Теория электромагнитного поля — урок. Физика, 9 класс.

В \(1820\) году Х. Эрстед провёл опыт, доказывающий, что электрический ток порождает магнитное поле. Фарадей своими опытами доказал, что всякое изменение во времени магнитного поля порождает переменный индукционный ток в замкнутом проводнике. Но электрический ток возникает только при наличии электрического поля.

 

Появилось много вопросов:

 

• имеют ли различия поля, которые созданы подвижным и покоящимся электрическими зарядами?
• Существует ли поле исключительно в проводнике или возникает и в пространстве вокруг него?
• Имеет ли значение замкнутый проводник, по которому течёт ток, для возникновения поля?

Английский физик и математик шотландского происхождения Джеймс Клерк Максвелл в \(1865\) году смог ответить на данные вопросы, когда создал теорию электромагнитного поля. Учёный изложил теорию в своём основном труде «Трактат по электричеству и магнетизму».

 

Рисунок \(1\). Джеймс Клерк Максвелл

 

Теория Максвелла объясняла появление индукционного тока в контуре под воздействием изменяющегося магнитного потока, пронизывающего его. Переменное магнитное поле порождало вихревое электрическое поле, которое и заставляло упорядоченно двигаться в одном направлении свободные заряды, имеющиеся в проводнике. Наличие электрического тока фиксировалось гальванометром. Таким образом, проводник являлся индикатором, который позволил обнаружить наличие электрического поля.

Обрати внимание!

Электрическое поле существует в пространстве независимо от наличия проводника.

Вокруг неподвижного заряда создаётся только электрическое поле. Но заряд, находящийся в покое относительно одной системы, может находиться в движении относительно других систем, и значит, порождать магнитное поле.

 

Если магнит лежит на столе, то вокруг него возникает только магнитное поле. Но наблюдатель, движущийся относительно стола, зафиксирует и электрическое поле.
 
Поэтому утверждение о существовании электрического или магнитного полей в заданной точке имеет смысл только при указании системы отсчёта, относительно которой они рассматриваются. Оба поля являются проявлением единого электромагнитного поля.

Электромагнитное поле — это совокупность неразрывно связанных между собой переменных электрического и магнитного полей.

Источники:

Рисунок 1. Джеймс Клерк Максвелл

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/57/James_Clerk_Maxwell.png/274px-James_Clerk_Maxwell.png

Физический класс | Гипотеза Максвелла «

Генератор высокочастотных колебаний возбуждает в вибраторе вынужденные электромагнитные колебания, что приводит к ускоренному движению электронов и появлению переменного тока. Вокруг вибратора возникает переменное магнитное поле.

 

Используя новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытого М.Фарадеем в 1831 г.,  Дж.Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля: Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.

 

Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

 

 

Гипотеза Максвелла была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е. систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла).

 

Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов:

 

1. Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле.

 

 

Электромагнитные волны поперечны – векторы Е и В перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью

Скорость c=300000 км/с распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

3. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные “партнеры” единого электромагнитного поля.

 

Таким образом, электромагнитная волна в приемном диполе возбуждает вынужденные электромагнитные колебания, что приводит к возникновению переменного тока и свечению лампочки.

 

Электромагнитные волны, распространяясь в пространстве, несут с собой энергию:

W=Wэ+Wм

 

Плотность потока электромагнитного излучения (интенсивность волны) через поверхность площадью S будет равна:

При наличии точечного источника излучения интенсивность распространяющейся электромагнитной волны по всем направлениям одинакова. Если площадь поверхности сферы:

 

то получим:

Известно, что напряженность электрического поля и магнитная индукция пропорциональны квадрату частоты:

 

Полная плотность потока электромагнитного излучения:

Тогда получаем:

 

Плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты.

 

Обратно

 

Теория электромагнитного поля Максвелла. О чем рассказывает свет

Теория электромагнитного поля Максвелла

Заслуга Максвелла состоит в том, что он нашел математическую форму уравнений, в которых связаны воедино значения электрической и магнитной напряженностей, которые создают электромагнитные волны, со скоростью распространения их в средах, обладающих определенными электрическими и магнитными характеристиками. Короче говоря, заслуга Максвелла состоит в создании теории электромагнитного поля.

Создание этой теории позволило Максвеллу высказать еще одну замечательную идею.

