Электрическое поле и магнитное поле – Электрическое поле. Напряженность электрического поля.Электрические и Магнитные поля. Общее представление. — Советы на все случаи жизни — Каталог статей

Электрическое, магнитное и электромагнитное поле

Наиболее сложные понятия, с которыми приходится сталкиваться при изучении электротехники и радиотехники, — это понятия об электрическом, магнитном и электромагнитном поле. И дело здесь, пожалуй, не в том, что электрическое или магнитное поля нельзя увидеть или потрогать рукой. Ведь мы довольно четко, хотя и упрощенно, представляем себе атом, несмотря на то что посмотреть на него не можем.

Основная трудность состоит в том, что невозможно представить себе какую-нибудь модель поля подобно тому, как мы рисуем в своем воображении упрощенную модель атома. Понятие об электрическом, магнитном и электромагнитном полях лучше всего взять из простейших опытов. Затем можно будет дополнить и развивать эти понятия, используя огромные достижения математики и физики в области изучения полей.

Электрическое поле возникает вокруг всякого электрического заряда или вокруг предмета, на котором имеется избыток зарядов какого-нибудь одного знака. Мы потерли о шерсть пластмассовую палочку дли обычную гребенку, создав на ней избыток отрицательных зарядов, и пространство вокруг гребенки приобрело какие-то особые свойства: мелкие клочки бумаги, попадая в это пространство, начинают притягиваться к ней. Каким образом наэлектризованная гребенка действует на клочки бумаги? Может быть, действие электрических сил передается через частицы окружающего воздуха?

Ни в коем случае! Если мы проделаем свой опыт в пустоте, то клочки бумаги будут так же притягиваться к гребенке, как и в воздухе или в каком-либо другом газе (рис. 25). Значит, дело здесь не в молекулах, атомах или других частицах окружающей среды. Значит, вокруг электрического заряда (в данном случае вокруг наэлектризованной гребенки) существует какое-то особое состояние пространства, какая-то особая форма материи, через которую и передается действие электрических сил. Эта особая форма материи, существующая наряду с такой известной нам формой материи, как вещество, и есть электрическое поле.

Науке уже многое известно об электрическом поле. Известно, например, что оно обладает определенной массой и запасом энергии (в нашем опыте эта энергия расходуется на перемещение к гребенке клочков бумаги). Многого об электрическом поле мы еще не знаем, однако факт его существования, подтвержденный многочисленными опытами, не может вызывать никаких сомнений.

Другая особая форма материи, существование которой также подтверждается опытами, — это магнитное поле. Магнитное поле появляется как следствие движения электрических зарядов. В этом легко убедиться, если поднести компас к проводнику, по которому течет постоянный ток (рис. 7). Под действием магнитного поля, возникающего вокруг проводника с током, стрелка компаса несколько отклонится, так же как она отклонилась бы под действием обычного магнита. Магнитное поле, как и электрическое, обладает запасом энергии (в нашем примере часть этой энергии расходуется на поворот стрелки компаса).

Электрическое и магнитное поля тесно связаны с электрическим зарядом или его движением: уберите заряд — и электрическое поле исчезнет; прекратите ток в цепи — и магнитного поля нет. Но можно получить электрическое и магнитное поля, а точнее, более сложное, электромагнитное поле, не связанное с электрическими зарядами, как бы оторванное от них.

Электромагнитное поле имеет черты как электрического поля (как говорят, имеет электрическую составляющую), так и магнитного поля (магнитная составляющая). Это значит, что электромагнитное поле могло бы при определенных условиях и поворачивать стрелку компаса, подобно магнитному полю, и перемещать электрические заряды, подобно электрическому полю. Электрическая и магнитная составляющие тесно связаны между собой, и каждая из них обладает запасом энергии, определяющим энергию всего электромагнитного поля.

Электромагнитное поле возникает при любом, даже незначительном изменении тока в проводнике. Изменяясь вместе с током, оно воздействует на соседние участки пространства, передает им свою энергию, и в этих, соседних участках также образуется электромагнитное поле. Таким образом, во все стороны от проводника, со скоростью света — 300 000 км/сек — все дальше и дальше движется волна электромагнитного поля, перенося с собой запасы энергии, которые она получила еще в месте своего возникновения.

oldradiogid.ru

Чем магнитное поле отличается от электрического?

Магнитное и электрическое поля часто рассматриваются вместе, являясь, так сказать, двумя сторонами одной медали. Оба этих поля имеют много общего. Например, их обоих создают электрические заряды. На любые электрически заряженные тела действует кулоновская сила. Её ещё называют силой электростатического взаимодействия. Она прямо пропорциональна произведению модулей зарядов (знаки зарядов определяют лишь направление действия силы: притяжение или отталкивание) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между этими телами. В случае сфер или шаров считается квадрат расстояния из центров тел.

Электрическое поле

Если мы возьмём заряженное тело и условно назовём его центром, а второе заряженное тело будем перемещать вокруг центра, то кулоновскую силу можно записать как заряд, умноженный на напряжённость электрического поля. В значение напряжённости входят и значение заряда-центра, и квадрат расстояния от центра до второго заряда в данной точке пространства. То есть мы просто взяли обычную кулоновскую силу и всё, кроме значения одного из зарядов, назвали напряжённостью электрического поля.

В каждой точке этого поля своё значение и направление кулоновской силы. Такое поле называется векторным, ведь в каждой точке свои модуль и направление вектора, проведённого из начала координат (из заряда-центра) к этой точке.

Магнитное поле

Магнитное поле, как и электрическое, является векторным. Если электрическое поле создаётся любыми заряженными телами, то магнитное поле создаётся только движущимися зарядами. Таким зарядом может быть имеющая скорость частица, которая нередко встречается в задачах по физике, ток, ведь ток – это направленное движение заряженных частиц, металлическое тело, движущееся со скоростью. В этом случае в роли зарядов будут электроны, которые движутся вместе с самим телом. Напряжённость магнитного поля прямо пропорциональна скорости заряда и его значению. Как только заряд будет остановлен, магнитное поле исчезнет.

