Теория электромагнитного поля кратко

Nav view search

Навигация

Искать

Электромагнитное поле. Теория Максвелла

Подробности Категория: Электричество и магнетизм Опубликовано 05.06.2015 20:46 Просмотров: 14507

Переменные электрическое и магнитное поля при определённых условиях могут порождать друг друга. Они образуют электромагнитное поле, которое вовсе не является их совокупностью. Это единое целое, в котором эти два поля не могут существовать друг без друга.

Из истории

Опыт датского учёного Ханса Кристиана Эрстеда, проведенный в 1821 г., показал, что электрический ток порождает магнитное поле. В свою очередь, изменяющееся магнитное поле способно порождать электрический ток. Это доказал английский физик Майкл Фарадей, открывший в 1831 г. явление электромагнитной индукции. Он же является автором термина «электромагнитное поле».

В те времена в физике была принята концепция дальнодействия Ньютона. Считалось, что все тела действуют друг на друга через пустоту с бесконечно большой скоростью (практически мгновенно) и на любом расстоянии. Предполагалось, что и электрические заряды взаимодействуют подобным образом. Фарадей же считал, что пустоты в природе не существует, а взаимодействие происходит с конечной скоростью через некую материальную среду. Этой средой для электрических зарядов является электромагнитное поле. И оно распространяется со скоростью, равной скорости света.

Теория Максвелла

Объединив результаты предыдущих исследований, английский физик Джеймс Клерк Максвелл в 1864 г. создал теорию электромагнитного поля. Согласно ей, изменяющееся магнитное поле порождает изменяющееся электрическое поле, а переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле. Конечно, вначале одно из полей создаётся источником зарядов или токов. Но в дальнейшем эти поля уже могут существовать независимо от таких источников, вызывая появление друг друга. То есть, электрическое и магнитное поля являются составляющими единого электромагнитного поля. И всякое изменение одного из них вызывает появление другого. Эта гипотеза составляет основу теории Максвелла. Электрическое поле, порождаемое магнитным полем, является вихревым. Его силовые линии замкнуты.

Эта теория феноменологическая. Это означает, что она создана на основе предположений и наблюдений, и не рассматривает причину, вызывающую возникновение электрических и магнитных полей.

Свойства электромагнитного поля

Электромагнитное поле — это совокупность электрического и магнитного полей, поэтому в каждой точке своего пространства оно описывается двумя основными величинами: напряжённостью электрического поля Е и индукцией магнитного поля В .

Так как электромагнитное поле представляет собой процесс превращения электрического поля в магнитное, а затем магнитного в электрическое, то его состояние постоянно меняется. Распространяясь в пространстве и времени, оно образует электромагнитные волны. В зависимости от частоты и длины эти волны разделяют на радиоволны, терагерцовое излучение, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское и гамма-излучение.

Векторы напряжённости и индукции электромагнитного поля взаимно перпендикулярны, а плоскость в которой они лежат, перпендикулярна направлению распространения волны.

В теории дальнодействия скорость распространения электромагнитных волн считалась бесконечной большой. Однако Максвелл доказал, что это не так. В веществе электромагнитные волны распространяются с конечной скоростью, которая зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости вещества. Поэтому Теорию Максвелла называют теорией близкодействия.

Экспериментально теорию Максвелла подтвердил в 1888 г. немецкий физик Генрих Рудольф Герц. Он доказал, что электромагнитные волны существуют. Более того, он измерил скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, которая оказалась равной скорости света.

В 1895 г. русский физик Александр Степанович Попов применил электромагнитные волны в беспроводной связи.

Электромагнитное поле материально. Ему присущи все признаки материальных тел: энергия, конечная скорость распространения, масса, импульс.

Уравнения Максвелла

Теорию электромагнитного поля Максвелл описал с помощью математических формул. Он обобщил множество законов и объединил их в систему из четырёх дифференциальных уравнений, которые устанавливают связь между электрическими и магнитными полями. По своей значимости в электродинамике они имеют такое же значение, как законы Ньютона в механике.

