Понятие заряда вводится неявно через закон Кулона.

Электрическим зарядом называется физическая величина, которая характеризуется следующими свойствами:

1. Взаимодействие описывается законом Кулона или, как говорят, законом обратных квадратов.

2. Существуют в двух видах, положительные и отрицательные, это связано, конечно, с разным характером взаимодействия.

3. Он квантуется, то есть существует в виде порций. Заряд любого тела можно представить в виде , гдеe– самая маленькая порция заряда, которую на сегодня человек экспериментально сумел получить. Здесь N = 1, 2, … а

4. Подчиняется закону сохранения. Алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы остается неизменной, какие бы процессы не происходили внутри данной системы.

Под замкнутой системой в данном случае понимают систему, которая не обменивается зарядами с внешним миром.

5. Заряд – релятивистский инвариант. То есть, заряд одинаково оценивается во всех системах отсчета.

Совокупности этих пяти свойств нам будет достаточно, чтобы иметь некое представление об электрическом заряде, которое мы будем дальше использовать.

Закон Гальвано:

В 1780 году заведующий кафедрой университета в Болонье Луиджи Гальвани (1737 – 1798) начал работы, которые привели его к открытию животного электричества. [21].

6 ноября 1780 года он производит знаменитый опыт с лягушечьей лапкой. В 1786 году, 26 апреля, Луиджи Гальвани при помощи лягушечьей лапки и проволоки обнаруживает приближение грозы. В 1791 году Луиджи Гальвани публикует работу «Трактат о силах электричества при мышечном движении» и начинает новую страницу в науке об электричестве.

Законы Вольта: В 1775 году Алессандро Вольта изготовил «электрофор» – интересный маленький лабораторный прибор, позволяющий создавать электрический заряд через индукцию. Сила «электрофора» именно в его простоте и доступности – электрические машины были крупными, дорогими и недоступными – а Вольта получал электричество с помощью блюдечка, пластинки, кусочка меха, пузырька и железного кружка с ручкой. Простота удивляла! Вольта сообщил о своем изобретении многим физикам, электрофором заинтересовались люди далекие от науки.

Закон (опыт Эрстеда):

В опыте Эрстед помещал над магнитной стрелкой прямолинейный металлический проводник, направленный параллельно стрелке. При пропускании через проводник электрического тока стрелка поворачивалась почти перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока стрелка разворачивалась на 180°. Аналогичный разворот наблюдался, если провод переносился на другую сторону, располагаясь не над, а под стрелкой.

Объяснение опыта:

Согласно современным представлениям, при протекании через прямолинейный проводник электрического тока в пространстве вокруг него возникает магнитное поле, силовые линии которого представляют собой окружности с центром на оси проводника. При этом величина магнитного поля пропорциональна силе тока, текущего в проводнике, и обратно пропорциональна расстоянию до проводника^[3]:

где B — модуль вектора индукции магнитного поля, i — сила тока, r — расстояние от точки наблюдения до проводника, c — скорость света (здесь использована запись в гауссовой системе единиц).

При помещении в магнитное поле вещества, имеющего ненулевой магнитный момент (магнита), на него начинает действовать момент силы Лоренца, пропорциональный индукции магнитного поля и величине магнитного момента, а также синусу угла между их векторами^[4]:

где M — модуль вектора момента сил, действующих на магнитный момент, — величина магнитного момента, — угол между векторами и .

Момент сил стремится выстроить магнитную стрелку параллельно направлению вектора магнитной индукции, то есть перпендикулярно проводнику с током. Этот эффект тем сильнее, чем выше сила тока в проводнике и чем больше сила магнита. На практике действию магнитной силы противостоят силы трения в точке крепления магнитной стрелки, поэтому эффект может быть слабо выражен.

Закон Ампера:

Закон Ампера показывает, с какой силой действует магнитное поле на помещенный в него проводник. Эту силу также называют силой Ампера.

Формулировка закона: сила, действующая на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, пропорциональна длине проводника, вектору магнитной индукции, силе тока и синусу угла между вектором магнитной индукции и проводником.

Зако́ н электромагни́ тной инду́ кции Фараде́ я является основным законом электродинамики, касающимся принципов работы трансформаторов, дросселей, многих видов электродвигателей и генераторов. Закон гласит: Для любого замкнутого контура индуцированная электродвижущая сила (ЭДС) равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через этот контур, взятой со знаком минус.

Или другими словами: Генерируемая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

6. Становление вакуумной электроники. Опыты с катодными лучами. Ток (разряды) в газах. Опыты Крукса, Томпсона.

История развития ВПЭ связана с открытием явлений, природа которых обусловлена взаимодействием свободных электронов и ионов с электромагниным полем и веществом[1].

Первый в мире электровакуумный прибор сконструировал в 1873 г. русский инженер А.Н.Лодыгин.

Американец Т.А.Эдиссон, обнаруживший термоэлектронную эмиссию(1884 г.), англичанин Джон Флеминг, создавший в 1904 г. вакуумный диод, американский инженер Ли-де-Форест, поместивший в диод дополнительный электрод - сетку(1907 г.), положили начало широким исследованиям в области радиосвязи. Это было одно из первых приложений вакуумной электроники.

Значительный вклад в теорию вакуумной электроники внесли работы О.Ричардсона, Ф.Чайльда, И.Ленгмюра, посвященные термоэлектронной эмиссии проводников.

Раньше других электронных приборов появились рентгеновские трубки (1895 г.). В течение двух десятилетий были известны только ионные трубки с холодным катодом. Изобретение электронно-лучевой трубки (трубка Брауна, начало ХХ века) породило целый класс осциллографических приборов(1911 г., Д.А.Рожанский) и техники телевидения(1925 г. - видикон А.А.Чернышова, 1929-1931гг. - иконоскоп С.И.Катаева, В.К.Зворыкина)[2].

В 30-х годах ХХ века радиотехника столкнулась с серьезным препятствием - невозможностью освоения коротковолновых диапазонов радиоволн(л < 3 м) с помощью имеющихся в то время радиоламп. Необходимость продвижения в коротковолновую область была вызвана бурным развитием радионавигации, радиолокации и прочих приложений радиотехники. Начинает создаваться новый класс приборов - приборы сверхвысоких частот (СВЧ). Известная к этому времени электронно-лучевая трубка, использовала электронный луч малой интенсивности. Новый класс приборов требовал новых конструктивных решений. Это касалось, прежде всего, систем формирования интенсивных электронных пучков.

В 1940 г. Дж. Пирс предложил методику расчета электронных пушек, формирующих электронные пучки высокой интенсивности (так называемые «высокопервеансные», первеанс - величина, характеризующая степень интенсивности пучка) с прямолинейными траекториями электронов, наследниками которой являются многие современные теории и математические модели. Мощные вычислительные средства значительно облегчили прикладные расчеты электронных приборов СВЧ[3, 4].

Изучению газового разряда положили начало опыты Крукса в 1879 г. Работы в этом направлении привели к созданию первого мощного газоразрядного выпрямительного диода - газоторона (американец А.Хелл, 1905 г.). Первый управляемый газоразрядный прибор - тиратрон - был сконструирован в 1936 г.

Современное состояние ВПЭ характеризуется широким спектром использования электронных и ионных потоков, а также плазменных формирований в науке, технике и технологии, в быту. Основные направления применения ВПЭ представлены.