• ელექტროდინამიკა
• ელექტრული ველი

ნიუტონის მექანიკაში სხეულის გრავიტაციული მასის ცნების მსგავსად, ელექტროდინამიკაში მუხტის ცნება პირველად, ძირითად ცნებას წარმოადგენს.

ელექტრული მუხტი ფიზიკური სიდიდეა, რომელიც ნაწილაკების ან სხეულების ელექტრომაგნიტურ ურთიერთქმედების უნარს ახასიათებს.

ელექტრულ მუხტს, ჩვეულებრივ, q ან Q ასოებით აღნიშნავენ.

ყველა ცნობილი ექპერიმენტული ფაქტის ერთობლიობა საშუალებას იძლევა გავაკეთოდ შემდეგი დასკვნა:

 

• არსებობს ორი სახის მუხტი, რომლებსაც პირობითად დადებითს და უარყოფის უწოდებენ.
• მუხტები შეიძლება ერთი სხეულიდან მეორეზე გადაეცეს (მაგალითად, უშუალო კონტაქტისას). სხეულის მასისგან განსხვავებით ელექტრული მუხტი არ წარმოადგენს მოცემული სხეულის განუყოფელ თვისებას. ერთი და იგივე სხეულს სხვადასხვა პირობებში შეიძლება სხვადასხვა მუხტი ჰქონდეს.
• ერთსახელიანი მუხტები განიზიდებიან, სხვადასხვა სახელიანი მიხტები – მიიზიდებიან. ამაშიც ასევე ვლინდება პრინციპული განსხვავება ელექტრომაგნიტურ და გრავიტაციულ ძალებს შორის. გრავიტაციული ძალები ყოველთვის მიზიდულობის ძალებია.

ბუნების ერთ-ერთ ფუნდამენტურ კანონს ექსპერიმენტულად დადგენილი ელექტრული მუხტის შენახვის კანონი წარმოადგენს.

იზოლირებულ სისტემაში ყველა სხეულის მუხტების ალგებრული ჯამი უცვლელი რჩება:

q₁ + q₂ + q₃ + ... +q_n = const.

ელექტრული მუხტის  შენახვის კანონი ამტკიცებს, რომ ჩაკეტილ სისტემაში არ შეიძლება იქნეს დაკვირვებული ერთიდაიგივე ნიშნიანი მუხტის დაბადების ან გაქრობის პროცესები.

თანამედროვე თვალსაზრისით, მუხტის მატარებლებს ელემენტარული ნაწილაკები წარმოადგენან. ყველა ჩვეულებრივი სხეული შედგება ატომებისაგან, რომლის შემადგენლობაშიც შედის დადებითად დამიხტული პროტონები, უარაყოფითად დამუხტული ელექტრონები, და ნეიტრალური ნაწილაკები – ნეიტრონები. პროტონები და ნეიტრონები ატომის ბირთვის შემადგენლობაში შედიან, ელექტრონები ატომის ელექტრონულ გარსს ქმნიან. პროტონისა და ელექტრონის ელექტრული მუხტები მოდულით ზუსტად ერთნაირია და ელემენტარული e მუხტის ტოლია.

ნეიტრალური ატომის ბირთვში პროტონების რიცხვი ტოლია გარსში ელექტრონების რიცხვისა. ამ რიცხვს ატომურ რიცხვს უწოდებენ. მოცემული ნივთიერების ატომს შეუძლია დაკარგოს ერთი ან რამდენიმე ელექტრონი ან მიიერთოს ზედმეტი ელექტრონი. ასეთ შემთხვევებში ნეიტრალური ატომი დადებითად ან უარყოფითად დამუხტულ იონად იქცევა.