Закон Гаусса

Электрическое поле создаётся электрическим зарядом. Следовательно, заряд является источником электромагнитной индукции.

В интегральной форме этот закон выглядит так:

Закон Гаусса для магнитного поля

Поток магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю.

Физический смысл этого закона в том, что в природе не существует магнитных зарядов. Полюса магнита разделить невозможно. Силовые линии магнитного поля замкнуты.

Закон индукции Фарадея

Изменение магнитной индукции вызывает появление вихревого электрического поля.

Теорема о циркуляции магнитного поля

В этой теореме описаны источники магнитного пόля, а также сами поля, создаваемые ими.

Читайте также:  Алтуфьевское шоссе дом 1

Электрический ток и изменение электрической индукции порождают вихревое магнитное поле.

Е – напряжённость электрического поля;

Н – напряжённость магнитного поля;

В – магнитная индукция. Это векторная величина, показывающая, с какой силой магнитное поле действует на заряд величиной q, движущийся со скоростью v;

D – электрическая индукция, или электрическое смещение. Представляет собой векторную величину, равную сумме вектора напряжённости и вектора поляризации. Поляризация вызывается смещением электрических зарядов под действием внешнего электрического поля относительно их положения, когда такое поле отсутствует.

Δ – оператор Набла. Действие этого оператора на конкретное поле называют ротором этого поля.

Δ х Е = rot E

ρ — плотность стороннего электрического заряда;

j — плотность тока — величина, показывающая силу тока, протекающего через единицу площади;

с – скорость света в вакууме.

Изучением электромагнитного поля занимается наука, называемая электродинамикой. Она рассматривает его взаимодействие с телами, имеющими электрический заряд. Такое взаимодействие называется электромагнитным. Классическая электродинамика описывает только непрерывные свойства электромагнитного поля с помощью уравнений Максвелла. Современная квантовая электродинамика считает, что электромагнитное поле обладает также и дискретными (прерывными) свойствами. И такое электромагнитное взаимодействие происходит с помощью неделимых частиц-квантов, не имеющих массы и заряда. Квант электромагнитного поля называют фотоном.

Электромагнитное поле вокруг нас

Электромагнитное поле образуется вокруг любого проводника с переменным током. Источниками электромагнитных полей являются линии электропередач, электродвигатели, трансформаторы, городской электрический транспорт, железнодорожный транспорт, электрическая и электронная бытовая техника – телевизоры, компьютеры, холодильники, утюги, пылесосы, радиотелефоны, мобильные телефоны, электробритвы — словом, всё, что связано с потреблением или передачей электроэнергии. Мощные источники электромагнитных полей – телевизионные передатчики, антенны станций сотовой телефонной связи, радиолокационные станции, СВЧ-печи и др. А так как таких устройств вокруг нас довольно много, то электромагнитные поля окружают нас повсюду. Эти поля воздействуют на окружающую среду и человека. Нельзя сказать, что это влияние всегда негативное. Электрические и магнитные поля существовали вокруг человека давно, но мощность их излучения ещё несколько десятилетий назад был в сотни раз ниже нынешнего.

До определённого уровня электромагнитное излучение может быть безопасным для человека. Так, в медицине с помощью электромагнитного излучения низкой интенсивности заживляют ткани, устраняют воспалительные процессы, оказывают обезболивающее действие. Аппараты УВЧ снимают спазмы гладкой мускулатуры кишечника и желудка, улучшают обменные процессы в клетках организма, снижая тонус капилляров, понижают артериальное давление.

Но сильные электромагнитные поля вызывают сбои в работе сердечно-сосудистой, имунной, эндокринной и нервной систем человека, могут вызывать бессонницу, головные боли, стрессы. Опасность в том, что их воздействие практически незаметно для человека, а нарушения возникают постепенно.

