Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Вспомним, каким образом Максвелл объяснил явление электромагнитной индукции. Переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Если в переменном магнитном поле находится замкнутый проводник, то вихревое электрическое поле приводит в движение заряженные частицы этого проводника — так возникает индукционный ток, наблюдаемый в эксперименте.

Линии вихревого электрического поля охватывают линии магнитного поля. Если смотреть с конца вектора , то линии вихревого электрического поля идут по часовой стрелке при возрастании магнитного поля и против часовой стрелки при убывании магнитного поля. Такое направление вихревого электрического поля, напомним, задаёт направление индукционного тока в соответствии с правилом Ленца.

Таким способом Максвелл объяснил, почему в экспериментах Фарадея появлялся индукционный ток. Но затем Максвелл пошёл ещё дальше и уже без какой-либо опоры на экспериментальные данные высказал симметричную гипотезу:

Рис. 1. Симметричная гипотеза Максвелла (возрастание поля)

Линии этого магнитного поля охватывают линии переменного электрического поля и идут в другую сторону по сравнению с линиями вихревого электрического поля. Так, при возрастании электрического поля линии порождаемого магнитного поля направлены против часовой стрелки, если смотреть с конца вектора (рис. 1, справа).

Рис. 2. Симметричная гипотеза Максвелла (убывание поля)

Наоборот, при убывании электрического поля линии порождаемого магнитного поля идут по часовой стрелке

У электрического поля может быть два источника: электрические заряды и переменное магнитное поле. В первом случае линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.

Во втором случае электрическое поле является вихревым — его линии оказываются замкнутыми.

У магнитного поля также может быть два источника: электрический ток и переменное электрическое поле. При этом линии магнитного поля замкнуты в обоих случаях (оно всегда вихревое). Максвелл предположил, что оба источника магнитного поля равноправны в следующем смысле. Рассмотрим, например, процесс зарядки конденсатора (рис. 3):

Рис. 3. Магнитное поле внутри конденсатора совпадает с магнитным полем тока

В данный момент по проводам, соединяющим обкладки конденсатора, течёт ток . Заряд конденсатора увеличивается, и, соответственно, возрастает электрическое поле между обкладками. Это переменное электрическое поле порождает магнитное поле . Так вот, согласно гипотезе Максвелла магнитное поле внутри конденсатора оказывается точно таким же, как и магнитное поле тока — как если бы ток протекал в пространстве между обкладками конденсатора.

Подчеркнём ещё раз, что симметричная гипотеза Максвелла была поначалу чисто умозрительной. На тот момент не наблюдалось каких-либо неясных физических явлений, для объяснения которых потребовалась бы такая гипотеза. Лишь впоследствии (и уже после смерти Максвелла) она получила блестящее экспериментальное подтверждение. Об этом — чуть ниже.

Прежде всего, симметричная гипотеза указала на то, что электрическое и магнитное поля тесно взаимосвязаны. Они не являются обособленными физическими объектами и всегда существуют рядом друг с другом. Если в какой-то системе отсчёта электрическое (магнитное) поле отсутствует, то в другой системе отсчёта, движущейся относительно первой, оно непременно появится

Допустим, например, что в движущемся автомобиле покоится электрический заряд. В системе отсчёта, связанной с автомобилем, этот заряд не создаёт магнитного поля. Но относительно земли заряд движется, а любой движущийся заряд является источником магнитного поля. Поэтому наблюдатель, стоящий на земле, зафиксирует магнитное поле, создаваемое зарядом в автомобиле.