Магнитное поле соленоида и постоянного магнита

Примеры магнитных полей

Электромагнит состоит из провода, обмотанного вокруг ферромагнетика. При прохождении через провод тока, появляется магнитное поле. Ферромагнетик – такое вещество, которое может вести себя как магнит ниже определённой температуры, называемой температурой Кюри. В обычных условиях ферромагнетики ведут себя как магниты только при наличии магнитного поля. В электромагните поле создаётся электрическим током, и ферромагнетик начинает вести себя как магнит. Также интересным примером является магнитное поле Земли.

Магнитное поле Земли

В центре нашей планеты, как считают учёные, находится ядро, состоящее из жидкого железа. Железо – металл, и в нём свободно перемещаются электроны. Это ядро не статично, то есть оно движется, в связи с этим движутся электроны и создают магнитное поле. Если бы земное ядро начало останавливаться, как это было в фильме Джона Эмиела «Ядро Земли», земное магнитное поле действительно бы исчезло, что привело бы к катастрофическим последствиям.

Основные сходства и различия

И электрическое, и магнитное поля являются силовыми. Это значит, что в каждой точке пространства, где действует это поле, на заряд действует определённая для этой точки сила. В другой точке эта сила будет другой. Электромагнитное поле действует на заряженные тела и частицы, но при этом электрическое поле действует на все заряды, а магнитное – только на движущиеся.

Есть вещества, взаимодействующие с магнитным полем, хотя и не содержащие в себе движущихся зарядов, например, упомянутые выше ферромагнетики. Аналогичных веществ для электрического поля нет. У магнитов, природных или намагниченных тел (как стрелка компаса, например), есть два полюса, которые называются северным и южным.

Обычные электрические заряды более-менее однородны и полюсов не содержат. Однако электрические заряды бывают двух типов: положительные и отрицательные. Знак заряда влияет на направление кулоновской силы и, следовательно, на взаимодействие двух заряженных частиц. Знак заряда не будет влиять на взаимодействие других зарядов с магнитным полем, он лишь поменяет полюса местами.


























vchemraznica.ru

1.7. Электрические и магнитные поля

После
того, как были найдены законы взаимодействия
неподвижных и движущихся
зарядов, оставался без ответа вопрос о
том, как передается взаимодействие
между зарядами.

Как
может передаваться действие одного
тела на другое, если они находятся на
некотором расстоянии?

Отвечая
на поставленный вопрос, прежде всего
необходимо исследовать,
нет ли между этими телами каких-либо
связей, какой-либо среды, способной
передавать взаимодействие. Попытки
объяснить
передачу действия подобным образом
можно найти ещё
у

древних
мыслителей: «Тело не может действовать
там, где его нет».

В
эпоху зарождения классического
естествознания французский ученый Рене
Декарт (1596-1650 гг.)

провозгласил принцип согласно которому
действие передается через среду в
течение
некоторого
времени.

Принцип,
согласно которому действие передается
через промежуточное звено, через
посредника с конечной скоростью, лежит
в основе концепции близкодействия.

Когда
был открыт закон Всемирного тяготения,
и Ньютоном было
установлено,
что причиной движения являются силы,
большинство
ученых
склонны были считать, что взаимодействие
определяется
лишь
значением силы в той или иной точке
пространства.
По
представлениям
большинства ученых того времени, для
пере­дачи взаимодействия не нужен
никакой посредник. Утвердился принцип
дальнодействия (действие на расстоянии)
как способ передачи действия тяготения
через пустоту и мгновенно.

Закон
Кулона, состоявшийся под впечатлением
открытого Нью­тоном закона Всемирного
тяготения, также трактует взаимодействие
зарядов как «действие на расстоянии».
Кулон был убежден, что взаимодействие
зависит только от величин зарядов и от
расстояния между ними, а «пустота» между
зарядами никакого участия во взаимодействии
не принимает.

Концепция
дальнодействия
или действия на расстоянии:
тела
способны мгновенно «чувствовать»
присутствие друг друга без какой-либо
среды.

На
разных этапах развития науки доминировала
либо одна, либо другая концепции. Они
противостояли друг другу, ученые
приводили аргументы, математические
доказательства в подтверждение истинности
теории, сторонниками которой они
являлись. Иногда авторитет ученых,
склонных придерживаться той или иной
концепции, тоже был аргументом,
доказывающим справедливость теории.

К
XVIII в. оформляются две точки зрения на
проблему взаимодействия. Одна основана
на принципе дальнодействия, другая — на
принципе близкодействия.

В
30-е
г.
xix
в.
был
совершен поворот к концепции близкодействия,
но
только на более высоком уровне
представлений. Это сделал
великий английский естество испытатель
М. Фарадей (1791 – 1867 гг.) – творец основ
электромагнетизма. Фарадей выдвигает
концепцию поля. Согласно Фарадею,
электрические заряды не действуют друг
на друга непосредственно. Каждый из них
создает в окружающем пространстве
электрическое, магнитное (если заряд
движется) поля. Поле одного заряда
действует на другой заряд и наоборот.
Взаимодействие передается не мгновенно,
а с конечной скоростью.

Физические
поля
это
первичные
понятия.
Поле

это
одна
из
форм
существования
материи.

Поле
реально, оно не зависит от наших знании
о нем. Наши представления о том, что
такое поле,
образуются в результате
опытного исследования его свойств.

!Электрическое
поле создается зарядами.

Главное
свойство электрического поля — это
способность действовать на электрические
заряды (как на подвижные, так и на
неподвижные) с некоторой силой.

По
действию на заряд устанавливается
присутствие поля,

распределение его в пространстве,
изучаются все его характеристики.