Каким образом защититься от окружающего нас электромагнитного излучения? Полностью это сделать невозможно, поэтому нужно постараться свести к минимуму его воздействие. Прежде всего нужно расположить бытовые приборы таким образом, чтобы они находились подальше от тех мест, где мы находимся чаще всего. Например, не нужно садиться слишком близко к телевизору. Ведь чем дальше расстояние от источника электромагнитного поля, тем слабее оно становится. Очень часто мы оставляем прибор, включенным в розетку. Но электромагнитное поле исчезает, лишь когда прибор отключается от электрической сети.

Влияют на здоровье человека и естественные электромагнитные поля – космическое излучение, магнитное поле Земли.

Электрические и магнитные явления известны человечеству с античных времен, ведь все же видели молнию, и многие древние знали о магнитах, притягивающих некоторые металлы. Багдадская батарейка, изобретенная 4000 лет назад — одно из свидетельств того, что задолго до наших дней человечество электричеством пользовалось, и судя по всему знало как оно работает. Тем не менее, считается, что до начала 19 века электричество и магнетизм рассматривались всегда отдельно друг от друга, принимались как несвязанные между собой явления, и относились к различным разделам физики.

Изучение магнитного поля началось в 1269 году, когда французский учёный Пётр Перегрин (рыцарь Пьер из Мерикура) отметил магнитное поле на поверхности сферического магнита, применяя стальные иглы, и определил, что получающиеся линии магнитного поля пересекались в двух точках, которые он назвал «полюсами» по аналогии с полюсами Земли.

Эрстед в своих экспериментах только в 1819 году обнаружил отклонение стрелки компаса, расположенного вблизи проводника с током, и тогда ученым был сделан вывод о том, что существует некая взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями.

Спустя 5 лет, в 1824 году, Ампер сумел математически описать взаимодействие токонесущего проводника с магнитом, а также взаимодействие проводников между собой, так появился Закон Ампера: «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».

Читайте также:  Дятьково мягкая мебель официальный сайт

Относительно действия магнита на ток, Ампер предположил, что внутри постоянного магнита присутствуют микроскопические замкнутые токи, которые и создают магнитное поле магнита, взаимодействующее с магнитным полем токонесущего проводника.

Еще через 7 лет, в 1831 году, Фарадей опытным путем обнаружил явление электромагнитной индукции, то есть ему удалось установить факт появления в проводнике электродвижущей силы в момент, когда на этот проводник действует изменяющееся магнитное поле. Смотрите — практическое применение явления электромагнитной индукции.

Например двигая постоянный магнит возле проводника, можно получить в нем пульсирующий ток, а подавая пульсирующий ток в одну из катушек, на общем железном сердечнике с которой находится вторая катушка, во второй катушке также появится пульсирующий ток.

Через 33 года, в 1864 году, Максвелл сумел обобщить математически уже известные электрические и магнитные явления, — он создал теорию электромагнитного поля , согласно которой электромагнитное поле включает в себя взаимосвязанные электрическое и магнитное поля. Так, благодаря Максвеллу, стало возможным научное математическое объединение результатов предшествующих экспериментов в электродинамике.

Следствием этих важных выводов Максвелла явилось его предсказание о том, что в принципе любое изменение в электромагнитном поле должно порождать электромагнитные волны, которые распространяются в пространстве и в диэлектрических средах с некоторой конечной скоростью, которая зависит от магнитной и диэлектрической проницаемостей среды распространения волн.

Для вакуума эта скорость оказалась равна скорости света, в связи с чем Максвелл предположил, что свет — это тоже электромагнитная волна, и данное предположение позже подтвердилось (хотя еще за долго до экспериментов Эрстеда на волновую природу света указывал Юнг).

Максвелл же создал математическую основу электромагнетизма, и в 1884 году появились знаменитые уравнения Максвелла в современной форме. В 1887 году Герц подтвердит теорию Максвелла относительно электромагнитных волн: приемник зафиксирует посланные передатчиком электромагнитные волны.

