24. В чем отличие силовых линий электрического и магнитного полей?
Электрическое поле наглядно изображается с помощью силовых линий. Силовой линией электрического поля называется линия, в каждой точке которой касательная совпадает с вектором напряженности поля. Силовые линии проводятся с такой густотой, чтобы число линий, пронизывающих воображаемую площадку 1м 2 , перпендикулярную полю, равнялось величине напряженности поля в данном месте. Тогда по изображению электрического поля можно судить не только о направлении, но и о величине напряженности поля. Электрическое поле называется однородным, если во всех его точках напряженность Е одинакова. В противном случае поле называется неоднородным.
При положительном заряде, образующем поле, вектор напряженности направлен вдоль радиуса от заряда, при отрицательном — вдоль радиуса по направлению к заряду. Исходя из положительного заряда (или входя в отрицательный заряд) силовые линии теоретически простираются до бесконечности.
Силовые линии магнитного поля
Магнитное поле является силовым полем. Силовой характеристикой магнитного поля называют магнитную индукцию (В). Магнитная индукция — это векторная физическая величина, равная максимальной силе, действующей со стороны магнитного поля на единичный элемент тока. В = F/IL Единичный элемент тока — это проводник длиной 1 м и силой тока в нем 1 А. Единицей измерения магнитной индукции является тесла. 1 Тл = 1 Н/А • м. Магнитная индукция всегда порождается в плоскости под углом 90° к электрическому полю. Вокруг проводника с током магнитное поле также существует в перпендикулярной проводнику плоскости. Магнитное поле является вихревым полем. Для графического изображения магнитных полей вводятся силовые линии, или линии индукции, — это такие линии, в каждой точке которых вектор магнитной индукции направлен по касательной. Направление силовых линий находится по правилу буравчика. Если буравчик ввинчивать по направлению тока, то направление вращения рукоятки совпадет с направлением силовых линий. Линии магнитной индукции прямого провода с током представляют собой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику (рис. 29). 
25.Сущность теории Максвелла. Каким утверждениям соответствует уравнение Максвелла?
Теорию поля Д. Максвелл разрабатывает в своих трудах «О физических линиях силы» (1861-1865) и «Динамическая теория поля (1864-1865). В последней работе и была дана система знаменитых уравнений, которые (по словам Герца) составляют суть теории Максвелла.
Эта суть сводилась к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Таким образом, в физику была введена новая реальность – электромагнитное поле. Это ознаменовало начало нового этапа в физике — этапа, на котором электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия.
Мир стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля. (Действительно, вспомним, что в МКМ господствовал принцип дальнодействия, согласно которому действие различного рода сил передается мгновенно, без участия среды.)
Система уравнений для электрических и магнитных полей, разработанная Максвеллом, состоит из 4-х уравнений, которые эквивалентны 4-м утверждениям.
Магнитное поле против электрического поля: подробные объяснения
Термины магнитное поле и электрическое поле нам хорошо знакомы, поскольку оба они описывают силу воздействия на частицу.
Линии магнитного поля против линий электрического поля
И магнитные поля, и электрические поля обладают силовыми линиями. Силовые линии — это воображаемые линии, указывающие, где происходит эффективное воздействие силы на заряды. Влияние силы на электрические и магнитные поля совершенно различно; таким образом, этот раздел позволяет нам научиться сравнивать линии магнитного поля и линии электрического поля.
Электрическое и магнитное поле: в чем различия
Звуковые волны обычно связаны с распространением звука. Звук технически определяется как механическое возмущение, распространяющееся через упругую среду. Среда не ограничена воздухом, но может также включать дерево, металл, камень, стекло и воду. Звук распространяется волнами, они известны как звуковые волны. Самый распространенный способ путешествий — воздушный. Подобно всей материи, воздух также состоит из молекул. Эти молекулы постоянно в движении и с большой скоростью. Когда они достигают этой скорости, молекулы имеют тенденцию сталкиваться друг с другом, вызывая перенос энергии. Говорят, что звук распространяется волнами, потому что при ударе предмета (например, барабана) головка барабана движется взад и вперед и таким же образом толкает воздух. Толчок воздуха заставляет звук сталкиваться с другими молекулами в воздухе и передавать эту энергию, что приводит к появлению звуковых волн.
Звук распространяется в двух типах волн: продольные и поперечные волны. Продольные волны — это волны, направление вибрации которых совпадает с направлением их движения. С точки зрения непрофессионала, направление среды такое же или противоположное направление движения волны. Поперечная волна — это движущаяся волна, состоящая из колебаний, перпендикулярных направлению передачи энергии; например, если волна движется по вертикали, передача энергии движется по горизонтали.
Свойства звуковых волн включают в себя: частоту, длину волны, волновое число, амплитуду, звуковое давление, интенсивность звука, скорость звука и направление. Скорость звука является важным свойством, определяющим скорость распространения звука. Скорость звука зависит от среды, через которую он распространяется. Чем больше упругость и чем ниже плотность, тем быстрее распространяется звук. Из-за этого звук распространяется быстрее в твердых телах по сравнению с жидкостями и быстрее в жидкостях по сравнению с газом.
Согласно How Stuff Works: «При 32 ° F. (0 ° C.), Скорость звука в воздухе составляет 1087 футов в секунду (331 м / с); при 68 ° F. (20 ° C.), Это 1127 футов в секунду (343 м / с) ». Длина волны звука — это расстояние, которое возмущение проходит за один цикл, и связано со скоростью и частотой звука. Высокочастотные звуки имеют более короткие волны, а низкочастотные — более длинные.
Радиоволны могут быть созданы как природой, так и искусственно. Встречающиеся в природе радиоволны создаются осветительными или астрономическими объектами. Искусственно созданные радиоволны используются в ТВ, радио, вещательных и навигационных системах. Вот почему во время сильной молнии и грозы радио и телевизоры могут стать неясными или перестать работать. Радиоволны от молнии мешают искусственным. Самый важный объект радиоволн используется для спутников связи и мобильных телефонов, что означает, что без радиоволн дорогой iPhone в основном просто дорогая бумажная масса. В дополнение к связи, радиоволны также используются в медицине для хирургических операций, лечения апноэ во сне и МРТ.
