'ческое сопротивле'ние
1) величина, характеризующая противодействие электрической цепи (или её участка) электрическому току , измеряется в омах . Э. с. обусловлено передачей или преобразованием электрической энергии в другие виды: при необратимом преобразовании электрической энергии (преимущественно в тепловую) Э. с. называется сопротивлением активным ; Э. с., обусловленное передачей энергии электрическому или магнитному полю (и обратно), называется сопротивлением реактивным .
При постоянном токе Э с цепи (обозначается R ) в соответствии с Ома законом равно отношению приложенного к ней напряжения U к силе протекающего тока I (при отсутствии в цепи других источников тока или эдс).
При переменном токе (синусоидальном) Э. с. цепи равно 
, где r – активное сопротивление, а x —реактивное сопротивление цепи, определяемое наличием в цепи индуктивности и электрической емкости (см. Сопротивление индуктивное , Сопротивление ёмкостное ); величина Z называется полным электрическим сопротивлением.
Активное сопротивление элемента электрической цепи зависит как от формы элемента и его размеров, так и от материала, из которого он изготовлен. Для однородного по составу элемента в виде бруска, пластины, трубки или проволоки при постоянном его сечении S и длине l, 
. По удельному сопротивлению все вещества делятся на проводники (см. Металлы , Проводники ), полупроводники (см. Полупроводники , Полупроводниковые материалы ), изоляторы (см. Диэлектрики , Электроизоляционные материалы ). При очень низких температурах Э. с. некоторых металлов и сплавов падает до нуля (см. Сверхпроводимость , Сверхпроводники ). Часто вместо удельного сопротивления, особенно при рассмотрении физической природы Э. с., вводят величину, обратную удельному Э. с.,– электропроводность .
2) Термин «Э. с.» в обиходе часто употребляют применительно к резистору или какому-либо другому элементу, присоединяемому к электрической цепи, например для ограничения или регулирования силы тока в ней (см. Шунт , Реостат , Потенциометр ).
Лит. см. при ст. Электропроводность .
Электричество
Электри'чество, совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически заряженных тел или частиц. Взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью электромагнитного поля (в случае неподвижных электрических зарядов – электростатического поля; см. Электростатика ). Движущиеся заряды (электрический ток ) наряду с электрическим возбуждают и магнитное поле, т. е. порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие (учение о магнетизме , т. о., является составной частью общего учения об Э.). Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой , в основе которой лежат Максвелла уравнения .
Законы классической теории Э. охватывают огромную совокупность электромагнитных процессов. Среди 4 типов взаимодействий (электромагнитных, гравитационных, сильных и слабых), существующих в природе, электромагнитные занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. Это связано с тем, что все тела построены из электрически заряженных частиц противоположных знаков, взаимодействия между которыми, с одной стороны, на много порядков интенсивнее гравитационных и слабых, а с другой – являются дальнодействующими в отличие от сильных взаимодействий. Строение атомных оболочек, сцепление атомов в молекулы (химические силы) и образование конденсированного вещества определяются электромагнитным взаимодействием.
Историческая справка. Простейшие электрические и магнитные явления известны ещё с глубокой древности. Были найдены минералы, притягивающие кусочки железа, а также обнаружено, что янтарь (греч. электрон, elektron, отсюда термин Э.), потёртый о шерсть, притягивает лёгкие предметы (электризация трением). Однако лишь в 1600 У. Гильберт впервые установил различие между электрическими и магнитными явлениями. Он открыл существование магнитных полюсов и неотделимость их друг от друга, а также установил, что земной шар – гигантский магнит.
В 17 – 1-й половине 18 вв. проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами, были построены первые электростатические машины, основанные на электризации трением, установлено существование электрических зарядов двух родов (Ш. Дюфе ), обнаружена электропроводность металлов (английский учёный С. Грей). С изобретением первого конденсатора – лейденской банки (1745) – появилась возможность накапливать большие электрические заряды. В 1747—53 Б. Франклин изложил первую последовательную теорию электрических явлений, окончательно установил электрическую природу молнии и изобрёл молниеотвод.
Во 2-й половине 18 в. началось количественное изучение электрических и магнитных явлений. Появились первые измерительные приборы – электроскопы различных конструкций, электрометры. Г. Кавендиш (1773) и Ш. Кулон (1785) экспериментально установили закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов (работы Кавендиша были опубликованы лишь в 1879). Этот основной закон электростатики (Кулона закон ) впервые позволил создать метод измерения электрических зарядов по силам взаимодействия между ними. Кулон установил также закон взаимодействия между полюсами длинных магнитов и ввёл понятие о магнитных зарядах, сосредоточенных на концах магнитов.