Изучением электромагнитных полей занимается классическая электродинамика. В рамках же квантовой электродинамики электромагнитное излучение рассматривается как поток фотонов, в котором электромагнитное взаимодействие переносится частицами-переносчиками — фотонами — безмассовыми векторными бозонами, которые можно представить как элементарные квантовые возбуждения электромагнитного поля. Таким образом, фотон — это квант электромагнитного поля с точки зрения квантовой электродинамики.

Электромагнитное взаимодействие представляется сегодня одним из фундаментальных взаимодействий в физике, а электромагнитное поле — одно из фундаментальных физических полей наряду с гравитационным и фермионным.

Физические свойства электромагнитного поля

О наличии электрического, или магнитного, или и того и другого поля в пространстве можно судить по силовому действию со стороны электромагнитного поля на заряженную частицу или на ток.

Электрическое поле действует на электрические заряды, как на подвижные, так и на неподвижные, с определенной силой, зависящей от напряженности электрического поля в данной точке пространства в данный момент времени, и от величины пробного заряда q.

Зная силу (величину и направление), с которой электрическое поле действует на пробный заряд, и зная величину заряда, можно найти напряженность E электрического поля в данной точке пространства.

Электрическое поле создается электрическими зарядами, его силовые линии начинаются на положительных зарядах (условно проистекают от них), и заканчиваются на отрицательных зарядах (условно втекают в них). Таким образом, электрические заряды — это источники электрического поля. Еще одним источником электрического поля является изменяющееся магнитное поле, о чем математически свидетельствуют уравнения Максвелла .

Сила, действующая на электрический заряд со стороны электрического поля — это часть силы, действующей на данный заряд со стороны электромагнитного поля.

Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами (токами), либо изменяющимися во времени электрическими полями (об этом свидетельствуют уравнения Максвелла), и действует только на движущиеся электрические заряды.

Сила действия магнитного поля на движущийся заряд пропорциональна индукции магнитного поля, величине движущегося заряда, скорости его движения и синусу угла между вектором индукции магнитного поля B и направлением скорости движения заряда. Данная сила часто называется силой Лоренца , однако является лишь «магнитной» ее частью.

На самом деле сила Лоренца включает в себя электрическую и магнитную составляющие. Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами (токами), его силовые линии всегда замкнуты и охватывают ток.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ,

Независимо от назначения и принципа действия в электротехнических и радиотехнических устройствах наблюдаются одни и те же электромагнитные процессы, подчиняющиеся одним и тем же законам. Анализ работы и расчет параметров этих устройств возможен на основе теории электрических и магнитных цепей или теории электромагнитного поля.

Читайте также:  Обшиваем железную лестницу деревом

Теория электрических и магнитных цепейприменяется, когда можно выделить участки цепи с неизменными токами или магнитными потоками. Такие устройства можно рассчитать с помощью интегральных (усредненных по сечению) величин: ток, напряжение, магнитный поток.

Теория электромагнитного поля применяется, когда в электромагнитных устройствах ток или поток распределены неравномерно по сечению. Тогда для анализа таких устройств используют векторные величины, характеризующие электрическое или магнитное поле в каждой точке пространства: плотность электрического тока, напряженность электрического или магнитного поля, магнитную индукцию.

Теория электромагнитного поля позволяет точнее рассчитать процессы, протекающие в электротехническом устройстве, но при этом необходимо использовать более сложный математический аппарат: дифференциальные уравнения с частными производными, векторный анализ и т.п.

В теории электрических и магнитных цепей используется более простой математический аппарат: обычные алгебраические и дифференциальные уравнения с вещественными и комплексными параметрами. По существу, она является основной при расчете электротехнических и электронных устройств. При этом теория электромагнитного поля иногда используется для уточнения значения какого-то параметра, применяемого в теории электрических и магнитных цепей. Так, сопротивление проводника из-за поверхностного эффекта для заданной частоты можно рассчитать методами теории электромагнитного поля и дальше использовать это сопротивление при расчете методом теории электрических и магнитных цепей.