Радиоволны были впервые постулированы Джеймсом Клерком Максвеллом. Максвелл обнаружил волнообразные свойства света и сходство электрических и магнитных волн. Затем он создал уравнения, предлагающие световые волны и радиоволны, путешествующие в космосе, излучаемые заряженной частицей, когда она подвергается ускорению. Эти теории были дополнительно экспериментально подтверждены Генрихом Герцем; который создал радиоволны в своей лаборатории. Радиоволны имеют общие свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, поляризация, дифракция, поглощение, скорость, частота и длина волны.
Основное различие между звуковыми волнами и радиоволнами аналогично разнице между звуковыми волнами и электромагнитными волнами. В то время как звуковые волны требуют среды для путешествий, радиоволны нет. Звуковые волны и радиоволны распространяются на разных частотах, которые используются для разных целей. Радиоволны используются для различных целей, в то время как звуковые волны используются для передачи звука.
«Законодательная база»
Исследование полей, магнитного и электрического, осуществляется по ранее открытым физическим законам. Так, для электрического поля, при исследовании протекающих внутри него процессов, бесценную помощь оказали исследования и опыты, проведенные кулоном. Магнитное поле проще себе представить, воспользовавшись законом Ампера, применительно к расположению ладони человека. Так, чтобы определить направление действия силы, воздействующей на проводник, необходимо расположить ладонь следующим образом:
– 4 пальца, сложенные вместе, указывают на направление протекающего тока;
– силовые линии магнитного поля входят в ладонь;
– большой палец руки, находящийся под углом в 90 градусов по отношению к другим пальцам ладони, укажет направление воздействия искомой силы.
Сравнение полей: электрического и магнитного
Важно понять, что электрическое и магнитное поле – это не обособленные понятия, а единый комплекс, получивший название электромагнитного поля. Следовательно, и изучать это поле необходимо параллельно, относясь к исследуемому явлению, как к единому целому
Утверждение, что в какой-либо определенной точке пространства может иметься только одно из действующих полей, не может быть принято во внимание, более того – оно бессмысленно. Вопрос может быть поставлен исключительно с учетом типа исследуемой системы, которая может быть стационарной или подвижной
В целом, сама система отсчета – это составная часть исследования электромагнитного поля. По характеристикам системы можно делать оценку, касательно свойств и конфигурации электромагнитного поля. Но абсолютной значимости система не имеет.
Что может быть применено в качестве индикаторов электромагнитного поля
Для электрического поля – это заряженные тела. Именно они указывают на наличие в определенном месте пространства поля. При проведении опытов и наблюдений широко используются такие подручные материалы, как:
– мелкие кусочки бумаги;
– небольшие комочки, бумажные шарики;
– так называемые «султаны».
Чтобы «увидеть» магнитное поле, можно использовать стальные опилки либо замкнутый контур, по которому протекает электрический ток. Еже проще – использовать магнитную стрелку, которая имеется на каждом компасе.
Магнитные линии и магнитный поток
Вокруг магнита экспериментальным путем были обнаружены магнитные силовые линии. Эти магнитные линии создают так называемое магнитное поле.
Как вы могли заметить на рисунке, концентрация магнитных силовых линий на самых краях магнита намного больше, чем в его середине. Это говорит о том, что магнитное поле является более сильным именно на краях магнита, а в его середине практически равна нулю. Направлением магнитных силовых линий считается направление от севера к югу.
Ошибочно считать, что магнитные силовые линии начинают свое движение от северного полюса и заканчивают свой век на южном. Это не так. Магнитные линии – они замкнуты и непрерывны. В магните это будет выглядеть примерно так.
Если приблизить два разноименных полюса, то произойдет притягивание магнитов
Если же приблизить одноименными полюсами, то произойдет их отталкивание
Итак, ниже важные свойства магнитных силовых линий.
- Магнитные линии не поддаются гравитации.
- Никогда не пересекаются между собой.
- Всегда образуют замкнутые петли.
- Имеют определенное направление с севера на юг.
- Чем больше концентрация силовых линий, тем сильнее магнитное поле.
- Слабая концентрация силовых линий указывает на слабое магнитное поле.
Магнитные силовые линии, которые образуют магнитное поле, называют также магнитным потоком.
Итак, давайте рассмотрим два рисунка и ответим себе на вопрос, где плотность магнитного потока будет больше? На рисунке “а” или на рисунке “б”?
Видим, что на рисунке “а” мало силовых магнитных линий, а на рисунке “б” их концентрация намного больше. Отсюда можно сделать вывод, что плотность магнитного потока на рисунке “б” больше, чем на рисунке “а”.
В физике формула магнитного потока записывается как
Ф – магнитный поток, Вебер
В – плотность магнитного потока, Тесла
а – угол между перпендикуляром n (чаще его зовут нормалью) и плоскостью S, в градусах
S – площадь, через которую проходит магнитный поток, м2
Что же такое 1 Вебер? Один вебер – это магнитный поток, который создается полем индукцией 1 Тесла через площадку 1м2 расположенной перпендикулярно направлению магнитного поля.
Что общего
К сожалению, первым общим свойством рассматриваемых нами понятий будет их неполная исследованность. Несмотря на работы Джеймса Клерка Максвелла, в которых подробно рассматривалось взаимодействие и взаимосвязь между электрическими и магнитными полями, назвать их природу до конца изученной нельзя до сих пор, и на деле человечество сегодня может лишь использовать известные их свойства в практических целях. Впрочем, многое учёным известно и сегодня.
К примеру, оба поля являются неотъемлемыми компонентами электромагнитного поля, а также оба являются силовыми. Последнее понятие подразумевает, что в любой точке, находящейся в радиусе действия поля, на заряд действует определённая сила, и при смене положения значение силы будет меняться.
3.20. Магнетики. Вещества в магнитном поле
Вещества, способные намагничиваться и влиять на направление вектора магнитной индукции внешнего поля B, называются магнетиками.
Способность намагничиваться — создание собственного магнитного поля в веществе, которое или усиливает, или уменьшает внешнее магнитное поле.
Собственные магнитные свойства вещества определяются электронами, связанными с атомами. Строение атома подразумевает наличие электрона e, вращающегося вокруг ядра. Магнитный момент электрона , то есть каждая орбита электрона в атоме обладает собственным магнитным моментом и создает собственное магнитное поле. В целом в веществе суммарные магнитные моменты электронов в атоме расположены хаотично и их сумма зачастую равна нулю.