В конкретном случае взаимодействия токов и зарядов он измерил электрические и магнитные напряжения, учел величины, характеризующие электрические и магнитные свойства пространства, лишенного вещественной среды («пустоты»). Подставив все эти данные в свои уравнения, он вычислил скорость распространения электромагнитной волны. По его подсчетам, она оказалась равной 300 тысячам километров в секунду, т. е. равной скорости света! А ведь в свое время скорость света определяли чисто оптически: расстояние, пройденное световым сигналом от источника до приемника, делили на время его движения; никто при этом и думать не мог ни об электрических и магнитных напряженностях, ни об электрических и магнитных свойствах среды.

Случайно ли такое совпадение скоростей?

Максвелл сделал смелое предположение: скорость света и скорость электромагнитных волн одинаковы потому, что свет имеет ту же природу — электромагнитную.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

1. Основы теории электромагнитного поля. Электромагнитные поля и волны

1.1. Информативность различных диапазонов волн

1.2. Диапазон сверхвысоких частот (СВЧ)

1.3. Поля или цепи? Условие квазистационарности

1.4. Векторные характеристики электромагнитного поля

1.5. Материальные уравнения среды

1.6. Методы описания физических явлений и расчета

1.1. Информативность различных диапазонов волн

В последнее время все большее количество людей переходят из сферы материального производства в сферу обработки, хранения и передачи информации. Информацию можно излучать, либо передавать по кабельным линиям, волноводам, световодам и т.д. Количество информации непрерывно растет. Ограничением является количество каналов. Любой канал может передать только определенную информацию.

Рассмотрим диапазоны метровых волн (КВ).

Если в этом диапазоне вести телевидение, то можно организовать четыре канала или 6000 телефонных каналов.

Диапазон УКВ.

число телевизионных каналов — 40
число телефонных каналов — 6*10⁴

Сантиметровый диапазон:

n_телев. = 4000, n_телеф. = 6*10⁶

Миллиметровый диапазон

Если посмотреть на оптический диапазон,

то можно удовлетворить все потребности технического прогресса. С ростом частоты увеличивается информативность. Наращивание каналов связи — это освоение более высокочастотных диапазонов.

1.2. Диапазон сверхвысоких частот (СВЧ)

Диапазон СВЧ : 1 ГГц — 100 Ггц 1 ГГц = 10⁹ Гц

1.2.1. Особенности СВЧ диапазона

1. Остронаправленность излучения при сравнительно небольших размерах излучателей.
2. Большая информативность.
3. Квазиоптический характер распространения волн.

1.3. Поля или цепи? Условие квазистационарности

Аппарат теории цепей есть, он могучий. Зачем нужна теория электромагнитного поля? Противопоставлять теорию цепей и теорию поля нельзя. В одних условиях лучше одна теория, в других другая. Рассмотрим простейшую схему.

Вопрос: Какие показания будут давать амперметры ? Одинаковые или нет в любой фиксированный момент времени?

Ответ: Да, если Т >> t_зап. Запаздыванием процесса колебании от одной точки к другой можно пренебречь. Т — период колебаний источника;

t_зап — время запаздывания при распространении сигнала в цепи.

Предположим l — линейные размеры цепи, С — скорость света, тогда t_зап = .
Если Т >> Т С >> 1, т.к. Т С = , следовательно:

>> 1 — условие квазистационарности. (1.3.1.)

Если условие квазистационарности выполняется, то можно пользоваться теорией цепей. Когда условие квазистационарности не выполняется, нужен другой анализ. В сантиметровом и оптическом диапазонах используется теория поля.

1.4. Векторные характеристики электромагнитных полей

Для полного описания свойств электромагнитных полей нужно знать положение, величину и направление в пространстве четырех векторов.

— вектор напряженности электрического поля.

(х, у,z,t) [В/м]

— вектор электрического смещения

(x,y,z,t) [кл/м²]

— вектор напряженности магнитного поля.

(х,у,z,t) [А/М]

— вектор магнитной индукции

(x,y,z,t) [Вб/м²]

, — характеризуют силовые характеристики полей.

, — характеризуют источники ЭМП

1.5. Материальные уравнения среды

Материальные уравнения устанавливают связь между векторными характеристиками электромагнитных полей одинаковой природы. Рассмотрим связь между векторами D и Е, В и Н.