Силовой
характеристикой электрического поля
яаляется физичес­кая
величина, называемая напряженностью
электрического
поля
.
Для
исследования силового действия
здектрического поля
заряда q
нужно поместить
в это поле пробный заряд
q0.
Практически
это будет
какое-то
заряженное
тело, которое имеет
малые размеры и
малый
заряд, чтобы
можно
было пренебречь влиянием этого заряда
на изучаемое поле. Согласно закону
Кулона на пробный заряд будет действовать
сила:

Найдем
отношениеF
к
q0:

Отношение,
как видно, не зависит от выбора пробного
заряда и характеризует поле в данной
точке. Это отношение зависит только от
величины заряда, который создает поле,
и от расстояния от источника поля до
точки, в которую помещают пробный заряд.
Абсолютно очевидно, что чем больше
величина заряда, создающе­го поле,
тем больше отношение; чем дальше помещают
пробный заряд от источника поля, тем
меньше величина, определяемая вышеуказанным
отношением. Величина, определяемая этим
отношением, является напряженностью Е
поля в данной точке.

Напряженность
электрического поля
это физическая величина, равная отношению
силы, действующей со стороны поля на
заряд, к величине этого заряда:

Напряженность
поля — величина векторная. За
направление вектора напряженности
электрического поля принимается
направление вектора кулоновской силы,

действующей на положи­тельный
электрический заряд, помещённый в данную
точку поля.

Единица
напряженности электрического поля в
СИ — ньютон на кулон (Н/Кл).

Если
значение напряженности в одних и тех
же точках пространства с течением
времени не меняется, то мы имеем дело с
постоянным электрическим полем. Если
значение
напряженности в одних и тех же точках
пространства с течением времени меняется,
то электрическое поле — переменное.

Электростатическое
поле

— электрическое поле, создаваемое
неподвижными зарядами.

Мы
живем в электрическом поле, напряженность
которого у поверх­ности Земли составляет
130 Н/Кл.

Если
электрическое поле создается несколькими
зарядами q1,
q2

qn
,
то напряженность поля системы зарядов
будет определяться как векторная сумма
напряженности полей, связанных с каждым
из зарядов в отдельности :

E
=
E1+
E2+
En.
(в
векторном виде)

Это
соотношение отражает принцип
наложения (суперпозиции) полей.

В
основе представлений Фарадея об
электрическом поле было
понятие
о силовых линиях, которые расходятся
во все стороны от
наэлектризованных
тел. Эти линии, дающие направление
действия электрической силы в каждой
точке, были известны уже давно. Их
наблюдали
и изучали как любопытное явление. Если
продолговатые кристаллики диэлектрика
(например, хинина) хорошо перемешать в
такой вязкой жидкости, как касторка, то
вблизи заряженных тел эти кристаллики
выстроятся в цепочки, образуя линии.

Силовые
линии по Фарадею — это наглядное
изображение реальных процессов,
происходящих в пространстве вблизи
наэлектризованных тел или магнитов.
Силовые линии помогают наглядно
представить распределение поля в
пространстве, и не более реальны, чем
параллели и меридианы на земном шаре.

Силовые
линии или линии напряженности —
это
линии, касательные к которым в каждой
точке пространства совпадают с
направлением вектора напряженности в
этой точке поля.

Вслучае поля точечного заряда силовые
линии радиальные прямые, расходящиеся
от заряда(рис.
6).

Направление
силовых линий совпадает с направлением
векторов напряженности поля. Силовые
линии
положительного заряда направлены от
заряда, а отрицательного – к заряду.

Силовые
линии
электростатического поля не замкнуты:
они начинаются на положительных зарядах
и оканчиваются на отрицательных.

Это
свидетельство того, что источниками
электрического поля
являются
электрические заряды.

Силовые
линии
электростатического поля не
пересекаются.

На
рис.
7

изображены силовые линии электрического
поля системы двух
зарядов:
разноименных
и
одноименных. Из рисунков видно, что по
густоте
линий
можно судить о напряженности
электрического
поля.

Электрическое
поле называется
однородным,
если вектор его напряженности
одинаков
во всех точках
пространства.
Пример такого поля —электрическое поле
между двумя близко расположенными
параллельными
пластинами,
равномерно заряженными по их поверхности
разноименными, равными по значению
зарядами.

На
рис.8
показаны силовые линии такого поля. На
рисунке

видно,
что
однородное электрическое поле существует
только в пространстве
между пластинами.

Важнейшим
свойством электрического поля как
особого вида
материи является наличие энергии.
Поля,
обладающие энергией, называются
потенциальными. Электростатическое
поле является потенциальным
полем. Наличие энергии
свидетельствует о том, что
при перемещении заряда в
однородном
электростатическом
поле
совершается работа, которая не
зависит от формы траектории
и на замкнутой траектории равна нулю.

Перейдем
к представлению магнитного поля.
Всякий движущийся
заряд создает в окружающем пространстве
магнитное
иоле,
способное действовать на другие
движущиеся заряды.

Главное
свойство магнитного поля —
это способность действовать
на
движущиеся заряды с определенной силой.

!
Создается магнитное поле только
движущимися электрическими зарядами
(проводниками стоком).

Силовая
характеристика магнитного поля,
по причинам исторического характера,
получила название не напряженность, а
индукция. Принято обозначать индукцию
магнитного поля буквой В.
Обычно
эту физическую величину вводят путем
рассмотрения действия магнитного поля
на маленькую пробную рамку с током.
Такая рамка должна иметь малые размеры,
чтобы по ее поведению можно было судить
о магнитном поле в малой области
пространства (в «точке»). Ток в этой
рамке должен быть достаточно мал, чтобы
его влиянием на источники исследуемого
магнитного поля можно было пренебречь.
Пробная рамка с током, помещенная в
магнитное поле, будет располагаться
определенным образом. Силы, действующие
на нее со стороны магнитного поля, будут
разворачивать рамку. Вращающий момент
сил будет максимален, когда рамка
ориентированна перпендикулярно магнитным
линиям. Отношение максимального
вращающего
момента
Ммах
к произведению силы тока I на площадь,
ограниченную рамкой, S
характеризует
магнитное поле в том месте, где расположена
рамка. Это отношение и принимают, по
определению, за модуль вектора магнитной
индукции В.

