Электромагнитное поле

Явление электромагнитной индукции было открыто в 1831 году Майклом Фарадеем. Экспериментально было показано, что при изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает индукционный ток (рисунок 1).

При этом нам известно, что возникновение электрического тока возможно только при существовании электрического поля (рисунок 2). Получается, что изменение магнитного поля (его потока) приводит к возникновению электрического поля.

Здесь у нас возникает целый ряд вопросов, как и у ученых того времени. Отличается ли это электрическое поле от поля, созданного неподвижными зарядами? Где существует это поле: в проводнике или в пространстве вокруг него?

В том же 1831 году в Англии на свет появляется Джеймс Максвелл. Впоследствии он становится выдающимся ученым-физиком и в 1865 году создает теорию электромагнитного поля. Именно эта теория дает ответы на выше поставленные и другие вопросы. Можно сказать, что Джеймс Максвелл опередил время: он предсказал существование электромагнитного поля за 22 года до того, как оно было обнаружено экспериментально.

На данном уроке мы познакомимся с основными положениями теории Максвелла, дадим определение электромагнитному полю и вихревому электрическому полю, узнаем их свойства.

Основные положения теории Максвелла

При явлении электромагнитной индукции мы говорим о переменном магнитном поле. Так, изменяющийся магнитный поток порождает индукционный ток в проводнике. Ток в свою очередь существует только при наличии электрического поля. Значит, изменение магнитного потока приводит к возникновению электрического поля (рисунок 3).

Джеймс Максвелл в своей работе математически доказал, что электрическое и магнитные поля всегда связаны между собой.

Всякое изменение со временем магнитного поля порождает переменное электрическое поле.

Всякое изменение со временем электрического поля порождает переменное магнитное поле.

{"questions":[{"content":"Если происходит изменение магнитного поля, то [[fill_choice_big-1]].","widgets":{"fill_choice_big-1":{"type":"fill_choice_big","options":["возникает переменное электрическое поле","электрического поля не возникает","возникает постоянное электрическое поле"],"answer":0}}}],"mix":1}

Вихревое электрическое поле

Важный момент заключается в том, что переменное электрическое поле отличается от электростатического поля неподвижных зарядов (рисунок 4). Электростатическое поле является постоянным — не изменяется со временем. Его силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.

Силовые линии переменного электрического поля будут другими. Дело в том, что они, подобно линиям магнитного поля, замкнуты (рисунок 5). Само электрическое поле при этом называется вихревым.

Вихревое электрическое поле — это электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.

Получается, что переменное магнитное поле создает вихревое электрическое (рисунок 6). Далее это вихревое электрическое поле приводит в движение электрические заряды в проводнике — возникает индукционный ток.

{"questions":[{"content":"Силовые линии вихревого электрического поля [[fill_choice_big-4]].","widgets":{"fill_choice_big-4":{"type":"fill_choice_big","options":["замкнуты","начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных","начинаются на отрицательных зарядах и заканчиваются на положительных","совпадают с линиями магнитной индукции"],"answer":0}}}],"mix":1}

Напряженность электрического поля

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции $\vec B$, модуль которого мы можем рассчитать по формуле $B = \frac{F}{Il}$.

По аналогии для описания электрического поля также существует силовая характеристика. Она называется напряженностью и обозначается буквой $\vec E$.

Напряженность электрического поля — это векторная физическая величина, равная отношению силы, с которой поле действует на точечный положительный заряд помещенный в какую-то точку полю, к значению этого заряда:
$\vec E = \frac{\vec F}{q}$.

Вектор напряженности $\vec E$ всегда сонаправлен вектору силы $\vec F$, с которой электрическое поле действует на помещенный в него заряд. Поэтому для расчетов можно использовать модули этих величин: $E = \frac{F}{q}$.

Направление вектора напряженности в какой-либо точке поля совпадает с касательной к силовой линии электрического поля в этой же точке (рисунок 7). Силовые линии также называют линиями напряженности электрического поля.

В СИ напряженность измеряется в ньютонах на кулон или в вольтах на метр:

$[E] = \frac{Н}{Кл} = \frac{В}{м}$.

{"questions":[{"content":"Как называется силовая характеристика электрического поля?[[choice-8]]","widgets":{"choice-8":{"type":"choice","options":["Напряженность","Электрическая индукция","Сила тока","Электрический поток"],"answer":[0]}}}],"mix":1}

Электромагнитное поле

Согласно теории Максвелла порождающие друг друга переменные магнитное и электрическое поля образуют новое единое поле — электромагнитное (рисунок 8).