Электромагнитные процессы могут протекать в самых разных условиях. Электромагнитные волны пронизывают ионосферу (от спутника до земной антенны). От свойств среды, зависят условия распространения. Физики подробно дают ответ на такие вопросы (физика твердого тела, физика плазмы и т.д.). В простом представлении (грубая модель) среды

разделяют на диэлектрические и магнитные. Диэлектрические среды состоят из зарядов одинаковой величины и противоположных по знаку (диполей).

Многочисленные эксперименты и строгие теоретические выводы подтверждают связь:

=

где — абсолютная диэлектрическая проницаемость среды.

Для вакуума = = 8,85 * 10^-12 [Ф/м].

Вводят понятие относительной диэлектрической проницаемости: =

=

В справочной литературе указаны значения . Для магнитных веществ ситуация аналогичная:

=

— абсолютная магнитная проницаемость.

Для вакуума:

= = 4 * 10^-7

Для удобства расчетов вводят понятие относительной магнитной проницаемости :

=

Выражения (1.5.1.) называют материальными уравнениями среды.

=

=

=

(1.5.1.)

— плотность тока проводимости []

— удельная проводимость среды [].

1.6. Методы описания физических явлений и расчета устройств СВЧ диапазона

• Электродинамика, как основа описания физических явлений в СВЧ диапазоне.

• Уравнения Максвелла, как обобщение экспериментальных законов электричества и магнетизма.

Теория электромагнитного поля — Мегаобучалка

 

К середине XIX в. в тех отраслях физики, где изучались электрические и магнитные явления, был накоплен богатый эмпирический материал, сформулирован целый ряд важных закономерностей: закон Кулона, закон Ампера, закон электромагнитной индукции, законы постоянного тока и др. Сложнее обстояло дело с теоретическими представлениями. Строившиеся физиками теоретические схемы основывались на представлениях о дальнодействии и корпускулярной природе электричества. Наиболее популярной стала теория В. Вебера, которая объединила электростатику и электромагнетизм того времени. Однако полного теоретического единства во взглядах физиков на электрические и магнитные явления не было. Так, резко отличалась от других воззрений полевая концепция Фарадея. Но на полевую концепцию смотрели как на заблуждение, ее замалчивали и остро не критиковали только потому, что слишком велики в развитии физики были заслуги Фарадея. В это время физики предпринимают попытки создания единой теории электрических и магнитных явлений. Одна из них оказалась успешной. Это была революционная по своему значению теория Максвелла.

Дж. К. Максвелл, в 1854 г. окончив Кембриджский университет, начал свои исследования электричества и магнетизма при подготовке к профессорскому званию. Взгляды Максвелла на электрические и магнитные явления формировались под влиянием работ М. Фарадея и В. Томсона.

Максвелл тонко почувствовал и понял характер основного противоречия, которое сложилось в середине XIX в. в физики электрических и магнитных процессов. С одной стороны, были установлены многочисленные законы различных электрических и магнитных явлений (которые не вызывали возражений и к тому же выражались через количественные величины), но они не имели целостного теоретического обоснования. С другой стороны, построенная Фарадеем полевая концепция электрических и магнитных явлений не была математически оформлена.

Максвелл и поставил перед собой задачу, основываясь на представлениях Фарадея, построить строгую математическую теорию, получить уравнения, из которых бы можно было вывести, например, законы Кулона, Ампера и др., т.е. перевести идеи и взгляды Фарадея на строгий математический язык. Будучи блестящим теоретиком и виртуозно владея математическим аппаратом, Дж. К. Максвелл справился с этой сложнейшей задачей — создал теорию электромагнитного поля, которая была изложена в работе «Динамическая теория электромагнитного поля», опубликованной в 1864 г.

Эта теория существенно изменила представления о картине электрических и магнитных явлений, объединив их в единое целое. Основные положения и выводы этой теории следующие.

• Электромагнитное поле реально и существует независимо от того, имеются или нет проводники и магнитные полюса, обнаруживающие его. Максвелл определял это поле следующим образом: «…электромагнитное поле — это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии» *.

* Максвелл Дж.К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. М.. 1952. С.253.

 

• Изменение электрического поля ведет к появлению магнитного поля и наоборот.

• Векторы напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны. Это положение объясняло, почему электромагнитная волна исключительно поперечна.

• Передача энергии происходит с конечной скоростью. Таким образом обосновывался принцип близкодействия.