Под действием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля, созданные электронами, упорядочиваются. Это и есть явление намагниченности. Оно может сохраняться после снятия магнитного поля, а может и исчезать. У ферромагнетиков оно сохраняется, а у диа и парамагнетиков исчезает.
В результате поле равно: , где каппа — магнитная восприимчивость, которая определяется внешним воздействием, а и — магнитные моменты электронных орбит.
Для разных веществ значение может принимать как положительные, так и отрицательные значения. В большинстве веществ собственные магнитные моменты атомов (молекул) не зависят друг от друга и хаотично расположены в пространстве. Если к такому веществу приложить внешнее поле, то собственный магнитный момент каждого атома стремится, как волчок, выровнять положение оси вращения вдоль силовых линий внешнего поля.
Bвне — индукция внешнего магнитного поля, Pm- собственный магнитный момент атома.
Изменение собственной оси вращения (собственного магнитного момента) относительно вектора магнитной индукции (внешнего поля) называется прецессией.
Собственный механический момент или количество движения Ls (спин)
Механические моменты электронов в атоме могут отличаться только направлением движения по орбите (вдоль и против часовой стрелки).
- Если внешнее магнитное поле затрачивает энергию на прецессию, то её результирующее магнитное поле ослабляется. Такие вещества называют диа–магнетиками: .
- В некоторых веществах внешнее магнитное поле не затрачивает энергию на прецессию, а разворачивает весь атом так, чтобы его собственное магнитное поле совпадало с внешним магнитным полем. Эти вещества -парамагнетики. Для них .
Парамагнетики
Стрелками укажем магнитные моменты отдельных атомов.
Ферромагнетики.
Для объяснения ферромагнетизма вводим понятие доменов. Домен — совокупность атомов с одинаковым направлением собственных магнитных полей. Подобные совокупности атомов требуют меньше энергии для образования доменов, т.е. энергетически более выгодны по сравнению с разрозненными атомами. В целом собственное магнитное поле вещества равно нулю. Под действием внешнего магнитного поля домены могут увеличиваться за счет других доменов вплоть до поглощения неориентированных доменов, то есть все пространство вещества заполняется доменами, ориентированными вдоль поля. При снятии внешнего поля обратной переориентации не происходит, так как это энергетически не выгодно. В этом случае магнитная восприимчивость составляет тысячи и десятки тысяч единиц. Оказывается, реакция вещества на воздействие внешнего магнитного поля носит нелинейный характер. Это определяется способностью собственных магнитных моментов переориентироваться во внешнем магнитном поле. Сначала идёт резкое изменение ориентации во внешнем магнитном поле, магнитные моменты ориентируются вдоль силовых линий магнитного поля. Дальнейшее увеличение магнитного поля не изменяет намагниченность, так как все магнитные моменты уже ориентированы вдоль поля. Зависимость результирующего магнитного поля в веществе в целом в зависимости от внешнего поля носит характер гистерезиса.
![Взаимная связь электрических и магнитных полей [1973 григорьев в.и., мякишев г.я. - силы в природе]](https://electro-scooterz.ru/wp-content/uploads/e/2/a/e2acef07bf4b4ed6886bcb73471a91a9.jpeg)
B1 — остаточная индукция. H1 — коэрцетивная сила.
B1 — в веществе остается собственное магнитное поле без внешнего магнитного поля H1 = 0, (так создаются постоянные магниты).
H1 — внешнее поле, необходимое для снятия собственной намагниченности, B1=0. Эта величина называется коэрцетивная сила.
Анализ петли гистерезиса см. в разделе “Сегнетоэлектрики”. Если коэрцетивная сила велика, то говорят, что ферромагнетик жёсткий, если мала — то мягкий.
Электромагнитные волны
1. Электромагнитными волнами называются возмущения электромагнитного поля (т.е. переменное электромагнитное поле), распространяющиеся в пространстве.
Утверждение о существовании электромагнитных волн является непосредственным следствием решения системы уравнений Максвелла. Согласно этой теории следует, что переменное электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде волн, фазовая скорость которых равна:
где — скорость света в вакууме, , — электрическая и магнитная постоянные, , — соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемость среды.
2. Электромагнитные волны — поперечные волны. Векторы Е и Н поля электромагнитной волны взаимно перпендикулярны друг другу. Вектор скорости волны и векторы Е и Н образуют правую тройку векторов (Рисунок 2.1.4).
Для сравнения ориентации тройки векторов , Е и Н на рисунке приведено расположение осей декартовой системы координат. Такое сопоставление уместно и в дальнейшем будет использовано для определения проекций векторов Е и Н на координатные оси.
Взаимно перпендикулярные векторы Е и Н колеблются в одной фазе (их колебания синфазные). Модули этих векторов связаны соотношением:
которое справедливо для любой бегущей электромагнитной волны независимо от формы ее волновых поверхностей.
3. По форме волновых поверхностей волны могут быть плоские, эллиптические, сферические и т.д..
Монохроматической волной называется электромагнитная волна одной определенной частоты. Монохроматическая волна не ограничена в пространстве и во времени. В каждой точке электромагнитного поля монохроматической волны проекции векторов Е и Н на оси координат совершают гармонические колебания одинаковой частоты . Например, для плоской монохроматической волны, распространяющейся вдоль положительного направления оси ОУ, как показано на рисунке 2.1.3.,ее уравнение имеет вид:
Такие волны называются плоско (или линейно) поляризованными волнами.
Плоскость, в которой происходит колебание вектора Е называют плоскостью поляризации линейно поляризованной волны, а плоскость колебаний вектора Н – плоскостью колебаний. Ранее эти названия были обратными (см. ).
4. Все сказанное о стоячих волнах в упругих средах относится и к электромагнитным волнам. В этом случае, однако, волна характеризуется не одним вектором, а двумя взаимно перпендикулярными векторами Е и Н.
Стоячая электромагнитная волна состоит из двух стоячих волн — магнитной и электрической, колебания которых сдвинуты по фазе на .
5. Энергия электромагнитных волн. Объемная плотность энергии электромагнитного поля в линейной изотропной среде задается соотношением: с — скорость света в вакууме.