Модуль
вектора магнитной индукции

это физическая величина, численно равная
отношению максимального вращающего
момента, действующего на рамку с током
со стороны магнитного поля, к произведению
силы тока в рамке на площадь, ограниченную
рамкой:

За
единицу магнитной индукции в СИ принята
единица, которая называется тесла (Тл).

Как
и электрическое поле, магнитное поле
удовлетворяет принципу суперпозиции:
если магнитное поле создается несколькими
проводниками с током, то индукция
результирующего поля есть векторная
сумма индукций полей, создаваемых каждым
проводником.

Направление
вектора магнитной индукции определяется
с помощью правила
буравчика или правило винта с правой
нарезкой:

!Если
буравчик с правой резьбой ввинчивать
по направлению тока в проводнике, то
направление вращения рукоятки буравчика
совпадает с направлением силовых линий
магнитного поля, создаваемого этим
током.

Направление
магнитных силовых линий в каждой точке
совпадает с направлением вектора
магнитной индукции.

Как
и в случае электрического поля, картину
силовых линий магнитного поля можно
сделать «видимой». Для этого используют
мелкие железные опилки, которые в
магнитном поле намагничиваются и,
подобно маленьким магнитным стрелкам,
ориентируются
вдоль
силовых линий. Наблюдения за распределением
магнитного поля убеждают нас, что
силовые
линии магнитного поля всегда

замкнуты,
охватывают
проводник с током, который порождает
поле. Поля с замкнутыми силовыми линиями
являются вихревыми
полями. Замкнутость силовых линий
магнитного поля свидетельствует о том,
что в
природе нет магнитных зарядов.

studfiles.net

Kvant. Электрическое и магнитное поля — PhysBook

Белкин И.К. Электрическое и магнитное поля //Квант. — 1984. — № 3. — С. 28-31.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»

Вокруг всякого покоящегося в некоторой системе отсчета электрического заряда q существует, как известно, электростатическое поле. Если этот заряд точечный, то напряженность поля в любой точке на расстоянии r от него определяется формулой:

\(~E = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} \frac{q}{r^2}\) . (1)

Сила взаимодействия двух покоящихся точечных зарядбв q и q’, находящихся на расстоянии r друг от друга, равна

\(~F_{el} = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} \frac{qq’}{r^2}\) . (2)

Если заряды одинаковые (q = q’), то

\(~F_{el} = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} \frac{q^2}{r^2}\) . (2′)

Это хорошо известный закон Кулона. Подчеркнем, что эгот закон был установлен экспериментально. Входящая в формулы (1), (2) величина ε0 — это электрическая постоянная, равная 8,85·10-12 Кл2/(Н·м2).

Обсудим теперь ситуацию с зарядом, движущимся с постоянной скоростью \(~\vec \upsilon\). Скорость \(~\vec \upsilon\) мы измеряем относительно заранее выбранной системы отсчета, которую мы условно считаем неподвижной и обозначим буквой К.

Движущийся заряд — это электрический ток, а вокруг тока существует магнитное поле. Значит, движение заряда приводит к появлению магнитного поля в рассматриваемой нами системе отсчета К.

Обратите внимание на то, что если бы мы перешли в систему отсчета К’, движущуюся относительно системы К со скоростью, равной скорости заряда \(~\vec \upsilon\) никакого магнитного поля в этой системе не было бы (помещенная там магнитная стрелка (компас) оставалась бы в покое).

Вернемся, однако, снова в систему К. Из опыта мы знаем, что магнитное поле действует на электрический ток, а значит, и на движущийся заряд. Понятно, что между электрическими и магнитными явлениями должна существовать тесная связь.

Рассмотрим простой пример. Пусть заряд q движется со скоростью \(~\vec \upsilon\) (в системе К). Тогда в пространстве вокруг него есть и электрическое, и магнитное поля. Пусть теперь в какой-то точке, где электрическое и магнитное поля созданы зарядом q, оказался другой заряд q’, который движется со скоростью \(~\vec \upsilon\). Очевидно, что на него будут действовать электрическая и магнитная силы. Аналогичное утверждение можно сделать и про заряд q.

Если заряды движутся со скоростями не слишком большими (что такое «не слишком большие», выяснится ниже), то их электрические поля в каждый момент времени практически не отличаются от случая покоящихся зарядов, а силу электрического взаимодействия зарядов можно подсчитывать по закону Кулона (2).

Мы ограничимся дальше случаем не очень быстро движущихся зарядов. В этом случае можно довольно просто сравнить магнитные и электрические силы. Мы сделаем это для двух зарядов, скорости которых в некоторый момент оказались параллельными друг другу и перпендикулярными к линии, соединяющей эти заряды (рис. 1).

Рис. 1

Прежде вгего нам нужно понять, как индукция магнитного поля \(~\vec B\), создаваемого движущимся зарядом, связана с величиной этого заряда q и его скоростью \(~\vec \upsilon\). Проведем из точки, где находится заряд q в точку, в которой мы хотим вычислить индукцию \(~\vec B\), радиус-вектор \(~\vec r\). Обобщение результатов опытов показывает, что величина индукции определяется формулой

\(~B = kq \frac{\upsilon}{r^2} \sin \varphi\) . (3)

Здесь \(~r = |\vec r|\), φ — угол между векторами \(~\vec \upsilon\) и \(~\vec r\), a k — постоянная, определяемая опытным путем и равная 10-7 Н·с2/Кл2. Для интересующего нас случая φ = 90° и

\(~B = k\upsilon \frac{q}{r^2}\) . (3′)

Направление вектора \(~\vec B\) определяется по правилу буравчика (правого винта): если вращать вектор \(~\vec \upsilon\) по направлению к вектору \(~\vec r\) в той плоскости, в которой они оба лежат, и так, чтобы вращение происходило в направлении минимального утла между \(~\vec \upsilon\) и \(~\vec r\), то вектор \(~\vec B\) направлен перпендикулярно указанной плоскости и «смотрит» туда, куда «смотрел бы» ввинчиваемый буравчик (рис. 2).