Пусть также на земле лежит магнит. Наблюдатель, стоящий на земле, регистрирует постоянное магнитное поле, создаваемое этим магнитом; коль скоро это поле не меняется со временем, никакого электрического поля в земной системе отсчёта не возникает. Но относительно автомобиля магнит

Но все инерциальные системы отсчёта абсолютно равноправны, среди них нет какой-то одной привилегированной. Законы природы выглядят одинаково в любой инерциальной системе отсчёта, и никакой физический эксперимент не может отличить одну инерциальную систему отсчёта от другой (это — принцип относительности Эйнштейна, о котором пойдёт речь в листке «Принципы СТО»). Поэтому естественно считать, что

Таким образом, в произвольной, наудачу выбранной системе отсчёта будут присутствовать обе компоненты электромагнитного поля — поле электрическое и поле магнитное. Но может случиться и так, что в некоторой системе отсчёта, специально приспособленной для данной задачи, одна из этих компонент обратится в нуль. Мы видели это в наших примерах с автомобилем.

Электромагнитное поле можно наблюдать и исследовать по его действию на заряженные частицы. Силовой характеристикой электромагнитного поля является пара векторов и — напряжённость электрического поля и индукция магнитного поля. Сила, с которой электромагнитное поле действует на заряд , движущийся со скоростью , равна:

Силы в правой части нам хорошо известны. Сила действует со стороны электрического поля. Она не зависит от скорости заряда.

Сила действует со стороны магнитного поля. Её направление определяется по правилу часовой стрелки или левой руки, а модуль — по формуле , где — угол между векторами и .

Теория электромагнитного поля была создана Максвеллом. Он предложил свою знаменитую систему дифференциальных уравнений (уравнений Максвелла), которые позволяют найти векторы и в любой точке заданной области пространства по известным источникам — зарядам и токам (для однозначного нахождения полей необходимо знать ещё начальные условия — значения полей в начальный момент времени, а также граничные условия — некоторые условия для полей на границе рассматриваемой области). Уравнения Максвелла легли в основу электродинамики и позволили объяснить все известные на тот момент явления электричества и магнетизма. Но мало того — уравнения Максвелла дали возможность предсказывать новые явления!

Так, среди решений уравнений Максвелла обнаружились поля с неизвестными ранее свойствами — электромагнитные волны. А именно, уравнения Максвелла допускали решения в виде электромагнитного поля, которое может распространяться в пространстве, захватывая с течением времени все новые и новые области. Скорость этого распространения конечна и зависит от среды, заполняющей пространство. Но электромагнитные волны не нуждаются ни в какой среде — они могут распространяться даже сквозь пустоту. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме совпадает со скоростью света м/с ( сам свет также является электромагнитной волной).

Это был один из удивительных случаев в физике, когда фундаментальное открытие делалось «на кончике пера» — новое явление открывалось чисто теоретически, опережая эксперимент. Опытное подтверждение пришло позже: электромагнитные волны были впервые обнаружены в опытах Герца через восемь лет после смерти Максвелла. Эти опыты подтвердили справедливость симметричной гипотезы и основанной на ней теории электромагнитного поля, построенной Максвеллом.

Благодарим за то, что пользуйтесь нашими публикациями. Информация на странице «Электромагнитное поле» подготовлена нашими авторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к ЕГЭ и ОГЭ.

Публикация обновлена: 07.01.2023

Магнит чувствует электрическое поле — статья

В связи с техническими работами в центре обработки данных, возможность загрузки и скачивания файлов временно недоступна.