В случае плоской линейно поляризованной монохроматической волны, распространяющейся вдоль положительного направления ОY, напряженность электрического поля задается уравнением:
соответственно объемная плотность энергии этой волны
Значение объемной плотности энергии волны меняется за период от 0 до .Среднее за период значение энергии равно:
6. Вектор плотности потока энергии электромагнитной волны называется вектором Умова — Пойнтинга:
Для линейно поляризованной монохроматической волны вектор Пойнтинга направлен в сторону распространения волны и численно равен:
Интенсивность электромагнитной волны равна модулю среднего значения вектора Пойнтинга за период его полного колебания:
Интенсивностью электромагнитной волны называется физическая величина, численно равная энергии, переносимая волной за единицу времени через единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению распространения волны.
Интенсивность бегущей монохроматической волны: — фазовая скорость волны, среднее значение объемной плотности энергии поля волны.
Интенсивность света (электромагнитных волн, рассматриваемых в оптике) прямо пропорциональна квадрату амплитуды колебаний вектора напряженности Е поля световой волны.
«Законодательная база»
Исследование полей, магнитного и электрического, осуществляется по ранее открытым физическим законам. Так, для электрического поля, при исследовании протекающих внутри него процессов, бесценную помощь оказали исследования и опыты, проведенные кулоном. Магнитное поле проще себе представить, воспользовавшись законом Ампера, применительно к расположению ладони человека. Так, чтобы определить направление действия силы, воздействующей на проводник, необходимо расположить ладонь следующим образом:
– 4 пальца, сложенные вместе, указывают на направление протекающего тока;
– силовые линии магнитного поля входят в ладонь;
– большой палец руки, находящийся под углом в 90 градусов по отношению к другим пальцам ладони, укажет направление воздействия искомой силы.
Два поля
В процессе проведения исследований и в целях боле эффективного практического применения данного явления, ему дано название напряженность. Оценивается по степени воздействия на единичный (с положительным знаком) заряд.
Магнитное поле оказывает иной вид воздействия, прежде всего – на различные электрические тела и заряды, которые находятся в движении. Магнитные моменты учитываются без определения фактической величины движения, а само поле создается в ходе прохождения тока заряженных частиц. Величина поля – это сумма магнитных моментов электронов, находящихся внутри атомов или иных частиц.
Здесь также применяется метод графического изображения при помощи силовых пунктирных линий. Но в отличие от схематического изображения электрического поля, эти линии замкнуты по контуру и не имеют определенной точки начала (равно, как и конца).
Сила Лоренца
Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.
Формула для нахождения силы Лоренца:
где \( q \) – заряд частицы, \( v \) – скорость частицы, \( B \) – модуль вектора магнитной индукции, \( \alpha \) – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.
Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции \( B_\perp \) входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.
Если заряд частицы отрицательный, то направление силы изменяется на противоположное.
Важно!
Если вектор скорости сонаправлен с вектором магнитной индукции, то частица движется равномерно и прямолинейно. В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы
В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы.
Если вектор скорости перпендикулярен вектору магнитной индукции, то частица движется по окружности, радиус которой равен:
где \( m \) – масса частицы, \( v \) – скорость частицы, \( B \) – модуль вектора магнитной индукции, \( q \) – заряд частицы.
В этом случае сила Лоренца играет роль центростремительной и ее работа равна нулю. Период (частота) обращения частицы не зависит от радиуса окружности и скорости частицы. Формула для вычисления периода обращения частицы:
Угловая скорость движения заряженной частицы:
Важно!
Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца изменяется направление скорости частицы
Если вектор скорости направлен под углом \( \alpha \) (0° < \( \alpha \) < 90°) к вектору магнитной индукции, то частица движется по винтовой линии.
В этом случае вектор скорости частицы можно представить как сумму двух векторов скорости, один из которых, \( \vec
Таким образом, на равномерное движение вдоль линии индукции будет накладываться движение по окружности в плоскости, перпендикулярной вектору \( \vec \). Частица движется по винтовой линии с шагом \( h=v_2T \).
Важно!
Если частица движется в электрическом и магнитном полях, то полная сила Лоренца равна:
Особенности движения заряженной частицы в магнитном поле используются в масс-спектрометрах – устройствах для измерения масс заряженных частиц; ускорителях частиц; для термоизоляции плазмы в установках «Токамак».
Алгоритм решения задач о действии магнитного (и электрического) поля на заряженные частицы:
- сделать чертеж, указать на нем силовые линии магнитного (и электрического) поля, нарисовать вектор начальной скорости частицы и отметить знак ее заряда;
- изобразить силы, действующие на заряженную частицу;
- определить вид траектории частицы;
- разложить силы, действующие на заряженную частицу, вдоль направления магнитного поля и по направлению, ему перпендикулярному;
- составить основное уравнение динамики материальной точки по каждому из направлений разложения сил;
- выразить силы через величины, от которых они зависят;
- решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
- решение проверить.
Сравнение полей: электрического и магнитного
Важно понять, что электрическое и магнитное поле – это не обособленные понятия, а единый комплекс, получивший название электромагнитного поля. Следовательно, и изучать это поле необходимо параллельно, относясь к исследуемому явлению, как к единому целому
Утверждение, что в какой-либо определенной точке пространства может иметься только одно из действующих полей, не может быть принято во внимание, более того – оно бессмысленно. Вопрос может быть поставлен исключительно с учетом типа исследуемой системы, которая может быть стационарной или подвижной
В целом, сама система отсчета – это составная часть исследования электромагнитного поля. По характеристикам системы можно делать оценку, касательно свойств и конфигурации электромагнитного поля. Но абсолютной значимости система не имеет.
Что может быть применено в качестве индикаторов электромагнитного поля
Для электрического поля – это заряженные тела. Именно они указывают на наличие в определенном месте пространства поля. При проведении опытов и наблюдений широко используются такие подручные материалы, как:
– мелкие кусочки бумаги;
– небольшие комочки, бумажные шарики;
– так называемые «султаны».
Чтобы «увидеть» магнитное поле, можно использовать стальные опилки либо замкнутый контур, по которому протекает электрический ток. Еже проще – использовать магнитную стрелку, которая имеется на каждом компасе.