Электромагнитное поле — это особый вид материи, представляющий собой совокупность неразрывно связанных между собой переменных электрического и магнитного полей.

Если электрические заряды движутся с некоторым ускорением, то создаваемое ими электрическое поле изменяется со временем. Например, так будет происходить при колебаниях. При этом переменное электрическое поле $\vec E$ создает в пространстве переменное магнитное поле $\vec B$. Оно, в свою очередь, снова порождает переменное электрическое $\vec E’$, но уже на большем расстоянии от частицы (рисунок 9) и т. д. Далее такие изменения электромагнитного поля будут охватывать и более отдаленные области пространства. Такой процесс распространения электромагнитного поля представляет собой электромагнитную волну.

Источник электромагнитного поля — это ускоренно движущиеся электрические заряды.

{"questions":[{"content":"Если заряженная частица движется с некоторым ускорением, то вокруг нее существует [[fill_choice_big-12]].","widgets":{"fill_choice_big-12":{"type":"fill_choice_big","options":["электромагнитное поле","только магнитное поле","только вихревое электрическое поле","только электростатическое поле"],"answer":0}}}],"mix":1}

Неразрывная связь электрического и магнитного полей

Если магнитное и электрическое поля являются проявлением единого электромагнитного поля, то почему мы говорим, что вокруг неподвижного заряда существует только электрическое поле?

Все дело в системе отсчета, которую мы при этом используем. Электрический заряд может находиться в состоянии покоя относительно одной системы, но двигаться относительно другой. А если он будет двигаться, значит, будет порождать вокруг себя магнитное поле. Например, если рассматривать электрон в системе отсчета XOY, связанной с другим электроном, то его скорость будет равна нулю (рисунок 10). А в системе отсчета X’O’Y’, связанной с проводником, электрон будет двигаться.

Получается, что электрическое поле (электростатическое или вихревое) вокруг заряда существует в любой системе отсчета. Магнитное поле мы можем рассматривать в системе отсчета, относительно которой эти заряды движутся, а электромагнитное — в системе отсчета, относительно которой заряды движутся с некоторым ускорением.

То есть в зависимости от системы отсчета мы видим или одну составляющую электромагнитного поля, или другую, или их вместе. Это как проецирование пирамиды на плоскость (рисунок 11). Если смотреть на пирамиду сверху, то проекцией будет квадрат, а если сбоку — то треугольник. На плоскости это совершенно разные фигуры. Но это все еще пирамида, на которую мы смотрим с разных сторон. Так же и с полями: электрическое и магнитное поля являются двумя сторонами единого электромагнитного поля.

Объяснение электромагнитной индукции

С помощью понятия электромагнитного поля можно более подробно описать явление электромагнитной индукции.

Для примера рассмотрим опыт с постоянным магнитом, вращающимся внутри контура из проводника (рисунок 12).

При вращении магнита изменяется магнитный поток, пронизывающий неподвижный контур. По теории Максвелла при изменении магнитного потока возникает вихревое электрическое поле. Под его действием в движение приходят свободные заряды, всегда имеющиеся в проводнике. Так как рассматриваемый контур изготовлен из металла, то в движение приходят свободные электроны. Так в контуре возникает индукционный ток, о чем свидетельствуют показания гальванометра.

В данном случае (и в других похожих опытах) проводник, замкнутый на гальванометр, играет роль индикатора. Он помогает нам обнаружить возникшее в данной области пространства электрическое поле.

Электрическое поле существует независимо от наличия проводника.

{"questions":[{"content":"Если происходит изменение магнитного потока, то в этой области пространства при отсутствии проводника [[fill_choice_big-16]].","widgets":{"fill_choice_big-16":{"type":"fill_choice_big","options":["возникает вихревое электрическое поле","не возникает вихревое электрическое поле","возникает электростатическое поле"],"answer":0}}}],"mix":1}

Упражнение

В опыте, изображенном на рисунке 13, при замыкании ключа сила тока, протекающего через катушку А, в течение некоторого промежутка времени увеличивалась. При этом в цепи катушки С возникал кратковременный ток. Отличаются ли чем-нибудь электрические поля, под действием которых возникали токи в катушках А и С? Существовали бы эти поля в момент замыкания ключа, если бы не было катушки С с гальванометром?

Посмотреть ответ

Скрыть

Часто задаваемые вопросы