скрыть

• Авторы: Пятаков А.П., Звездин А.К.
• Журнал: Химия и жизнь — XXI век (до 1997 г. «Химия и жизнь»)
• Номер: 5
• Год издания: 2013
• Издательство: Химия и жизнь
• Местоположение издательства: М.
• Первая страница: 3
• Последняя страница: 7
• Аннотация: Природа магнетизма и его связь с электричеством – проблема столь же древняя как сама физика. Способности магнита притягивать предметы посвящали свои сочинения мыслители античности, практичные китайцы изобрели компас, но по-настоящему приручить магнетизм удалось только в индустриальный 19-век, когда была понята взаимосвязь магнитного поля с электрическим током: появились мощные электромагниты, позволявшие включать и выключать магнитное поле по своему желанию, что нашло использование в подъемных кранах, магнитных сепараторах для обогащения руд и очистки кормов, электродвигателях и многих других устройствах. Конечно, в электромагнитах есть свои недостатки – при протекании тока через катушки неизбежно теряется энергия. И здесь взор ученых неизменно обращался к постоянным магнитам, не требующих для создания магнитного поля никакого источника энергии. Их свойства объясняли по аналогии с электромагнитами некими «молекулярными» токами, текущими внутри вещества в каждой молекуле. Хотя природа молекулярных токов долгое время оставалась непонятой, сама возможность вечного движения внутри вещества казалась чрезвычайно заманчивой, ведь если бы удалось с помощью электрического поля воздействовать на молекулярные магниты, то управление магнитным полем осуществлялось бы без потерь энергии. Если бы с помощью электрического поля удалось воздействовать на молекулярные токи, то управление постоянными магнитами осуществлялось бы практически без потерь энергии. О таких системах и рассказывается в данной статье.
• Добавил в систему: Пятаков Александр Павлович

Прикрепленные файлы

Разница между электрическим полем и магнитным полем

В этой статье вы найдете правильное объяснение того, что такое электрическое поле и магнитное поле. Различия были указаны более простым языком для лучшего понимания студентами. Исключительно проверьте объяснение и разработайте свою концептуальную основу в этой теме.

Что такое электрическое поле?

Электрическое поле или напряженность электрического поля — это сила, окружающая электрически заряженную частицу. Мы также можем сказать, что это область, где существует силовая линия, и эти силовые линии окружают электрическое поле. Эти силовые линии представляют собой воображаемые линии, которые используются для определения области влияния вокруг электрического заряда. Это векторная величина, поскольку она имеет как направление, так и величину. Символом, используемым для обозначения электрического поля, является буква E. Его единицей измерения является Ньютон/Кулон.

Что такое магнитное поле?

Область вокруг магнита, в которой действуют силы притяжения или отталкивания полюсов магнита, называется магнитным полем. Когда электрические заряды перемещаются в пространстве или по электрическому проводнику, из-за его движения индуцируется магнитное поле.

Сравнение двух полей

1. Единица измерения

Единицей измерения электрического поля является вольт/метр или ньютон/кулон.

Принимая во внимание, что единицей измерения магнитного поля является: Тесла, (Ньютон × Секунда)/(Кулон × Метр) 

2. Обозначение

Электрическое поле обозначается буквой E

Магнитное поле обозначается буквой B

3. Формула )

Принимая во внимание, что формула Магнитного поля = Тесла или Вб/м ²

поле.

5. Полюс

В электрическом поле существуют монополи (одиночные заряды). В электрическом поле существуют единичные положительные и отрицательные заряды. Для монополей, таких как позитроны и электроны, существуют прямые силовые линии либо по направлению к заряду, либо от него.

В магнитном поле существуют только диполи. Монополей не существует. Это связано с тем, что силовые линии магнитного поля начинаются с северного полюса и заканчиваются на южном полюсе. Следовательно, магнитные поля имеют оба полюса, то есть только диполи.

6. Электрическое поле и магнитное поле перпендикулярны друг другу. Электрическое поле перпендикулярно магнитному полю и наоборот.

7. Линии поля — это воображаемые линии, которые определяют область, в которой действует сила или влияние заряда. Этот заряд может быть электрическим зарядом или магнитным диполем.

Для электрического заряда силовые линии прямые. Для позиции они направлены наружу, а для электрона — внутрь.

Для магнитного диполя они начинаются на северном полюсе и заканчиваются на южном полюсе.

8. Поле – это область влияния вокруг любого заряда или магнита. И электрическое, и магнитное поля являются векторами. У них есть направления и величина.

9. Электрическое поле определяется прямыми силовыми линиями. Они не образуют замкнутых петель.

