Электричество и магнетизм

Итак, давайте зафиксируем то, что мы уже успели изучить. Все наши формулы могут быть выведены из нескольких утверждений. 

Утверждение 1.  

Электростатическое поле создается зарядами. Силовые линии электрического поля начинаются и кончаются на зарядах.

Математической формулировкой этого утверждения является теорема Остроградского — Гаусса для напряженности электрического поля

(9.1)

В правой части стоит интеграл от плотности зарядов по произвольному объему, который равен полному заряду внутри него. В левой части — поток вектора напряженности электрического поля через произвольную замкнутую поверхность, ограничивающую этот объем.

Как мы видели, закон Кулона также содержится в этом уравнении. 

Утверждение 2.  

Магнитные заряды отсутствуют в природе.

Математической формулировкой этого утверждения является теорема Остроградского — Гаусса для вектора магнитной индукции, в правой части которой стоит нуль

(9.2)

Утверждение 3. 

Электростатическое поле потенциально: в нем нет замкнутых силовых линий.

Математически это выражается как равенство нулю циркуляции напряжённости электростатического поля по произвольному контуру

(9. 3)

Утверждение 4.  

Вихревое магнитное поле создается электрическими токами.

Математическим выражением этого утверждения является теорема о циркуляции вектора магнитной индукции

(9.4)

В левой части стоит циркуляция магнитного поля по произвольному контуру L, а в правой — интеграл от плотности полного тока по произвольной поверхности S, натянутой на этот контур. Этот интеграл равен сумме токов, пересекающих поверхность S. В этом уравнении содержится закон Био — Савара — Лапласа. 

Эти четыре уравнения надо дополнить выражением для силы Лоренца, действующей на движущиеся заряды со стороны электромагнитных полей

(9. 5)

Внимательный читатель заметит, что заголовки к двум последним утверждениям выделены другим шрифтом. Это сделано не случайно: данные утверждения подлежат модификации. Дело в том, что с тех пор, как мы сформулировали эти четыре утверждения, мы познакомились еще с одним явлением — электромагнитной индукцией. Оно пока еще не нашло отражения в выписанных уравнениях. Сделаем это. 

Если магнитный поток через проводящий виток L меняется, то в витке возникает ЭДС индукции. Что это означает? Заряды, находящиеся в проводнике, будут испытывать действие силы, связанной с этой ЭДС. Но появление силы, действующей на заряд, означает появление какого-то электрического поля. Циркуляция этого поля по витку как раз и равна по определению ЭДС индукции

(9.6)

Отличие циркуляции от нуля означает, что данное электрическое поле не потенциально, а имеет

вихревой характер, подобно магнитному полю. Но если такое поле появилось, то в чем тогда роль витка? Виток — это не более, чем удобный детектор для регистрации вихревого электрического поля по возникшему индукционному току. Для того, чтобы расстаться с витком окончательно, выразим ЭДС индукции через поток магнитного поля. Перепишем закон Фарадея в виде

Объединяя это уравнение с (9.6), приходим к модифицированному утверждению 3 (рис. 9.1). 

Утверждение 5.  

Переменное магнитное поле приводит к возникновению вихревого электрического поля.

 

Рис. 9.1. Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла:
изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое поле 

Математически это выражается в виде уравнения

(9. 7)

В этом уравнении содержится закон электромагнитной индукции Фарадея. 

Здесь надо проявить немного осторожности: раз у нас появилось дополнительное электрическое поле, не изменит ли оно первое утверждение? По счастью, ответ отрицателен: поток вихревого поля через замкнутую поверхность равен нулю, так что это поле не даст вклада в левую часть уравнения (9.1). 

Казалось бы, мы учли уже все явления, с которыми знакомы. Почему же тогда мы пометили четвертое уравнение как требующее модификации? Дело в том, что теперь нарушена симметрия между электрическими и магнитными явлениями. Предположим, что в системе нет ни зарядов, ни токов. Может ли существовать тогда электромагнитное поле? Ответ мы знаем из современной жизни: может! Существуют же электромагнитные волны, которые распространяются в космосе и не требует для этого никакой среды. В отсутствие зарядов и токов первые два уравнения (9.1) и (9.2) вполне симметричны. Этого нельзя сказать о второй паре уравнений.