Следующий этап в развитии науки об Э. связан с открытием в конце 18 в. Л. Гальвани «животного электричества» и работами А. Вольты , который правильно истолковал опыты Гальвани присутствием в замкнутой цепи 2 разнородных металлов в жидкости и изобрёл первый источник электрического тока – гальванический элемент (т. н. вольтов столб , 1800), создающий непрерывный (постоянный) ток в течение длительного времени. В 1802 В. В. Петров , построив гальванический элемент значительно большей мощности, открыл электрическую дугу, исследовал её свойства и указал на возможность применений её для освещения, а также для плавления и сварки металлов. Г. Дэви электролизом водных растворов щелочей получил (1807) неизвестные ранее металлы – натрий и калий. Дж. П. Джоуль установил (1841), что количество теплоты, выделяемой в проводнике электрическим током, пропорционально квадрату силы тока; этот закон был обоснован (1842) точными экспериментами Э. Х. Ленца (закон Джоуля – Ленца). Г. Ом установил (1826) количественную зависимость электрического тока от напряжения в цепи. К. ф. Гаусс сформулировал (1830) основную теорему электростатики (см. Гаусса теорема ).
Наиболее фундаментальное открытие было сделано Х. Эрстедом в 1820; он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку – явление, свидетельствовавшее о связи между электричеством и магнетизмом. Вслед за этим в том же году А. М. Ампер установил закон взаимодействия электрических токов (Ампера закон ). Он показал также, что свойства постоянных магнитов могут быть объяснены на основе предположения о том, что в молекулах намагниченных тел циркулируют постоянные электрические токи (молекулярные токи). Т. о., согласно Амперу, все магнитные явления сводятся к взаимодействиям токов, магнитных же зарядов не существует. Со времени открытий Эрстеда и Ампера учение о магнетизме сделалось составной частью учения об Э.
Со 2-й четверти 19 в. началось быстрое проникновение Э. в технику. В 20-х гг. появились первые электромагниты. Одним из первых применений Э. был телеграфный аппарат, в 30—40-х гг. построены электродвигатели и генераторы тока, а в 40-х гг.– электрические осветительные устройства и т. д. Практическое применение Э. в дальнейшем всё более возрастало, что в свою очередь оказало существ, влияние на учение об Э.
В 30—40-х гг. 19 в. в развитие науки об Э. внёс большой вклад М. Фарадей – творец общего учения об электромагнитных явлениях, в котором все электрические и магнитные явления рассматриваются с единой точки зрения. С помощью опытов он доказал, что действия электрических зарядов и токов не зависят от способа их получения [до Фарадея различали «обыкновенное» (полученное при электризации трением), атмосферное, «гальваническое», магнитное, термоэлектрическое, «животное» и другие виды Э.]. В 1831 Фарадей открыл индукцию электромагнитную — возбуждение электрического тока в контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Это явление (наблюдавшееся в 1832 также Дж. Генри ) составляет фундамент электротехники . В 1833—34 Фарадей установил законы электролиза ; эти его работы положили начало электрохимии. В дальнейшем он, пытаясь найти взаимосвязь электрических и магнитных явлений с оптическими, открыл поляризацию диэлектриков (1837), явления парамагнетизма и диамагнетизма (1845), магнитное вращение плоскости поляризации света (1845) и др.
Фарадей впервые ввёл представление об электрическом и магнитном полях. Он отрицал концепцию дальнодействия, сторонники которой считали, что тела непосредственно (через пустоту) на расстоянии действуют друг на друга. Согласно идеям Фарадея, взаимодействие между зарядами и токами осуществляется посредством промежуточных агентов: заряды и токи создают в окружающем пространстве электрическое или (соответственно) магнитное поля, с помощью которых взаимодействие передаётся от точки к точке (концепция близкодействия). В основе его представлений об электрическом и магнитном полях лежало понятие силовых линий , которые он рассматривал как механические образования в гипотетической среде – эфире , подобные растянутым упругим нитям или шнурам.
Идеи Фарадея о реальности электромагнитного поля не сразу получили признание. Первая математическая формулировка законов электромагнитной индукции была дана ф. Нейманом в 1845 на языке концепции дальнодействия. Им же были введены важные понятия коэффициентов само– и взаимоиндукции токов. Значение этих понятий полностью раскрылось позднее, когда У. Томсон (лорд Кельвин) развил (1853) теорию электрических колебаний в контуре, состоящем из конденсатора (электроёмкость) и катушки (индуктивность).