Как происходит взаимодействие электрического и магнитного полей
Первые достаточно точные обоснования и выводы (как теоретические, так и практические) по результатам исследований процессов внутри данных полей сделал великий ученый Д. Максвелл. Он показал, какая взаимосвязь происходит между эклектическими зарядами и протекающими токами электромагнитного поля. Для проведения исследований и получения результатов, были применены ранее сформулированные законы Ампера и Фарадея. В трудах физика было определено точное соотношение между электрическим и магнитным полем, которое возникало вследствие определенного способа распределения зарядов в пространстве.
Российский АПК объединяет и автоматизирует
Разработанный в ГЦ РАН аппаратно-программный комплекс (АПК) автоматизирует и ускоряет процедуру оперативного сбора магнитограмм от российских обсерваторий и подготовки квазиокончательных и окончательных данных. Это становится возможным благодаря использованию современных алгоритмов, включающих элементы искусственного интеллекта. Большинство операций выполняется в квазиреальном времени, что дает возможность оперативной оценки магнитной активности, необходимой для формирования точных прогнозов. Разработанный АПК представляет собой первую систему, выполняющую подготовку квазиокончательных магнитограмм, а также распознавание и многокритериальную классификацию экстремальных геомагнитных явлений в автоматизированном режиме. Внедрение подобных интеллектуальных систем качественно выделяет российскую сеть обсерваторий по сравнению с мировым уровнем. Ведь на многих обсерваториях ИНТЕРМАГНЕТ и сейчас магнитограммы анализируются вручную, что приводит к существенной задержке (до двух лет) в подготовке окончательных данных.
Другим важным достоинством разработанного АПК является возможность объединения геомагнитных данных из разных источников. Наряду с наземными обсерваториями, глобальное покрытие магнитными измерениями обеспечивается низкоорбитальными спутниками. Текущая спутниковая группировка Swarm, выполняющая исследования магнитного поля Земли, была запущена в ноябре 2013 года с космодрома Плесецк при помощи российской ракеты-носителя «Рокот». Миссия Swarm состоит из трех идентичных аппаратов (рис. 3), разработанных Европейским космическим агентством. Основные цели миссии — измерение характеристик магнитного поля для исследования процессов в земном ядре, мантии, литосфере, океанах, ионосфере и магнитосфере.
Включение в разработанный АПК данных Swarm делает его инновационным инструментом для координированной обработки и совместного анализа наземных и спутниковых данных, тем самым существенно расширяя области его применения.
АПК является ядром аналитического Центра геомагнитных данных российского сегмента сети ИНТЕРМАГНЕТ. Комплекс базируется на последних достижениях в области мониторинга геофизических процессов и интеллектуального анализа данных. АПК построен по модульному принципу, обладает гибкостью и имеет большой потенциал для расширения функциональных возможностей. Технологические подходы, использованные при создании АПК, позволяют его легко тиражировать, превращая в стандартизированное решение.
Основные функции АПК:
- автоматическая загрузка и систематизация исходных наземных и спутниковых магнитных измерений;
- автоматизированная фильтрация обсерваторских данных от искусственных помех и их верификация;
- распознавание, классификация и кодирование данных об экстремальных геомагнитных явлениях;
- модельные расчеты в режиме онлайн.
Схема функционирования АПК представлена на рис. 4.
Исходные и обработанные обсерваторские магнитограммы, данные от спутников, результаты анализа и модельных расчетов хранятся в единой реляционной базе данных под управлением СУБД. Это предоставляет большую гибкость при формировании запросов и обеспечивает удобный и гибкий интерактивный доступ ко всему массиву данных, хранящихся в базе. Такой подход реализован впервые и не имеет аналогов в зарубежных центрах.
Разработанная система обладает широкими возможностями визуализации геомагнитных данных, включая использование современного проекционного оборудования со сферическим экраном.
Концепция, заложенная в основу системы, соответствует современной парадигме развития информационных технологий в части обращения с «большими данными». АПК повышает скорость получения достоверных данных о магнитном поле Земли. Объединение информации, полученной из разных источников — наземных и спутниковых, — обеспечивает многообразие собираемых данных, а также увеличивает объем наших знаний о процессах, происходящих на планете. Функциональность АПК делает его исключительно востребованным инструментом для экспертов и представителей власти при оценке и снижении рисков, вызванных экстремальными геомагнитными явлениями.
Два поля
В процессе проведения исследований и в целях боле эффективного практического применения данного явления, ему дано название напряженность. Оценивается по степени воздействия на единичный (с положительным знаком) заряд.
Магнитное поле оказывает иной вид воздействия, прежде всего – на различные электрические тела и заряды, которые находятся в движении. Магнитные моменты учитываются без определения фактической величины движения, а само поле создается в ходе прохождения тока заряженных частиц. Величина поля – это сумма магнитных моментов электронов, находящихся внутри атомов или иных частиц.
Здесь также применяется метод графического изображения при помощи силовых пунктирных линий. Но в отличие от схематического изображения электрического поля, эти линии замкнуты по контуру и не имеют определенной точки начала (равно, как и конца).
Сравнение полей: электрического и магнитного
Важно понять, что электрическое и магнитное поле – это не обособленные понятия, а единый комплекс, получивший название электромагнитного поля. Следовательно, и изучать это поле необходимо параллельно, относясь к исследуемому явлению, как к единому целому
Утверждение, что в какой-либо определенной точке пространства может иметься только одно из действующих полей, не может быть принято во внимание, более того – оно бессмысленно. Вопрос может быть поставлен исключительно с учетом типа исследуемой системы, которая может быть стационарной или подвижной
В целом, сама система отсчета – это составная часть исследования электромагнитного поля. По характеристикам системы можно делать оценку, касательно свойств и конфигурации электромагнитного поля. Но абсолютной значимости система не имеет.
Что может быть применено в качестве индикаторов электромагнитного поля
Для электрического поля – это заряженные тела. Именно они указывают на наличие в определенном месте пространства поля. При проведении опытов и наблюдений широко используются такие подручные материалы, как:
– мелкие кусочки бумаги;
– небольшие комочки, бумажные шарики;
– так называемые «султаны».
Чтобы «увидеть» магнитное поле, можно использовать стальные опилки либо замкнутый контур, по которому протекает электрический ток. Еже проще – использовать магнитную стрелку, которая имеется на каждом компасе.