Рис. 2

В формулы (3) и (3′) входит в качестве множителя то же отношение \(~\frac{q}{r^2}\), которое содержится и в выражении для напряженности электрического поля, создаваемого зарядом q в точке, где находится заряд q’. Это замечание позволяет нам установить связь между величинами В и Е. Учитывая (1), получаем

\(~B = k\upsilon \frac{q}{r^2} = 4 \pi \varepsilon_0 k \upsilon E\) .

Обозначим еще \(4 \pi k = \mu_0\), тогда

\(~B = \varepsilon_0 \mu_0 \upsilon E\) . (4)

Входящая в (4) величина μ0 носит название магнитной постоянной (по аналогии с электрической постоянной ε0). Зная k, мы вычислим μ0 = 1,256·10-6 Н·с2/Кл2.

Теперь, когда мы умеем вычислять магнитную индукцию В в точке, где находится заряд q’, можно определить и магнитную силу (силу Лоренца), действующую на заряд q’. В общем случае сила Лоренца

\(~F_L = q’ \upsilon’ B \sin \alpha\) . (5)

Здесь α — угол между векторами \(~\vec \upsilon’\) и \(~\vec B\). Направление вектора \(~\vec F_L\) определяется тоже по правилу правого буравчика (вектор \(~\vec \upsilon\) нужно поворачивать в направлении минимального угла к вектору \(~\vec B\) в плоскости, в которой лежат оба этих вектора, вектор \(~\vec F_L\) перпендикулярен этой плоскости).

В нашем случае угол α также равен 90°, и на заряд q’ действует сила

\(~F_m = q’ \upsilon’ B\) .

Подставляя сюда В из (3′), получим

\(~F_m = k \frac{q q’ \upsilon \upsilon’}{r^2} = \frac{\mu_0}{4 \pi} \frac{q q’ \upsilon \upsilon’}{r^2}\) . (6)

Электрическая сила, действующая между q и q’, определяется формулой (2). Предположим теперь еще, что q = q’, а \(~\vec \upsilon = \vec \upsilon’\). Тогда отношение

\(~\frac{F_m}{F_{el}} = \varepsilon_0 \mu_0 \upsilon^2\) .

Зная определенные из опыта постоянные ε0 и μ0, мы легко убедимся в том, что

\(~\frac{1}{\varepsilon_0 \mu_0} = 0 \cdot 10^{16} \frac{m^2}{c^2}\) .

Но стоящая в этой формуле справа величина есть квадрат скорости света! Это, конечно, не случайное совпадение. Обозначая скорость света буквой с, получим окончательно:

\(~\frac{1}{\varepsilon_0 \mu_0} = c^2\) . (7)

и

\(~\frac{F_m}{F_{el}} = \left( \frac{\upsilon}{c} \right)^2\) . (8)

Это очень важные формулы. Формула (7) еще раз подтверждает существование глубокой связи электрических и магнитных явлений. Из формулы (8) мы можем сделать вывод, что отношение магнитных и электрических сил для многих практически интересных случаев оказывается малой величиной. Например, обычно направленная скорость электронов в металле при прохождении тока составляет десятые доли миллиметра в секунду. В таких случаях магнитное взаимодействие электронов примерно в 1024 раз меньше их электрического взаимодействия. Стоит ли вообше считаться с магнитным взаимодействием движущихся зарядов? Оказывается, стоит и вот почему. Во всяком проводнике имеются в равном числе заряженные частицы обоих знаков. Поэтому проводники с током электрически практически нейтральны. Электрические силы в проводниках с огромной точностью скомпенсированы, а при их отсутствии даже очень малые магнитные силы оказываются существенными. В электрических моторах движущиеся в их обмотках электроны взаимодействуют именно магнитными силами. Именно за счет магнитных сил приводятся в движение двигатели.

Вспомним теперь, что в наших рассуждениях мы сделали допущение о «ие слишком больших скоростях». Теперь можно сказать, что мы имели в виду малость скоростей частиц по сравнению со скоростью света. Это было нужно нам для того, чтобы не возникло необходимости пользоваться более сложными (релятивистскими) формулами. Например, при скоростях заряженных частиц, близких к скорости света, уже нельзя записывать формулу для напряженности электрического поля в виде (1).

Так же, как и другие физические величины, например, скорости и ускорения частиц, силы, действующие на них, напряженность электрического поля и индукция магнитного поля зависят от того, в какой системе отсчета мы их рассматриваем (измеряем). Выше мы уже говорили, например, о том, что если магнитное поле существует в системе К, то из-этого еще не следует, что оно сохранится в системе К’. Система К’, которую мы рассматривали, двигалась со скоростью, равной скорости \(~\vec \upsilon\) интересовавшего нас заряда. И магнитное поле в системе К’ отсутствовало. В общем случае и вектор \(~\vec E\), и вектор \(~\vec B\) относительны, то есть зависят от того, в какой системе отсчета находится наблюдатель с приборами, измеряющими эти величины.

Для нас существенно то, что при скоростях, малых по сравнению со скоростью света, электрическое поле изменяется мало. Количественной характеристикой этой малости как раз и служит отношение \(~\left( \frac{\upsilon}{c} \right)^2\).

Заметим, впрочем, что формула (8) оказывается справедливой и при скоростях, близких к скорости света. Поэтому для релятивистских частиц, движущихся со скоростью, лишь немногим меньшей скорости света, величины магнитных и электрических сил могут отличаться не очень сильно.

Подводя итог нашим вычислениям, еще раз подчеркнем, что для многих задач магнитное взаимодействие оказывается существенным, даже если оио мало по сравнению с электрическим.