Большое значение для развития учения об Э. имело создание новых приборов и методов электрических измерений, а также единая система электрических и магнитных единиц измерений, созданная Гауссом и В. Вебером (см. Гаусса система единиц ). В 1846 Вебер указал на связь силы тока с плотностью электрических зарядов в проводнике и скоростью их упорядоченного перемещения. Он установил также закон взаимодействия движущихся точечных зарядов, который содержал новую универсальную электродинамическую постоянную, представляющую собой отношение электростатических и электромагнитных единиц заряда и имеющую размерность скорости. При экспериментальном определении (Вебер и ф. Кольрауш , 1856) этой постоянной было получено значение, близкое к скорости света; это явилось определённым указанием на связь электромагнитных явлений с оптическими.
В 1861—73 учение об Э. получило своё развитие и завершение в работах Дж. К. Максвелла . Опираясь на эмпирические законы электромагнитных явлений и введя гипотезу о порождении магнитного поля переменным электрическим полем, Максвелл сформулировал фундаментальные уравнения классической электродинамики, названные его именем. При этом он, подобно Фарадею, рассматривал электромагнитные явления как некоторую форму механических процессов в эфире. Главное новое следствие, вытекающее из этих уравнений, – существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Уравнения Максвелла легли в основу электромагнитной теории света. Решающее подтверждение теория Максвелла нашла в 1886—89, когда Г. Герц экспериментально установил существование электромагнитных волн. После его открытия были предприняты попытки установить связь с помощью электромагнитных волн, завершившиеся созданием радио, и начались интенсивные исследования в области радиотехники .
В конце 19 – начале 20 вв. начался новый этап в развитии теории Э. Исследования электрических разрядов увенчались открытием Дж. Дж. Томсоном дискретности электрических зарядов. В 1897 он измерил отношение заряда электрона к его массе, а в 1898 определил абсолютную величину заряда электрона. Х. Лоренц , опираясь на открытие Томсона и выводы молекулярно-кинетической теории, заложил основы электронной теории строения вещества (см. Лоренца – Максвелла уравнения ). В классической электронной теории вещество рассматривается как совокупность электрически заряженных частиц, движение которых подчинено законам классической механики. Уравнения Максвелла получаются из уравнений электронной теории статистическим усреднением.
Попытки применения законов классической электродинамики к исследованию электромагнитных процессов в движущихся средах натолкнулись на существенные трудности. Стремясь разрешить их, А. Эйнштейн пришёл (1905) к относительности теории . Эта теория окончательно опровергла идею существования эфира, наделённого механическими свойствами. После создания теории относительности стало очевидно, что законы электродинамики не могут быть сведены к законам классической механики.
На малых пространственно-временных интервалах становятся существенными квантовые свойства электромагнитного поля, не учитываемые классической теорией Э. Квантовая теория электромагнитных процессов – квантовая электродинамика — была создана во 2-й четверти 20 в. Квантовая теория вещества и поля уже выходит за пределы учения об Э., изучает более фундаментальные проблемы, касающиеся законов движения элементарных частиц и их строения.
С открытием новых фактов и созданием новых теорий значение классического учения об Э. не уменьшилось, были определены лишь границы применимости классической электродинамики. В этих пределах уравнения Максвелла и классическая электронная теория сохраняют силу, являясь фундаментом современной теории Э. Классическая электродинамика составляет основу большинства разделов электротехники, радиотехники, электроники и оптики (исключение составляет квантовая электроника). С помощью её уравнений было решено огромное число задач теоретического и прикладного характера. В частности, многочисленные проблемы поведения плазмы в лабораторных условиях и в космосе решаются с помощью уравнений Максвелла (см. Плазма , Управляемый термоядерный синтез , Звёзды ).
Лит.: Кудрявцев П. С., История физики, М., 1956; Льоцци М., История физики, пер. с итал., М., 1970; Максвелл Дж. К., Избр. соч. по теории электромагнитного поля, [пер. с англ.], М., 1952; Лоренц Г. А., Теория электронов и ее применение к явлениям света и тепловою излучения, пер. с англ., 2 изд., М., 1953; Тамм И. Е., Основы теории электричества, 9 изд., М., 1976.
Г. Я. Мякишев.