В чем отличия между магнитным полем и электрическим, есть ли разница
Такой термин, как «поле» в нашем языке имеет общее, достаточно обширное понятие (например, картофельное или футбольное). А вот в точных науках, таких как физика и электротехника — это название применяется для того, чтобы описать определенные виды материи. Так, электромагнитная материя представляет собой две составных части: электрическую и магнитную.
С указанными формами материи непосредственно связан электрический заряд. И у этого заряда имеется характерная особенность. В неподвижном состоянии вокруг него постоянно существует электрическое поле, а как только заряд начинает осуществлять направленное движение, то появляется еще и магнитное поле. Рассмотрим характерные особенности электрического и магнитного полей по отдельности.
Что такое электрическое поле?
В физике под этим понятием принято понимать векторное поле, которое формируется вокруг частиц или тел, обладающих определенным зарядом. Электрическое поле считается одной из двух неотъемлемых составляющих электромагнитного поля.
Чтобы лучше разобраться в природе этого явления, нужно вспомнить, что такое кулоновская сила. Закон Кулона служит для определения степени взаимодействия между каждым из пары точечных электрических зарядов. При этом он учитывает сведения об интервале между ними.
Чтобы разобраться в напряженности явления, стоит обратиться к такому примеру:
- Есть 2 тела, которые обладают зарядом. При этом одно из них является неподвижным, а второе – перемещается вокруг первого.
- Кулоновская сила в этом случае равняется произведению заряда и напряженности.
- Напряженность будет включать параметр центрального заряда и квадрат расстояния от центра до второго тела.
Примечательно, что для каждой точки электрического поля параметр кулоновской силы и направление будут отличаться. В силу разницы направлений в разных точках понятие считается векторным.
Что такое магнитное поле?
Под этим термином в физике понимают силовое поле, которое оказывает влияние исключительно на движущиеся тела, частицы или заряды. Каждый из элементов характеризуется магнитным моментом. Сила в таком случае меньше зависит от движения заряда. В качестве заряженных частиц в этом случае выступают электроны. Что касается напряженности этого вида поля, величина будет находиться в прямой пропорции от скорости заряда и его параметров.
В качестве лучшего примера стоит привести планету Земля. Ее центральная часть состоит из раскаленного железа. Как и другие металлические объекты, он может перемещать по себе электроны. Именно поэтому наибольшее магнитное поле на Земле формируется самой планетой, или ее центром, если сказать точнее. Если это поле исчезнет, высока вероятность катастроф и даже гибели живых организмов.
Карнаух Екатерина Владимировна
Закончила Национальный университет кораблестроения, специальность «Экономика предприятия»
В качестве более стандартного примера такого понятия стоит привести электромагниты. Они, как правило, включают провода, которые обмотаны вокруг ферромагнетиков. Эти элементы представляют собой ряд веществ, которые приобретают магнитные характеристики лишь в том случае, если их температура ниже конкретного уровня. Последний параметр называют в физике температурой Кюре. По сути, ферромагнетики считаются уникальными элементами. Они вступают во взаимодействие с магнитным полем, но при этом не несут движущихся зарядов.
В чем разница между электрическим полем и магнитным полем?
Оба рассматриваемых понятия считаются силовыми. Это означает, что в каждой точке пространства, в которой действует поле, на заряд влияет конкретная сила. В другой точке ее значение будет отличаться. Электромагнитное поле оказывает воздействие на заряженные тела и частицы. При этом оно действует на все заряды, тогда как магнитное поле – исключительно на движущиеся.
Существуют вещества, которые взаимодействуют с магнитным полем, но не включают движущиеся заряды. К ним, в частности, относятся ферромагнетики. Этим понятие отличается от электрического поля, поскольку аналогичных веществ для него не существует. У магнитов, естественных или намагниченных тел существует 2 полюса. Их называют южным и северным.
Карнаух Екатерина Владимировна
Закончила Национальный университет кораблестроения, специальность «Экономика предприятия»
Обычные электрические заряды считаются сравнительно однородными. Они не включают полюсов. При этом для таких зарядов характерно 2 типа – положительные и отрицательные. Знак оказывает воздействие на направление кулоновской силы. Как следствие, это влияет на взаимодействие двух заряженных частиц. Знак не будет оказывать влияния на взаимодействие других заряженных частиц с магнитным полем. Он только поменяет местами полюса.
Отличается и графическое изображение рассматриваемых физических явлений. Линии напряженности электрического поля обладают началом и концом. Их можно визуализировать. В качестве примера стоит привести кристаллы хинина в масле. Линии индукции замкнуты. Их тоже можно визуализировать. Примером этого служат металлические опилки.
Отдельно стоит упомянуть электромагнитное поле, которое обладает характеристиками как электрического, так и магнитного поля. Это означает, что оно способно в определенных условиях поворачивать стрелку компаса и перемещать электрически заряженные частицы. Обе составляющие имеют тесную взаимосвязь друг с другом. Каждая из них отличается своим энергетическим запасом. Именно он влияет на энергию всего электромагнитного поля.
Карнаух Екатерина Владимировна
Закончила Национальный университет кораблестроения, специальность «Экономика предприятия»
Возникновение электромагнитного поля возможно при любом, даже небольшом изменении тока в проводниках. При этом оно оказывает влияние на прилегающие зоны пространства, передает им собственную энергию. В результате в этих местах тоже появляется электромагнитное поле.
Glava_18_Teoria_Maxvella
Глава 18. Связь электрического и магнитного полей.
Электромагнитные волны.
§ 18.1
Теория Максвелла. Ток смещения. Уравнения Максвелла
Анализируя связь между величинами электрического и магнитного поля и обобщая результаты опытов Эрстеда и Фарадея, Максвелл создал теорию электромагнитного поля. Теория Максвелла с единой точки зрения позволяет объяснять свойства электрических и магнитных полей. Основные закономерности электромагнитных явлений описываются уравнениями Максвелла, и они составляют основу как электротехники и радиотехники, так и теории любых электромагнитных явлений.
В каждой точке пространства и в каждый момент времени состояние электромагнитного поля характеризуется двумя векторами – вектором напряжённости
электрического поля
и
вектором магнитного поля -магнитной индукцией
. Вектора и являются силовыми характеристиками электромагнитного поля, т.е. такими характеристиками, от которых зависит сила, действующая со стороны этого поля на любую находящуюся в нём заряженную частицу.
Электромагнитное поле по разному действует на заряженную частицу в том случае, когда эта частица покоится, и в том случае, когда она движется.
