Т. Электромагнитное поле

Материал из PhysBook

Вихревое электрическое поле

Если замкнутый проводник, находящийся в магнитном поле, неподвижен, то объяснить возникновение ЭДС индукции действием силы Лоренца нельзя, так как она действует только на движущиеся заряды.

Известно, что движение зарядов может происходить также под действием электрического поля Следовательно, можно предположить, что электроны в неподвижном проводнике приводятся в движение электрическим полем, и это поле непосредственно порождается переменным магнитным полем. К этому выводу впервые пришел Дж. Максвелл.

Электрическое поле, создаваемое переменным магнитным полем, называется индуцированным электрическим полем. Оно создается в любой точке пространства, где имеется переменное магнитное поле, независимо от того, имеется ли там проводящий контур или нет. Контур позволяет лишь обнаружить возникающее электрическое поле. Тем самым Дж. Максвелл обобщил представления М. Фарадея о явлении электромагнитной индукции, показав, что именно в возникновении индуцированного электрического поля, вызванного изменением магнитного поля, состоит физический смысл явления электромагнитной индукции.

Индуцированное электрическое поле отличается от известных электростатического и стационарного электрического полей.

1. Оно вызвано не каким-то распределением зарядов, а переменным магнитным полем.

2. В отличие от линий напряженности электростатического и стационарного электрического полей, которые начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах, линии напряженности индуцированного поля — замкнутые линии. Поэтому это поле — вихревое поле.

Исследования показали, что линии индукции магнитного поля и линии напряженности вихревого электрического поля расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Вихревое электрическое поле связано с наводящим его переменным магнитным полем правилом левого винта:

если острие левого винта поступательно движется по направлению ΔΒ, то поворот головки винта укажет направление линий напряженности индуцированного электрического поля (рис. 1).

3. Индуцированное электрическое поле не является потенциальным. Разность потенциалов между любыми двумя точками проводника, по которому проходит индукционный ток, равна 0. Работа, совершаемая этим полем при перемещении заряда по замкнутой траектории, не равна нулю. ЭДС индукции и есть работа индуцированного электрического поля по перемещению единичного заряда по рассматриваемому замкнутому контуру, т.е. не потенциал, а ЭДС индукции является энергетической характеристикой индуцированного поля.

Относительность электрического и магнитного полей. Понятие об электромагнитном поле

Как было отмечено, согласно гипотезе Дж. Максвелла, в любой области пространства, где существует переменное магнитное поле, появляется вихревое электрическое поле, линии напряженности которого связаны с линиями магнитной индукции порождающего его магнитного поля правилом левого винта (рис. 1).

В середине 60-х годов XIX в. Дж. Максвелл пришел к выводу, что наряду с процессом появления вихревого электрического поля при изменении магнитного поля существует и обратный процесс, состоящий в том, что переменное электрическое поле вызывает появление переменного магнитного поля, линии индукции которого охватывают линии напряженности переменного электрического поля (рис. 2) и связаны с ними правилом правого винта. Совокупность неразрывно связанных переменных вихревых электрического и магнитного полей называют электромагнитным полем. Отдельное рассмотрение электрического и магнитного полей имеет относительный смысл. Так, если электростатическое поле создается системой неподвижных зарядов, по эти заряды, являясь неподвижными относительно одной инерциальной системы отсчета, движутся относительно другой и, следовательно, будут порождать не только электрическое, но и магнитное поле. Аналогично, неподвижный относительно одной инерциальной системы отсчета контур с постоянным током, возбуждая в каждой точке пространства постоянное магнитное поле, движется относительно других инерциальных систем отсчета, и создаваемое им переменное магнитное поле возбуждает вихревое электрическое поле. В природе существует единое электромагнитное поле.

Электромагнитное поле. Электромагнитные волны

Как было указано ранее , в пространстве, где изменяется магнитное поле, всегда появляется вихревое электрическое поле (индуцированное электрическое поле). При этом замкнутый контур позволяет его только обнаружить, поскольку поле существует независимо от наличия этого замкнутого контура. Линии напряженности вихревого электрического поля всегда замкнуты, и их направление связано с изменением наводящего (индуцирующего) магнитного поля правилом Ленца (правилом левого винта) (рис. 3, а), т.е. это поле носит вихревой, непотенциальный характер, подобно магнитному. Дж. Максвелл в связи с этим обстоятельством высказал мысль о возможном равноправии полей: при изменении магнитного поля возникает электрическое поле (рис. 3, а) и наоборот, при изменении электрического должно возникать магнитное поле (рис. 3, б).

Максвелл теоретически доказал свое предположение, создав теорию электромагнитного поля на основе двух постулатов:

1) переменное магнитное поле создает в окружающем его пространстве вихревое электрическое поле, линии напряженности которого представляют собой замкнутые линии, охватывающие линии индукции магнитного поля (рис. 3, а). Направление вектора напряженности вихревого электрического поля определяется по правилу левого винта: если острие левого винта поступательно движется по направлению вектора изменения магнитной индукции , то поворот головки винта указывает направление линий напряженности вихревого электрического поля;

2) переменное электрическое поле создает в окружающем его пространстве вихревое магнитное поле, линии индукции которого охватывают линии напряженности переменного электрического поля (рис. 3, б). Направление индукции магнитного поля, "порожденного" переменным электрическим полем, определяется по правилу правого винта: если острие правого винта поступательно движется по направлению вектора изменения напряженности электрического поля , то поворот головки винта указывает направление линий индукции магнитного поля. При этом чем больше скорость изменения напряженности электрического поля, тем более сильное возникает магнитное поле, связанное с электрическим: Точно так же, чем больше скорость изменения индукции магнитного поля, тем более сильное возникает электрическое поле:

Вихревое электрическое и магнитное поля "сцеплены" друг с другом, существуют одновременно, взаимно порождают друг друга. Нельзя создать переменное магнитное поле без того, чтобы в пространстве не возникло переменное вихревое электрическое поле. Не менее важно то обстоятельство, что электрическое поле без магнитного, и наоборот, могут существовать лишь по отношению к определенным системам отсчета. Так, покоящийся заряд создает только электростатическое поле. Но ведь заряд покоится лишь относительно определенной системы отсчета, а относительно другой он будет двигаться и, следовательно, создавать магнитное поле.

Совокупность неразрывно связанных друг с другом изменяющихся электрического и магнитного полей представляет собой электромагнитное поле. По своей природе электромагнитное поле не остается локализованным в месте зарождения, а распространяется в пространстве.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 350-351, 355, 432-434(2 абзаца).

Смотреть HD

видео онлайн

бесплатно 2022 года