Остановимся совсем кратко на других отличиях магнитного и электрического (электростатического) полей. Одно из этих отличий состоит в том, что линии действия электрических сил (силовые линии электростатического поля) имеют начало и конец. Они начинаются на положительных зарядах и кончаются на отрицательных. Работа при перемещении заряда между двумя фиксированными точками в электростатическом поле не зависит от формы и длины траектории, а работа, совершаемая при движении заряда по замкнутой траектории, равна нулю. Благодаря этому свойству электростатического поля каждая его точка характеризуется не только напряженностью, но и потенциалом.

Линии же магнитной индукции, в отличие от силовых линий электростатического поля, не имеют начала и конца. Они замкнуты и охватывают ток. Каждая точка магнитного поля характеризуется величиной магнитной индукции, но не потенциалом.

Сила, действующая на заряд в электростатическом поле, всегда направлена по касательной к силовым линиям. Если рассматривать в магнитном поле участки проводников с током или движущиеся заряженные частицы, то силы, действующие на них, направлены не по касательной к линиям индукции, а перпендикулярно к ним (сила Лоренца, закон Ампера). Сила в магнитном поле может вовсе не вызывать поступательного движения, а лишь поворот (рамка с током в однородном магнитном поле; движение заряда по окружности в плоскости, перпендикулярной однородному магнитному полю).

Все сказанное говорит о том, что электростатическое поле во многом не похоже на магнитное. Связь электрических и магнитных полей вовсе не означает, что между ними не существует различий.

www.physbook.ru

Магнитное поле и электрический ток

Между электрическим током и магнитным полем существует тесная связь. Давайте рассмотрим ее подробно. Там где течет электрический ток, мы всегда находим и магнитное поле. Дело в том, что электрический ток в проводнике всегда сопровождается магнитным, а точнее говоря — электромагнитным полем. Существование электрического тока в проводнике обязательно связано с образованием магнитного поля. Какое это магнитное поле и насколько оно сильное зависит от величины тока и от среды, в которой протекает этот ток?

Если говорить о токе в электролите, например ток в аккумуляторе в виде направленного движения ионов, то никакого столь заметного магнитного поля порождаемого таким током мы не обнаружим, но вокруг того медного проводника, которым мы замкнем клеммы аккумулятора мы сможем наблюдать магнитное поле.

Наглядный пример с простенькой схемой, где имеется химический источник тока B1, а в качестве нагрузки лампа накаливания h2, демонстрирует нам свойства электрического тока в проводнике. При замыкании электрического ключа (простой выключатель) S1 спираль в лампе h2 раскаляется и начинает излучать свет, а стрелка компаса рядом с проводником с током I начинает отклонятся, что говорит о наличии магнитного поля. При размыкании ключа S1 электрический ток I прекращается, спираль в лампе накаливания h2 перестаёт нагреваться и светится, а стрелка компаса возвращается в исходное состояние (указывает на полюса Земли).

Вокруг проводника с током I, то есть когда по нему протекает электрический ток, образуется магнитное поле и именно оно заставляет стрелку компаса изменить свою ориентацию. Стрелка компаса при протекании электрического тока I в проводнике (проводе) в одном направлении будет поворачиваться в одну сторону, но если поменять местами провода на клеммах источника B1, то изменится и направление тока I, тогда стрелка компаса будет отклонятся в противоположном направлении.

Используя это физическое явление стало возможным измерять величину электрического тока и его направление. Именно на этом явлении работает такой измерительный прибор как амперметр, который фактически измеряет силу отклонения стрелки при протекании тока через амперметр. Это во много раз усовершенствованная и специализированная конструкция того же компаса, который показывает уже не только направление отклонения, но и величину, силу отклонения.

Как выглядят силовые линии магнитного поля порождаемого проводником с током? Для того, чтобы это увидеть достаточно куска картона и железных опилков. Если проделать отверстие в центре куска картона достаточное чтобы через него прошел провод и продеть его через этот картон, а сам картон закрепить перпендикулярно проводнику, то мы получим плоскость в которой сможем наглядно увидеть силовые линии магнитного поля порождаемые этим проводником с током. Когда электрическая цепь будет замкнута и по проводу потечет электрический ток, надо сверху понемногу подсыпать железные опилки, которые начнут выстраиваться и тем самым образовывать рисунок силовых линий магнитного поля.

Чем больше величина тока, тем гуще и жирнее будут линии образованные железными опилками, потому как величина напряженности магнитного поля будет больше. Если ток будет очень мал, тогда и линии будут едва заметными. Магнитное поле вокруг одиночного проводника будет располагаться концентрическими кругами постепенно затухая по величине по мере удаления от своего источника (проводника с током).

Конфигурация магнитного поля может быть изменена, если провести манипуляции с проводом, а именно, если сблизить его с другими проводниками с током разных направлений тока (встречное или параллельное), или если провод свернуть в витки. В таких случаях рисунок силовых линий магнитного поля будет изменён, потому как вектора напряженности в каждой точке пространства от разных источников будут складываться, а значит будет меняться не только их величина, но и направление. Наглядно увидеть рисунок можно всё также, с помощью картонки и железных опилок.

Каково же будет направление силовых линий магнитного поля? Следует помнить, что когда-то условились в научных кругах считать направление магнитного поля выходящим с «Северного» полюса и заходящим в «Южный» полюс магнита. При этом «Северный» полюс магнита это та часть стрелки компаса, которая указывает на «Северный» полюс Земли, а «Южный» полюс — это противоположный «Северному». В итоге обозначение полюсов это удобная условность как и направление магнитных силовых линий. Это направление нужно учитывать при сложении линий магнитного поля при получении результирующего магнитного поля. Если при протекании тока в одном направлении имеем одно направление магнитных силовых линий, то при смене полярности питания изменится и направление тока на противоположное, а как результат и направление магнитного поля также изменится на противоположное. Если мы имеем дело с электромагнитом постоянного тока, то при смене полярности питания такого электромагнита, полюса электромагнита поменяются местами.