Электрическое (вихревое) поле можно породить без зарядов, просто изменением магнитного поля? Почему же магнитное поле нельзя породить не токами, а изменяя электрическое поле?

Физика — 11

1.8. МАГНИТНЫМ ПОТОК. ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ИНДУКЦИИ

• ВСПОМНИТЕ ПРОЙДЕННОЕ • Физика-9

После проведения многочисленных опытов М. Фарадей в 1831 году установил, что изменения магнитного поля приводят к возникновению электрического тока в замкнутом проводящем контуре.

• Явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре, помещенном в изменяющееся магнитное поле, называют

электромагнитной индукцией, а возникающий ток — индукционным током.

• Возникновение переменного магнитного поля всегда сопровождается созданием в окружающем пространстве вихревого электрического поля.

Вихревое электрическое поле отличается от электростатического:

a) электростатическое поле создается неподвижным электрическим зарядом, а вихревое электрическое поле создается переменным магнитным полем;

b) линии напряженности электростатического поля не замкнуты: они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах. Линии напряженности вихревого электрического поля не имеют ни начала, ни конца — эти линии замкнуты.

В 1833 году русский физик Э. Ленц установил общее правило определения направления индукционного тока, так называемое правило Ленца:

• Индукционный ток принимает такое направление, что созданное им магнитное поле противодействует тому изменению внешнего магнитного поля, которое стало причиной возникновения тока.

При усилении внешнего магнитного поля магнитное поле индукционного тока ослабляет это изменение — вектор индукции магнитного поля индукционного тока направлен против вектора индукции внешнего магнитного поля (1).

При ослаблении внешнего магнитного поля магнитное поле индукционного тока препятствует изменению, то есть стремится к тому, чтобы это поле не ослабло. Вектор индукции магнитного поля индукционного тока направлен так же, как и вектор индукции внешнего магнитного поля (2).

■

На каком явлении основан принцип работы динамо-машины? Где ещё вы встречали применение такого простого устройства? Представьте себя в следующей ситуации: совершая туристическую прогулку на природе, вы хотите позвонить другу, однако телефон разряжен. Поблизости нет источника тока, поэтому адаптер превратился в ненужный предмет. Но у вас есть необходимый любому туристу предмет — динамо-машина. Достаточно подсоединить аккумулятор телефона к динамо- машине и несколько минут вращать ее ручку, чтобы аккумулятор снова зарядился.

Движущиеся электрические заряды создают магнитное поле Рон Куртус

SfC Home > Physics > Magnetism >

Рон Куртус (обновлено 23 марта 2012 г.)

Когда электрический заряд движется или по проводу проходит электрический ток, создается круговое магнитное поле.

Это можно увидеть с железной стружкой или опилками на карточке, которая выровняется в магнитном поле, когда ток проходит через ближайший провод. Используя стандартные соглашения для направления электрического тока и магнитных силовых линий, направление магнитного поля может быть определено так называемым Правило правой руки для магнитного поля . Направление магнитного поля можно определить с помощью компаса.

У вас могут возникнуть следующие вопросы:

• Что происходит, когда электричество проходит по проводу?
• Какие электрические и магнитные соглашения?
• Каково правило правой руки для тока через провод?

Этот урок ответит на эти вопросы. Полезный инструмент: Преобразование единиц

---

---

Магнитное поле вокруг провода

Когда заряженная частица, такая как электрон, протон или ион, находится в движении, магнитные силовые линии вращаются вокруг частицы. Поскольку электрический ток, движущийся по проводу, состоит из движущихся электронов, вокруг провода существует магнитное поле.

Это поле можно продемонстрировать, поместив мелкие железные опилки или стружку на автомобиль и пропустив провод через середину карты. Когда по проводу проходит постоянный электрический ток, железные опилки выравниваются, показывая магнитное поле.

Железные опилки показывают магнитное поле вокруг электрического провода

Условные обозначения для электричества и магнетизма

Определенные условные обозначения используются для определения направления магнитного поля по отношению к направлению тока.

Направление электрического тока

Хотя электроны имеют отрицательный (-) электрический заряд и движутся к положительному (+) выводу в проводе, принято считать, что электрический ток движется от положительного (+) к отрицательному (-) . Это неудачный выбор, который был сделан много лет назад, но вы должны помнить об условностях.