Под электромагнитным полем понимают вид материи, характеризующийся совокупностью взаимно связанных и взаимно обусловливающих друг друга электрического и магнитных полей. Электромагнитное поле обладает энергией, массой и количеством движения, как и обычное вещество, но масса очень мала. Характеризуют электромагнитное поле по силовому воздействию на электрические заряды. Электромагнитное поле может обнаруживаться в частных случаях либо как электрическое, либо как магнитное, либо как электромагнитное. При неподвижных зарядах, когда нет движения и электрического тока, обнаруживается только одна сторона электромагнитного поля – электрическое поле. При наличии равномерного движения зарядов и постоянного электрического тока обнаруживается неизменные во времени постоянное электрическое и магнитное поля. При неравномерном движении зарядов и переменном электрическом токе обнаруживается переменное электромагнитное поле.

Основными величинами, определяющими электрическое поле, являются напряженность электрического поля E и электрическая индукция D. Магнитное поле определяется магнитной индукцией B и напряженностью магнитного поля H. Если рассматривается электромагнитное поле в некоторой среде, характеризующейся относительной магнитной проницаемостью m и относительной электрической проницаемостью e, то связь между индукцией и напряженностью соответственно для магнитного и электрического полей имеет вид

Как правило, значения m и e нелинейно зависят от напряженности, потому обычно зависимость величин B(H) и D(E) – нелинейная.

Еще одной величиной, характеризующей электромагнитное поле, является плотность тока. Плотность тока может иметь в общем случае три составляющих

.

Плотность тока проводимости Jпр наблюдается в проводящих средах. Она пропорциональна электропроводности вещества g и напряженности электрического поля .

Плотность тока переноса Jпер обусловлена движением зарядов (например, в электронной лампе) со скоростью v.

Плотность тока смещения обусловлена изменением во времени напряженности электрического поля и поляризованности вещества

.

Основные уравнения, характеризующие электромагнитное поле, записываются в дифференциальной форме(уравнения Максвелла):

; (1.1)

; (1.2)

; (1.3)

. (1.4)

В уравнении (1.1) запись читается как «ротор аш». Ротор – это функция, характеризующая поле в рассматриваемой точке в отношении способности к образованию вихрей. Таким образом, всюду, где имеется электрический ток, создается вихревое магнитное поле.

В соответствии с уравнением (1.2) всюду, где есть изменение магнитного поля, создается вихревое электрическое поле.

В уравнении (1.3) запись читается как «дивергенция e». Дивергенция вектора E характеризует возникновение или исчезновение напряженности электрического поля в соответствующей точке пространства. Если дивергенция положительна, там исток, если отрицательна – там сток. Таким образом, напряженность электрического поля возникает на положительных зарядах и исчезает на отрицательных, т.е. имеет начало и конец. В отличие от этого в соответствии с уравнением (1.4) магнитное поле имеет всюду дивергенцию, равную нулю, т.е. не имеет ни начала, ни конца, или иными словами – непрерывно.

Для энергетической характеристики электромагнитного поля используют вектор Умова-Пойтинга, определяющий энергию, проходящую через единицу поверхности в единицу времени П=[EH]. При этом по теореме Умова-Пойтинга

, (1.5)

т.е. поток энергии, входящий внутрь объема, охватываемого замкнутой поверхностью S, расходуется на нагревание среды и изменение энергии электромагнитного поля .

Уравнение (1.5) может быть использовано для определения активного и индуктивного сопротивления проводника при переменном токе с учетом неравномерного распределения тока и напряженности электрического поля из-за поверхностного эффекта или эффекта близости (влияние близко расположенного проводника с током).

Дата добавления: 2014-12-27 ; Просмотров: 2283 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *