Электрический заряд. Электромагнитное поле

Центральными для электромагнетизма являются понятия электрического заряда и электромагнитного поля.

С точки зрения классической электродинамики электрический заряд характеризует способность заряженной частицы участвовать в электромагнитном взаимодействии и определяет интенсивность этого взаимодействия. Фундаментальными свойствами электри­ческих зарядов являются:

- знакопеременность: заряды бывают положительные и отри­цательные;

- независимость от скорости движения носителя заряда;

- аддитивность: заряд любой системы равен сумме зарядов ее частей;

- кратность элементарному заряду - заряду электрона -

Кл;

- сохраняемость заряда: по закону сохранения заряда суммар­ный электрический заряд всякой электрически изолированной системы сохраняется.

Заряды могут быть сосредоточенные и распределенные. Рас­пределение заряда q по объему V в общем случае характеризуется объемной плотностью заряда (МП 3.1). Это означает, что в малом элементе объема dV существует электрический заряд dq. Полный заряд, находящийся в объеме V, определяется интегрированием ρ по объему: (МП 3.2).

Направленное движение электрических зарядов называется электрическим током. Ток характеризуется скаляром - силой тока. За направление тока принимается направление движения положительных зарядов. Векторная: характеристика тока - плот­ность тока. Сила тока является потоком вектора плотности тока (МП 5.3) через площадь сечения S проводника:

.

Плотность заряда и плотность тока — локальные характерис­тики, относящиеся к некоторой точке пространства. Плотность тока связана с объемной плотностью заряда выражением , — средняя скорость движения зарядов, находящихся в бесконечно малом объеме в окрестностях данной точки.

При рассмотрении на квантовом уровне (см. ниже, гл. 4) ока­зывается, что электромагнитное взаимодействие между заряжен­ными телами и частицами осуществляется путем обмена так называемыми виртуальными фотонами, являющимися переносчи­ками взаимодействия, а заряд определяет вероятность возник­новения виртуальных фотонов.

В неквантовой области переносчиком электромагнитного взаимодействия является электромагнитное поле - вид материи, отличный от вещества и не сводимый ни к частицам, ни к коле­баниям какой-либо среды. Материальность поля проявляется, в частности, в том, что полю присущи энергия, импульс, момент импульса. В макроскопическом рассмотрении эти величины счи­таются равномерно распределенными с некоторой плотностью во всем объеме, занимаемом полем. Электромагнитные поля возни­кают вокруг зарядов (неподвижных и движущихся, т. е. токов); от которых распространяются в окружающее пространство. По этой причине электромагнитные поля действуют на заряды и токи. Электромагнитное поле не локализовано в четко ограниченных областях пространства, обладает проницаемостью — в одной об­ласти пространства может существовать одновременно несколько полей, созданных различными источниками.