Правило буравчика

Если мысленно представить, что мы вкручиваем буравчик (штопор) по направлению электрического тока в проводе в этот самый провод, тогда направление рукоятки буравчика покажет нам направление силовых линий магнитного поля. При этом буравчик должен быть самым обычным с правой резьбой. Если же мы имеем дело с электромагнитом какой либо формы, то гораздо проще определится с полюсами и используя то, что силовые линии выходят из «Северного» полюса магнитного поля и заходят в «Южный» полюс — можно определить направление силовых линий.

Правило правой руки

Правило правой руки говорит, что «Северный» полюс магнитной стрелки, расположенный под проводом, отклонится в сторону большого пальца правой руки, помещенной над проводом, ладонью к последнему и так, что остальные пальцы руки направлены по направлению течения тока. «Северный» полюс показывает в том числе направление силовых линий.

Дата: 23.09.2018

© Валентин Григорьев

electricity-automation.com

Электрические и Магнитные поля » общее описание явлений.

 

 

 

Тема: что из себя представляют электрические и магнитные поля.

 

В этой теме будет дано общее представление об этих природных (физических) явлениях и вкратце рассказано о каждом из них. Несмотря на то, что про существование электрических и магнитных полей известно многим людям, их истинная суть остается большой загадкой для современной науки. Они скрывают в себе множество тайн и новых возможностей, применимых к новых технологиям будущего.

 

Философия и физика видят в основе всего существующего — материю, что проявляет себя в многообразии форм и состояний. Материя может быть локализована (сконцентрирована в пределах определённого ограниченного пространства), а может и, делокализована. В первом случае этому будет соответствовать «веществу», а во втором – это будет уже «поле». Но и там и там есть множество сходных общих характеристик.

 

Материя в своих свойствах и проявлениях неисчерпаема, ну а процесс её познания и открытий не имеет границ. Посему, абсолютно все понятия, когда-либо созданные человеком, прибывают в состоянии постоянного изменения, развитии и совершенствования. К примеру: нынешняя физика не ставит строгую границу между веществом и полем, в отличие от классической. В ней вещество и поле неразрывно связаны и постоянно превращаются одно в другое.

 

А что собой представляют поля, и какими они бывают? Как Вы должны знать из курса физики, физическим полем (как явление, а не территория) называется особый вид материи. Это места в пространстве, где наблюдаются физические, реально зафиксированные и точно измеренные силы. Современная наука выделяет 4 основных вида физического поля: поля сильных взаимодействий (ядерные), слабых взаимодействий, гравитационные и электромагнитные поля.

 

 

Если сильно не вдаваться в глубины квантовых и прочих теорий, упрощённо любые поля можно представить в виде такой наглядной и понятной модели: есть материальный объект, шар (наиболее идеальная форма в пространстве), вокруг его центра на некотором расстоянии в пространстве существует невидимая сила (энергия), которая может взаимодействовать с подобного рода силой иного объекта. Причём характер этого взаимодействия обусловлен многими факторами (вид поля, его природа, размеры систем, геометрическая форма и прочие факторы).

 

Можно сказать, что любой материально существующий объект (будь-то элементарная частица или же целая планета и т.д.) обладает всеми разновидностями полей одновременно. Только их проявление зависит от конкретных условий и обстоятельств. К примеру, гравитационное поле земли зависит от внутренних процессов, происходящих в глубинах земной коры. Или интенсивность магнитного поля в проводниках, будет завесить от скорости и количества заряженных частиц, что перемещаются вдоль этого проводника.

 

Ну, а теперь перейдём к теме: электрические и магнитные поля. Благодаря имеющимся свойствам электрических и магнитных полей, электричество проявляет себя так, как мы его привыкли понимать. Абсолютно все устройства, механизмы, системы, приборы функционируют на тех внутренних основополагающих принципах и законах, которые работают благодаря существованию электромагнитных полей (их сил взаимодействия).

 

Взять любой электродвигатель, у которого имеется внутренняя обмотка. По ней бежит ток и вокруг её существует в этот момент магнитное поле. Именно оно отталкивает ротор от статора, тем самым приводя электромотор в движение. Или при процессе генерации электричества, магнитное поле, проходя сквозь обмотку электрогенератора, приводит в движение электроны, тем самым создавая разность потенциалов на выводах электрогенерирующих систем.

 

 

Следует понимать, что электрическое и магнитное поле, это два совсем разных проявления природы. Первоначальными носителями полей являются элементарные частицы — электроны и ионы. Частицы обладают обоими типами полей одновременно (и магнитным и электрическим). Но, проявление интенсивности каждого из них зависит от определённых условий.

 

Как Вы, возможно, знаете, интенсивность электрического поля зависит, в первую очередь, от имеющегося количества разноимённых зарядов элементарных частиц. То есть, чем больше электрических зарядов одного вида на одной части, и противоположного, на другой, следовательно, тем больше будет электрическое поле между этими двумя частями (к примеру, пластины конденсатора). Расстояние между этими пластинами мы пока не берём в учёт.

 

Магнитное поле ведёт себя немного иначе. Оно существует при движении электрических зарядов. То есть, чем интенсивнее движение зарядов, тем больше вокруг их магнитного поля. Ну, а второстепенным фактором, конечно, будет количество движущихся заряженных частиц. При их движении в одном и том же направлении, магнитное поле увеличится за счёт суммирования. Учтите, что полной статики у заряженных частиц нет, и не может быть. Следовательно, микротоки (и магнитные поля) есть везде и повсюду. Более подробно об электрических и магнитных полях мы поговорим в следующих статьях, а данная вводная тема, электрические и магнитные поля, окончена.

 

P.S. Человеческие чувства сильно ограничены в восприятии природных явлений. Какие бы картины художники рисовали, если бы люди могли видеть различные виды «ПОЛЕЙ».

electrohobby.ru

Магнитное поле и источники электрического и магнитного полей

Во времена Ньютона и на более ранних этапах электрические и магнитные поля изучались как разные, не зависящие друг от друга явления. Во времена Максвелла стало ясно, что эти поля взаимосвязаны, что меняющиеся электрические и магнитные поля способны генерировать друг друга, благодаря чему возникают уходящие в бесконечность электромагнитные волны.