Линии магнитного поля образуют замкнутую петлю, начинающуюся с северного полюса и заканчивающуюся на южном полюсе вне магнита.

10. В электрическом поле присутствуют два типа зарядов. Положительный заряд называется позитроном, а отрицательный заряд называется электроном.

11. Сила между зарядами одинакова. Подобное отталкивает подобное. Позитрон отталкивает позитрон, но притягивает электрон. Точно так же северный полюс отталкивает северный полюс, но притягивает южный полюс.

12. В пространственном отношении электрическое поле существует в двух измерениях, тогда как магнитные поля существуют в трех измерениях.

13. Работа совершается полем при попадании частицы в поле его действия.

Электрическое поле может совершать работу. Когда частица входит в электрическое поле, электрическое поле может влиять на частицу, изменяя ее скорость, а также направление.

Магнитное поле не может совершать работу. Когда какая-либо частица попадает в зону действия магнита, магнитное поле не может повлиять на скорость или направление этой частицы. По сути, работа, совершаемая магнитным полем над частицей, равна нулю.

Кратко об открытии электрона и его разветвлениях

Открытие электрона в 1898 году породило целую новую область исследований: природу электрического заряда и самой материи. Открытие электронов произошло в результате исследования электрических потоков в электронных лампах. Генрих Гайслер, стеклодув, который помогал немецкому физику Юлиусу Плюкеру, разработал вакуумную трубку в 1854 году. С тех пор и до конца века характеристики электронно-лучевых разрядов тщательно исследовались.

Крукс считал, что лучи состоят из электрически заряженных частиц. В 1898 г. другой английский физик сэр Дж.Дж. Томсон определил катодный луч как поток отрицательно заряженных частиц. Каждый из них имел массу на 1/1836 меньше массы иона водорода. Открытие Томсона подтвердило твердую природу заряда; его частицы в конечном итоге были названы электронами.

Понимание электрических и магнитных полей

Международные и национальные ученые провели обширные исследования воздействия ЭМП и безопасности. Результаты этого исследования были оценены авторитетными международными и национальными научными и общественными организациями и учреждениями здравоохранения. Компания полагается на оценки этих организаций и агентств при оценке потенциальных рисков. Все предлагаемые нами объекты электропередачи соответствуют правилам, нормам и стандартам для воздействия электромагнитного поля, чтобы обеспечить безопасное и надежное электроснабжение.

ЭМП возникают везде, где есть электричество. Большинство электромагнитных полей, присутствующих в домах, имеют частоту промышленной частоты (60 герц), которая относится к категории крайне низких частот (ELF). Обычными источниками электрических и магнитных полей в доме являются бытовые приборы, телевизоры, компьютеры и стандартная электропроводка. Все, что имеет напряжение, имеет электрическое поле ELF. Когда устройство включено, протекает электрический ток, который также создает магнитное поле СНЧ.

Электрические поля  рядом с наружными линиями электропередачи, как правило, сильнее, чем в домах, потому что они имеют более высокое напряжение, чем бытовые источники или приборы/устройства. С другой стороны, магнитные поля вокруг электроприборов в домах могут быть такими же высокими или выше, чем магнитные поля вблизи наружных линий электропередач. Поскольку электромагнитные поля значительно уменьшаются по мере удаления от источника, воздействие ЭМП от линий электропередач значительно уменьшается при удалении от проводов, включая высоту опор или столбов, по которым проходят воздушные линии электропередач и распределительные линии. Электрические поля линий электропередачи, но не магнитные поля, также экранируются деревьями и домами, так что они еще больше уменьшаются внутри домов и зданий.

На приведенной ниже диаграмме показано, как уменьшается воздействие магнитного поля с увеличением расстояния от типичных источников электричества в доме.

Измерения в миллигауссах

Источник: адаптировано из Gauger 1985 и EPRI Appliance Measurements Study 2010
 

На этой диаграмме показаны типичные значения магнитных полей вокруг линий распределения и передачи.