Сила, с которой электромагнитное поле действует на покоящийся в данной системе отсчёта заряд, называется электрической силой
Сила, действующая в электромагнитном поле на движущийся заряд и дополнительная к электрической силе, называется магнитной силой
или
силой Лоренца
:
В 1892 г. Лоренц получает формулу силы, с которой электромагнитное поле действует на любую находящуюся в нём заряженную частицу:
Эта сила называется электромагнитной силой Лоренца,
а данное выражение является одним из основных законов классической электродинамики.
В теории решена основная задача электродинамики — по заданному распределению зарядов и токов определяются характеристики создаваемых ими электрических и магнитных полей. Уравнения Максвелла учитывают среду феноменологически, т. е. не раскрывают механизма взаимодействия среды и поля. Среда описывается с помощью трех величин: диэлектрической проницаемостью ε, магнитной проницаемостью μ и удельной электрической проводимостью γ.
Теория Максвелла – теория близкодействия, согласно которой электрические и магнитные взаимодействия распространяются с конечной скоростью, равной скорости света в данной среде.
В основе теории Максвелла лежат два положения.
1. Всякое переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное.
2. Всякое переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое.
При изучении явления электромагнитной индукции было показано, что переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, которое не связано с зарядами, как в случае электростатического поля; его силовые линии не начинаются и не заканчиваются на зарядах, а замкнуты сами на себя, подобно силовым линиям магнитного поля.
Сущность явления электромагнитной индукции заключается
не столько в появлении индуцированного тока, сколько в возникновении вихревого электрического поля. Это фундаментальное положение электродинамики установлено Максвеллом как обобщение закона электромагнитной индукции Фарадея.
Направление вектора напряженности вихревого электрического поля устанавливается в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея и правилом Ленца:
Согласно определению электродвижущей силы
EСТ -напряжённость поля сторонних сил.
В явлении электромагнитной индукции этой величиной является напряжённость вихревого электрического поля, поэтому
Уравнение (18.2) выражает количественную связь между изменяющимся магнитным полем В
и вихревым электрическим полем
Е
:
Циркуляция вектора напряженности электрического поля по любому замкнутому контуру пропорциональна скорости приращения магнитного потока сквозь любую поверхность, ограниченную данным контуром.
При этом циркуляция электрического поля и скорость приращения магнитного потока имеют противоположные знаки.
Формула (18.3) выражает первое уравнение Максвелла
в интегральной форме.
- Ток смещения. Второе уравнение Максвелла
При рассмотрении постоянного и переменного токов в проводнике имеют место физические эффекты, которые, как правило, отличаются друг от друга. Например, когда по проводнику проходит постоянный ток, то линии тока всегда замкнуты. Обратимся к процессу прохождения переменного тока по цепи, содержащей конденсатор. Между пластинами конденсатора заряды не могут перемещаться. Это приводит к тому, что линии тока обрываются у поверхности пластины конденсатора, в результате чего ток проводимости, текущий по проводнику, соединяющему обкладки конденсатора, оказывается разомкнутым. До сих пор мы исходили из представления, что электрические токи представляют собой движение электрических зарядов по проводникам и что плотность их определяется электропроводимостью проводника. В плоском конденсаторе одна из обкладок его имеет положительный заряд с поверхностной плотностью +σ, другая — отрицательный с поверхностной плотностью — σ (рис.18.1). При разряде конденсатора через проводник, соединяющий обкладки, ток течет от обкладки М к N.
Плотность тока j внутри обкладки конденсатора определяется производной по времени от плотности электрического заряда:
Ток такой плотности течет от обкладки М конденсатора.
Обратимся теперь к тому, что происходит в это время между обкладками конденсатора. Как известно, электрическое смещение поля связано с напряженностью соотношением
а напряженность поля внутри конденсатора равна
Объединяя формулы (18.5), (18.6), получаем, что электрическая индукция между обкладками конденсатора равна
При разряде конденсатора изменяется со временем поверхностная плотность σ заряда пластин конденсатора; следовательно, в соответствии с формулой (18.7) изменяется и электрическая индукция D:
Так как вектор электрического смещения поля направлен от положительно заряженной пластины N к отрицательно заряженной пластине М, то при разряде конденсатора скорость изменения электрической индукции отрицательна и направлена в сторону, противоположную вектору D
. Из сказанного следует, что направление вектора совпадает с направлением тока в цепи, в которую включен конденсатор. Как видно из уравнений (18.4) и (18.8), плотность электрического тока j и величина равны между собой.
Максвелл назвал величину плотностью тока смещения
Таким образом, ток смещения
— это скорость изменения электрического смещения
, определяемого по формуле
[Е — напряженность электрического поля, Р — поляризованность].
Плотность тока смещения
[- плотность тока смещения в вакууме: — плотность тока поляризации, т. е. упорядоченного движения электрических зарядов в диэлектрике].
Так как числовые значения плотности тока смещения jсм и плотности тока проводимости j равны, то линии плотности тока проводимости внутри проводника (естественно, включая и пластины конденсатора) непрерывно переходят в линии плотности тока смещения между обкладками конденсатора. Для того чтобы ток был замкнут, вводится понятие полного тока
, который включает в себя сумму тока проводимости и тока смещения; т. е. плотность полного тока равна
Таким образом, ток смещения – переменное электрическое поле; подобно току проводимости, порождает магнитное поле, силовые линии которого всегда замкнуты.
Максвелл, обобщая закон полного тока
и вводя в правую часть тока проводимости также ток смещения, нашёл уравнение
Получившее название второго уравнения Максвелла.
В систему уравнений Максвелла кроме двух описанных выше входят теорема Гаусса для электрического и магнитных полей:
- Теорема Гаусса для поля D
При непрерывном распределении заряда внутри замкнутой поверхности с объёмной плотностью выражение имеет вид
- Теорема Гаусса для поля В:
- Полная система уравнений в интегральной форме
Первые два уравнения
свидетельствуют о том, что электрическое поле возникает как вокруг неподвижных зарядов, так и в том случае, когда происходит изменение индукции магнитного поля во времени
.
Вторые два уравнения
показывают, что магнитное поле является вихревым и возникает лишь при наличии электрических токов или изменяющегося во времени электрического поля или того и другого одновременно, т.е. никаких магнитных зарядов не существует.