Направление магнитного поля

Согласно соглашению для магнитного поля силовые линии движутся с севера (N) на юг (S). Мы не знаем, движутся ли они в этом направлении или нет, но это просто условность, которой все следуют.

Правило правой руки для магнитного поля

Правило правой руки для определения направления магнитного поля состоит в том, что если вы обвиваете провод правой рукой так, чтобы большой палец указывал в направлении электрического тока, то ваши пальцы будет в направлении магнитного поля.

Правило правой руки для электрического провода

Проверка с помощью компаса

Вы можете проверить направление магнитного поля, поместив один или несколько компасов на карту и наблюдая за их направлением.

Компасы показывают направление магнитного поля

Обратите внимание, что ток должен быть постоянным (постоянный ток), например, от батареи. В противном случае при переменном токе направление тока и магнитного поля будут чередоваться 50 или 60 раз в секунду.

Резюме

Когда электрический ток проходит по проводу, создается круговое магнитное поле. Железные опилки на карточке могут демонстрировать магнитное поле при пропускании тока по соседнему проводу. Используя стандартные соглашения для направления электрического тока и магнитных силовых линий, направление магнитного поля может быть определено так называемым правилом правой руки . Направление магнитного поля можно определить с помощью компаса.

---

Изучите основные принципы

---

Ресурсы и ссылки

Рон Куртус. Условия магнетизма

Ресурсы магнетизма

Книги

(Уведомление: Школа для Чемпионов Mays.

Книги с самым высоким рейтингом по физике

---

Поделитесь этой страницей

Нажмите кнопку, чтобы добавить эту страницу в закладки или поделиться ею через Twitter, Facebook, электронную почту или другие службы:

---

Студенты и исследователи

Веб-адрес этой страницы:
www. school-for-champions.com/science/
Magnetic_field_moving_charges.htm

Разместите его в качестве ссылки на своем веб-сайте или в качестве ссылки в своем отчете, документе или диссертации.

Copyright © Ограничения

---

Где ты сейчас?

Школа Чемпионов

Темы магнетизма

Движущиеся электрические заряды создают магнитное поле

---

Статические электрические и магнитные поля

Статические электрические и магнитные поля не изменяются во времени и создаются стационарными зарядами и токами. Следовательно, они имеют частоту 0 Гц. Существуют как естественные, так и искусственные источники статических полей.

Статические электрические и магнитные поля

Статические электрические поля, также известные как электростатические поля, создаются зарядами, фиксированными в пространстве. Наиболее известные и наиболее мощные проявления электрических статических полей происходят в природе в виде молний. Статические удары, например возникающие из-за трения об одежду и другие материалы, также являются обычными и тривиальными явлениями, вызванными электростатическими полями.

Статические магнитные поля создаются магнитами или зарядами, которые движутся с постоянным потоком (током), например, в электричестве постоянного тока (DC). Они притягивают металлические предметы, поэтому для этой цели обычно используются магниты. В природе геомагнитное поле Земли действует с юга на север, что позволяет, например, использовать компас или определять местоположение магнитных полюсов Земли. Гораздо более сильные поля генерируются некоторыми типами промышленного и медицинского оборудования, такими как устройства магнитно-резонансной томографии (МРТ), используемые для медицинской диагностики. В этой таблице описывается интенсивность или уровень поля, связанные с некоторыми распространенными источниками статических электрических и магнитных полей.

 

Типичные источники статических электрических и магнитных полей

Тип поля: Электрический

Источник	Уровень поля	Объяснение/Примеры
Грозовые тучи/Освещение	До 3 кВ/м	Распределение зарядов в грозовых облаках
Непроводящие материалы	До 500 кВ/м	Трение (например, одежда)
Силовые кабели постоянного тока (DC)	До 20 кВ/м	Заряды, движущиеся с постоянной скоростью
Системы шин постоянного тока	До 300 В/м	Внутри поезда

Тип поля: магнитный

Источник	Уровень поля	Пояснения/примеры
Геомагнитное поле	от 30 до 70 мкТл	Расплавленное железо и вращение Земли
Системы шин постоянного тока	До 2 мТл	Электроэнергия постоянного тока
Домашние магниты	Около 10 мТл	Естественное различное распределение зарядов
Магнитно-резонансная томография (МРТ)*	5-10 Т	Использование электромагнитов и сверхпроводящих материалов

Примечание.