• Скорость передачи электромагнитных колебаний равна скорости света (с). Из этого следовала принципиальная тождественность электромагнитных и оптических явлений. Оказалось, что различия между ними только в частоте колебаний электромагнитного поля.

Экспериментальное подтверждение теории Максвелла в 1887 г. в опытах Г. Герца произвело большое впечатление на физиков. И с этого времени теория Максвелла получает признание подавляющего большинства ученых, но тем не менее долгое время она представлялась физикам лишь совокупностью математических уравнений, конкретный физический смысл которых был совершенно непонятным. Физики того времени говорили: «Теория Максвелла — это уравнения Максвелла»,

После создания теории Максвелла стало понятно, что существует только один эфир — носитель электрических, магнитных и оптических явлений, значит, судить о природе эфира можно на основе электромагнитных опытов. Но этим проблема эфира не была разрешена, а наоборот, еще больше усложнилась — надо было объяснять распространение электромагнитных волн и все электромагнитные явления. Сначала эту задачу пытались решить, в том числе и сам Дж.К. Максвелл, на пути поисков механистических моделей эфира.

Однако модель электромагнитного эфира, используемая Максвеллом, была несовершенна и противоречива (он и сам ее рассматривал как временную). Поэтому многие ученые пытались ее усовершенствовать. Предлагались различные модели эфира. Среди них были такие, которые основывались на представлениях об электромагнитном поле как о совокупности вихревых трубок, образуемых в эфире, и т.д. Появились работы, в которых эфир рассматривался даже не как среда, а как машина; строились модели с колесами и проч. В конце XIX в. существование эфира начали вообще подвергать сомнению. Теории, основанные на гипотезе эфира, были противоречивыми и бесплодными, и все больше ученых теряли уверенность в возможности конструктивного использования этого представления.

В конце концов, после множества безуспешных попыток построить механическую модель эфира, стало ясно, что эта задача не выполнима, а электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, распространяющуюся в пространстве, свойства которой не сводимы к свойствам механических процессов. Поэтому к концу XIX в. главное внимание с проблемы построения механистических моделей эфира было перенесено на вопрос о том, как распространить систему уравнений Максвелла, созданную для описания покоящихся систем, на случай движущихся тел (источников или приемников света). Иначе говоря, связаны ли между собой уравнения Максвелла для движущихся систем преобразованиями Галилея? Или, другими словами, инвариантны ли уравнения Максвелла относительно преобразований Галилея?

 

Великие открытия

 

Конец XIX в. в истории физики отмечен рядом принципиальных открытий, которые привели к научной революции на рубеже XIX—XX вв.: открытие рентгеновских лучей, открытие электрона и установление зависимости его массы от скорости, открытие радиоактивности, фотоэффекта и его законов и др.

В 1895 г. В. Рентген обнаружил лучи, получившие впоследствии название рентгеновских. Это открытие заинтересовало физиков и вызвало широкую дискуссию о природе этих лучей. В течение короткого времени были выяснены необычные свойства этих лучей (способность проходить через светонепроницаемые тела, ионизировать газы и т.д.), но их природа оставалась неясной. Открытие рентгеновских лучей способствовало исследованиям электропроводности газов и изучению катодных лучей. Заинтересовавшись открытием Рентгена, английский физик Дж.Дж. Томсон (совместно с Э. Резерфордом) установил, что под действием облучения рентгеновскими лучами резко возрастает электрическая проводимость газа и это свойство сохраняется некоторое время после прекращения облучения. Анализ подвел к выводу, что проводниками электричества в газах являются заряженные частицы, образующиеся в результате действия рентгеновских лучей. Перед Томсоном встали вопросы: что это за частицы, каковы их заряд и масса. Поиски ответов на эти вопросы привели Томсона к открытию первой элементарной частицы — электрона и определению его заряда и массы.

Важнейшим достижением физики конца XIX в. было открытие радиоактивности. В 1896 г. Анри Беккерель, исследуя загадочное почернение фотографической пластинки, оставшейся в ящике письменного стола рядом с кристаллами сульфата урана, случайно открыл радиоактивность. Систематическое исследование радиоактивного излучения было предпринято Э. Резерфордом, он установил, что радиоактивные атомы испускают частицы двух типов, которые назвал альфа- и бета-частицами. Тяжелые положительно заряженные альфа-частицы, как выяснилось, представляли собой быстро движущиеся ядра гелия, а бета-частицы оказались летящими с большой скоростью электронами.