Из уравнений Максвелла следует, что электрические и магнитные поля являются проявлением единого электромагнитного поля
Обычно к системе уравнений максвелла присоединяют формулы, выражающие связь между и , и
Физический смысл уравнений Максвелла:
1.Электромагнитное поле можно разделить на электрическое и магнитное лишь относительно;
. Изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле, и изменяющееся электрическое поле порождает магнитное, причём эти поля взаимосвязаны.
Из уравнений Максвелла следует, что электромагнитное поле способно существовать в отсутствии электрических зарядов и токов.
При этом изменение его состояния имеет волновой характер, т.е. является электромагнитной волной. Электромагнитная волна в вакууме распространяется со скоростью света. Теоретические предсказания Максвелла подтвердили опыты Герца и изобретение радио Поповым
§ 18.2
Электромагнитные волны
Г
ипотеза Максвелла предполагает существование электромагнитной волны,
которая представляет собой распространяющиеся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис.18.3).
Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью
где ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε0 и μ0 – электрическая и магнитная постоянные: ε0 = 8,85419·10–12 Ф/м, μ0 = 1,25664·10–6 Гн/м.
Длина волны λ в синусоидальной волне связана со скоростью υ распространения волны соотношением λ = υT
Скорость электромагнитных волн в вакууме (ε = μ = 1):
Скорость c распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.
Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия, в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия
В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры». Поэтому объемные плотности электрической и магнитной энергии равны друг другу: ωЭ= ωм
Отсюда следует, что в электромагнитной волне модули индукции магнитного поля и напряженности электрического поля в каждой точке пространства связаны соотношением
Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S (рис. 2.6.3), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δt через площадку протечет энергия ΔWэм, равная
| ΔWэм = (ωэ + ωм)υSΔt. |
Плотностью потока или интенсивностью I называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади:
Подставляя сюда выражения для ωэ, ωм и υ, можно получить:
Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора , направление которого совпадает с направлением распространения волны, а модуль равен . Этот вектор называют вектором Умова-Пойнтинга
В синусоидальной (гармонической) волне в вакууме среднее значение Iср плотности потока электромагнитной энергии равно
где E0 – амплитуда колебаний напряженности электрического поля.
Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м2).
Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения объясняется тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно 5 мкПа. Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены П. Н. Лебедевым в 1900 г. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла.
Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс. Импульс электромагнитного поля в единичном объеме выражается соотношением
где ωэм – объемная плотность электромагнитной энергии, c – скорость распространения волн в вакууме. Наличие электромагнитного импульса позволяет ввести понятие электромагнитной массы.
Для поля в единичном объеме
Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля в единичном объеме является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности, оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения.
Таким образом, электромагнитное поле обладает всеми признаками материальных тел – энергией, конечной скоростью распространения, импульсом, массой. Это говорит о том, что электромагнитное поле является одной из форм существования материи.
Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано примерно через 15 лет после создания теории в опытах Г. Герца (1888 г.). Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства – поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.
Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после этих опытов электромагнитные волны нашли применение в беспроводной связи (А. С. Попов, 1895 г.).
Электромагнитные волны могут возбуждаться только ускоренно движущимися зарядами. Цепи постоянного тока, в которых носители заряда движутся с неизменной скоростью, не являются источником электромагнитных волн. В современной радиотехнике излучение электромагнитных волн производится с помощью антенн различных конструкций, в которых возбуждаются быстропеременные токи.
Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является небольшой по размерам электрический диполь, дипольный момент которого быстро изменяется во времени: p=р0cosωt.
Такой элементарный диполь называют диполем Герца
. В радиотехнике диполь Герца эквивалентен небольшой антенне, размер которой много меньше длины волны λ (рис. 18.4).
Рис. 18.5 дает представление о структуре электромагнитной волны, излучаемой таким диполем. Следует обратить внимание на то, что максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль своей оси диполь не излучает энергии. Герц использовал элементарный диполь в качестве излучающей и приемной антенн при экспериментальном доказательстве существования электромагнитных волн.
Из теории Максвелла следует, что различные электромагнитные волны имеют общую природу.
Опытами Герца была установлена идентичность природы электромагнитного излучения и света. Из этого следовал очень важный вывод, что видимый свет представляет электромагнитное излучение. Дальнейшие исследования подтвердили, что не только видимый свет, но и инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, рентгеновское и гамма- излучение имеют электромагнитную природу, т. е. электромагнитные волны имеют очень широкий диапазон частот или длин волн.
Спектр электромагнитного излучения охватывает радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Названия для лучей, лежащих в различных областях спектра, сложились исторически. Электромагнитные волны всех участков распространяются в пространстве с одной и той же скоростью. Отличаются они друг от друга только длиной волны:
[с — скорость света, ν— частота].
Радиоволны и УКВ имеют длину волны от нескольких километров до нескольких сантиметров. Генерируют их с помощью вибраторов различных конструкций. В лабораторных условиях получено с помощью радиотехнических устройств электромагнитное излучение, длина которого измеряется миллиметрами, т. е. находится в диапазоне инфракрасного излучения.
Инфракрасное излучение, видимый свет и ультрафиолетовые лучи испускают тела, нагретые до различных температур. Чем выше температура тела, тем короче длина волны испускаемых им электромагнитных волн. Рентгеновское излучение возникает при резком торможении заряженных частиц — электронов. Гамма-излучение испускается при радиоактивном распаде атомов.
Сравнительная таблица
Главные особенности и отличия рассматриваемых понятий приведены в таблице:
Замкнутый контур с током.
«Законодательная база»
Исследование полей, магнитного и электрического, осуществляется по ранее открытым физическим законам. Так, для электрического поля, при исследовании протекающих внутри него процессов, бесценную помощь оказали исследования и опыты, проведенные кулоном. Магнитное поле проще себе представить, воспользовавшись законом Ампера, применительно к расположению ладони человека. Так, чтобы определить направление действия силы, воздействующей на проводник, необходимо расположить ладонь следующим образом:
– 4 пальца, сложенные вместе, указывают на направление протекающего тока;
– силовые линии магнитного поля входят в ладонь;
– большой палец руки, находящийся под углом в 90 градусов по отношению к другим пальцам ладони, укажет направление воздействия искомой силы.