Из явлений природы магнитное поле представлялось людям самым загадочным. Магнитные материалы действуют на предметы избирательно, удаленно. Компас был изобретен, активно использовался задолго до понимания сущности магнитного поля.

В современном школьном курсе физики магнитные явления остаются самым труднодоступным объектом изучения. Они не объяснимы в рамках классических представлений, где царят законы Ньютона и геометрия Эвклида. Для понимания природы этих полей необходимо привлекать квантовую теорию и тензорное исчисление. Но и на школьном уровне можно применять формулы и решать задачи, хоть и без глубокого понимания.

Представляет интерес, что же такого загадочного в магнитном поле, в чем его отличие от механических сил, и даже от электрических напряжений и токов, которые все-таки удается приручить.

Поле, которое исчезает

Магнитное поле имеет несколько особенностей, присущих именно ему. Не только потому, что оно может притягивать и отталкивать предметы на расстоянии. Оно может исчезать!

Пример исчезающего поля: электромагнит. Пока по виткам катушки течет ток, существует магнитное поле. Но ток выключили – и поле исчезло. Отметим, что электрическое напряжение не исчезло! Оно осталось на контактах источника электроэнергии, просто мы разорвали электрическую цепь. А магнитное поле пропало!

В физике изучают множество законов сохранения. Сохраняется энергия, масса, импульс и т.д. Почему же магнитному полю такие привилегии?

Не стоит думать, что магнитное поле нарушает законы природы. Его исчезновение не нарушает закон сохранения энергии, поскольку она, энергия, остается в источнике питания и может расходоваться при включении тока. Просто при отключении электрического тока исчезло условие для создания магнитного поля: остановлено движение зарядов.

Это загадочное поле возникает там, где есть переменное электрическое поле или движение электрических зарядов.

Откуда переменное электрическое поле в куске магнитного материала? От движущихся электронов. Которые не только движутся вокруг ядра, но и имеют собственный магнитный момент, как если бы они вращались вокруг своей оси.

Нельзя считать, что электрон, летающий вокруг ядра, похож на движение тока в электромагните. Процессы, протекающие в микромире, парадоксальны и коренным образом отличаются от привычных нам явлений. Если бы движение электрона в атоме являлось «электрическим током», атом не существовал бы: вся энергия излучилась бы мгновенно, электроны упали бы на ядра и наступил бы коллапс. Но этого не происходит. В квантовом мире частицы могут двигаться по своим орбитам, не излучая энергии, но создавая поле сил. В некоторых материалах магнитные моменты электронов могут синхронизироваться и выстраиваться упорядоченно: это ферриты.

Электрические частицы есть, а магнитных частиц нет!

Еще одна особенность магнитных явлений, выделяющая его среди других физических полей: нет частиц, которые бы можно было назвать магнитными зарядами.

У гравитационного поля есть источники: тела, имеющие массу. У электрического —  электроны, протоны. Но для магнитного поля нет аналогичных частиц, которые можно было бы назвать источниками поля.

Источники  поля – не частицы, а электрический ток или меняющееся электрическое поле. Если электрический заряд находится в покое – электрическое поле остается, а магнитное исчезает.

Электромагнитная волна: полная симметрия

Итак, магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами, а электрическое поле существует независимо от того, движется ли заряд в данной системе отсчета или покоится.  Но если удалиться от носителей электрического заряда, картина выглядит иначе.

Электрический ток включили и выключили. При этом произошло изменение движения электронов, возникло магнитное поле, а потом пропало. Но это изменение создало всплеск электрического поля, то, в свою очередь, привело к всплеску магнитного… Простой щелчок выключателя создал бесконечно распространяющуюся электромагнитную волну. В ней нет ни электрических зарядов, ни магнитных, только поля, поочередно генерирующие друг друга.  Электрическое и магнитное поля симметричны. Поле распространяется значительно быстрее, чем частицы, имеющие массу; электромагнитными волнами заполнено пространство Вселенной. Свет – это тоже электромагнитные волны очень большой частоты.

Магнитная индукция и сила Лоренца

Количественной мерой магнитного поля назначена сила взаимодействия с электрическим зарядом, движущимся с определенной скоростью. Обозначается магнитная индукция символом В.

Аналогом этой величины является напряженность электрического поля, являющаяся мерой воздействия электрического поля на неподвижный электрический заряд.

Магнитная индукция имеет единицу измерения в международной системе СИ: это 1 тесла. По аналогии с электрической напряженностью, магнитная индукция 1 тесла должна действовать на заряд 1 кулон, движущийся со скоростью 1 м/с, с силой 1 Ньютон. Это вообще-то так… но не совсем. И здесь магнитное поле имеет особенности!

Действительно, сила взаимодействия будет равна 1 Ньютон, если заряд движется поперек линий магнитного поля, строго перпендикулярно.

А если  заряд движется вдоль линий магнитного поля – никакой силы взаимодействия не возникает!

В промежуточных вариантах сила взаимодействия зависит от угла, образуемого линиями поля и скоростью заряда. Здесь работает синус угла:

Дело в том, что при движении заряда в магнитном поле взаимодействуют две векторные величины: магнитная индукция и скорость заряда. Сила их взаимодействия – векторная величина, имеющая название сила Лоренца

Внимание: сила Лоренца не совпадает по направлению ни с направлением индукции, ни с направлением скорости! Она перпендикулярна обоим этим векторам.

Сила Лоренца имеет практический интерес. Именно в направлении силы Лоренца отклонится проводник с током, внесенный в магнитное поле..Сила Лоренца «работает» в электродвигателях и электрогенераторах.

Формулы для вычисления магнитных величин используются во всех областях, связанных с электричеством, и только один раздел физики обходится без этих формул. Это электростатика, изучающая взаимодействия неподвижных электрических зарядов. Там, где нет движения зарядов, нет и магнитного поля.

fizikatyt.ru