მუხტი ერთი სხეულიდან მეორეს მხოლოდ ელემენტარული მუხტის მთელი რიცხვის შემცველი პორციებით გადაეცემა. ამგვარად, სხეულის ელექტრული მუხტი – დისკრეტული სიდიდეა:

 \(q=\pm ne\; (n=0,1,2,....).\)

ფიზიკურ სიდიდეებს, რომლებსაც შეუძლიათ მხოლოდ დისკრეტული მნიშვნელობების მიღება დაქვანტულს უწოდებენ. ელემენტარული მუხტი ელექტრული მუხტის ქვანტს წარმოადგენს (უმცირესი პორცია). უნდა აღინიშნოს, რომ ელემენტარული ნაწილაკების თანამედროვე ფიზიკაში ვარაუდობენ ე. წ. კვარკების არსებობას – ნაწილაკები

\(\pm\frac{1}{3}e\)      \(\pm\frac{2}{3}e\)

წილადური მუხტით, მაგრამ ჯერჯერობით თავისუფალ მდგომარეობაში კვარკები დაკვირვებული არაა.

ჩვეულებრივ ლაბორატორიულ ცდებში ელექტრული მუხტის აღმოსაჩენად და გასაზომად იყენებენ ელექტრომეტრს – ხელსაწყოს, რომელიც შედგება მეტალური ღეროსა და ჰორიზონტული ღერძის გარშემო მბრუნავი ისრისაგან (ნახ. 1).

ღერო ისრით, იზოლირებულია მეტალის კორპუსიდან. დამუხტულ სხეულთან ელექტრომეტრის ღეროსთან შეხებისას, ერთი ნიშნის მქონე მუხტი ნაწილდება ღეროსა და ისარზე. ელექტრული განზიდულობის ძალები იწვევენ ისრის გარკვეული კუთხით მობრუნებას, რომლის მიხედვითაც შეიძლება ვიმსჯელოთ ელექტრომეტრზე გადაცემული მუხტის შესახებ.

ნახ. 1.

მუხტის გადატანა დამუხტული სხეულიდან ელექტრომეტრზე.

 

ელექტრომეტრი საკმაოდ უხეში ხელსაწყოა; ის მუხტების ურთიერთქმედების ძალების გაზომვის საშუალებას არ იძლევა. უძრავი მუხტების ურთიერთქმედების კანონი აღმოაჩინა ფრანგმა ფიზიკოსმა შ.კულონმა  1785 წელს. თავის ცდებში კულონი ზომავდა დამუხტული ბურთულების მიზიდვისა და განზიდვის ძალებს მის მიერვე კონსტრუირებული ხელსაწყოს – გრეხითი სასწორის საშუალებით (ნახ. 2), რომელიც ძალიან დიდი მგრძნობიარობით გამოირჩევა. ასე მაგალითად, სასწორის ბალანსი 1°-ით მობრუნდება 10^–9 ნ რიგის ძალის მოქმედებით.

გაზომვის იდეა ემყარებოდა კულონის ბრწყინვალე ეჭვს იმის შესახებ, რომ თუ დამუხტულ ბურთულას შევახებთ ზუსტად ისეთივე დაუმუხტავ ბურთულას, მაშინ პირველის მუხტი  მათ შორის ზუსტად თანაბრად განაწილდება. ამგვარად, ნაჩვენები იყო ბურთულას ორჯერ, სამჯერ და ა.შ. მუხტის გაზომვის გზა. კულონის ცდებში ურთიერთქმედება იზომებოდა ისეთ ბურთულებს შორის რომელთა ზომები გაცილებით ნაკლები იყო მათ შორის მანძილზე. ასეთ დამუხტულ სხეულებს წერტილოვან მუხტებს უწოდებენ.

წერტილოვანი მუხტი ეწოდება დამუხტულ სხეულს, რომლის ზომების უგულებელყოფა შესაძლებელია მოცემული ამოცანის პორობებში.

 

   

 

ნახ. 2.

კულონის ხელსაწყო

 

 

ნახ. *3.

ერთსახელიანი და სხვადასხვა სახელიანი მუხტების ურთიერთქმედების ძალები

 

უძრავი მუხტების ურთიერთქმედების ძალები პირდაპირ პროპორციულია მუხტების მოდულების ნამრავლისა დაუკუპრორორციულია მათ შორის მანძილის   კვადრატისა:

\(F=k\frac{|q_{1}|\cdot |q_{2}|}{r^{2}}.\)

ურთიერთქმედების ძალები ემორჩილებიან ნიუტონის მესამე კანონს: \(\vec{F_{1}}=-\vec{F_{2}}.\) ისინი განზიდვის ძალები არიან ერთნაირ ნიშნიანი მუხტების შემთხვევაში და მიზიდულობისა - სხვადასხვა ნიშნიანი მუხტების შემთხვევაში (ნახ. 3). უძრავი მუხტების ურთიერთქმედებას ელექტროსტატიკურ ან კულონურ ურთიერთქმედებას უწოდებენ. ელექტროდინამიკის განყოფილება რომელიც კულონურ ურთიერთქმედებას სწავლობს ელექტროსტატიკა ეწოდება.

კულონის კანონი სამართლიანია წერტილოვანი დამუხტული სხეულებისათვის. პრაქტიკულად კულონის კანონი კარგად სრულდება, თუ დამუხტული სხეულებოს ზომები ბევრად ნაკლებია მათ შორის მანძილზე.

კულონის კანონში პროპორციულობის k კოეფიციენტი დამოკიდებულია ერთეულების სისტემის შერჩევაზე. საერთაშორისო სი სისტემაში მუხტის ერთეულად მიღებულია კულონი (კ).

კულონი მუხტია, რომელიც სადენის განივკვეთში გადის ერთი წამის განმავლობაში, ერთი ამპერი დენის ძალის დროს. დენის ძალის ერთეული (ამპერი) სი სისტემაში, სიგრძის, დროის და მასის ერთეულიბთან ერთად, ძირითად ერთეულს წარმოადგენს.

 k კოეფიციენტი სი სისტემაში ჩვეულებრივ ჩაიწერება შემდეგი სახით:

\(k=\frac{1}{4\pi \varepsilon_{0}},\)

სადაც \(\varepsilon_{0}=8,85\cdot 10^{-12}\) კლ²/ნ.მ²– ელექტრული მუდმივაა.

სი სისტემაში ელექტრული მუხტი e ტოლია:

ცდა უჩვენებს, რომ კულონური ურთიერთქმედების ძალები სუპერპოზიციის პრინციპს ემორჩილება.

თუ დამუხტული სხეული ერთდროულად რამდენიმე დამუხტულ სხეულთან ურთიერთქმედებს, მაშინ მოცემულ სხეულზე მომქმედი ტოლქმედი ძალა ტოლია ყველა სხვა სხეულის მიერ ამ სხეულზე მომქმედი ძალების ვექტორული ჯამისა.

ნახ. 4 ხსნის სუპერპოზიციის პრინციპს სამი დამუხტული სხეულის ელექტროსტატიკური ურთიერთქმედების საშუალებით.

ნახ. 4.

ელექტროსტატიკური ძალების სუპერპოზიციის პრინციპი \(\vec{F_{1}}=\vec{F_{21}}+\vec{F_{31}}\); \(\vec{F_{2}}=\vec{F_{12}}+\vec{F_{32}}\); \(\vec{F_{3}}=\vec{F_{13}}+\vec{F_{23}}.\)

სუპერპოზიციის პრინციპი ბუნების ფუნდამენტურ კანონს წარმოადგენს. მაგრამ,  როცა ლაპარაკია სასრული ზომების მქონე დამუხტულ სხეულებზე, მისი გამოყენაბა გარკვეულ სიფრთხილეს მოითხოვს (მაგალითად, ორი გამტარი დამუხტული ბირთვი 1 და 2). თუ ორი გამტარი დამუხტული ბირთვისაგან შემდგარ სისტემასთან მივიტანთ დამუხტულ მესამე ბირთვს, მაშინ 1 და 2 ბირთვებს შორის ურთიერთქმედება მუხტების გადანაწილების გამო შეიცვლება.

სუპერპოზიციის პრინციპი ამტკიცებს, რომ ყველა სხეულზე მუხტის განსაზღვრული (ფიქსირებული) განაწილებისას ელექტული ურთიერთქმედება ნებისმიერ ორ სხეულს შორის არ არის დამოკიდებული სხვა დამიხტული სხეულების არსებობაზე.