Мария Склодовская-Кюри, исследуя новое явление, пришла к выводу, что в урановых рудах присутствуют вещества, также обладающие свойством излучения, названного ею радиоактивным. В результате упорного труда Марии и Пьеру Кюри удалось выделить из урановых руд новый элемент — радий, который обладает радиоактивностью гораздо большей, чем уран.

Изучение радиоактивных явлений поставило перед физиками, во-первых, вопрос о природе радиоактивного излучения и, во-вторых, задачу определения источника энергии, которую несут эти лучи. Уже вскоре после открытия Беккереля стало ясно, что радиоактивное излучение неоднородно и содержит три компонента, которые получили название α-, β- и γ-лучей. При этом оказалось, что α- и β-лучи являются потоками соответственно положительно и отрицательно заряженных частиц, а γ-лучи представляют собой электромагнитное излучение. Но что это за энергия, находящаяся внутри атома, которая освобождается при его распаде и выделяется вместе с излучением, было неясно, как и вообще «механизм» самого радиоактивного распада. Первые теории, разрабатывавшиеся для решения этого вопроса, были сугубо предварительными и неубедительными.

К великим открытиям второй половины XIX в. следует также отнести создание Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеевым, экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Г. Герцем *, открытие явления фотоэффекта, тщательно проанализированное А.Г. Столетовым. В этом же ряду обнаружение того, что отношение заряда электрона к его массе не является постоянной величиной, а зависит от скорости электрона.

* Это открыло дорогу изобретению русским ученым А.С. Поповым радио и созданию радиотехники.

 

Открытие зависимости массы электрона от скорости и объяснение этого факта наличием электромагнитной массы вызвали вопрос, обладает ли вообще электрон массой в смысле классической механики. Как соотносятся между собой «обычная» масса и электромагнитная? Сама возможность ответа на этот вопрос была проблематичной, поскольку не был известен эксперимент, с помощью которого можно отделить обычную массу от электромагнитной. Возникла гипотеза, что электрон вообще имеет только электромагнитную массу, а обычной массой не обладает. Развитие этой гипотезы подводило к выводу, что вообще всякая масса (а значит материя) носит электромагнитную природу. Такой вывод о чисто электромагнитной природе массы революционным образом изменял взгляды физиков.

 

1. Основные понятия теории электромагнитного поля

Физическое поле — это особая форма материи, существующая в каждой точке пространства, проявляющаяся воздействием на вещество, обладающее свойством, родственным с тем, которое создало это поле.

тело + заряд  поле  тело + заряд

Например, в случае излучения одиночного радиоимпульса при значительном расстоянии между передающей и приемной антеннами в какой-то момент времени окажется, что сигнал уже излучен передающей антенной, но еще не принят приемной. Следовательно, в данный момент времени энергия сигнала будет локализована в пространстве. В этом случае очевидно, что носитель энергии не является привычной материальной средой, а представляет собой иную физическую реальность, которая называется полем.

Существует принципиальная разница в поведении вещества и поля.

Основное отличие — это плавность. Вещество всегда имеет резкую границу того объема, который оно занимает, а поле принципиально не может иметь резкой границы (макроскопический подход), оно изменяется плавно от точки к точке. В одной точке пространства может существовать бесконечное количество физических полей, не влияющих друг на друга, чего нельзя сказать о веществе. Поле и вещество могут взаимно проникать друг в друга.

ЭМП и электрический заряд представляют собой основные понятия, относящиеся к физическим явлениям электромагнетизма.

ЭМП– это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрическими зарядами, отличающаясянепрерывнымраспределением в пространстве (ЭМВ, ЭМП заряженных частиц) и обнаруживающаядискретностьструктуры (фотоны), характеризующаяся способностью распространяться в вакууме со скоростью, близкой кс, оказывающая на заряженные частицы силовое воздействие, зависящее от их скорости[2, 5].

ЭМП может быть полностью описано с помощью скалярного и векторного потенциалов, составляющих согласно теории относительности единый четырехмерный вектор в пространстве-времени, компоненты которого преобразуются при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую в соответствии с преобразованиями Г. Лоренца [1].

Электрический заряд– свойство частиц вещества или тел, характеризующее их взаимосвязь с собственным ЭМП и их взаимодействие с внешним ЭМП; имеет два вида, известные как положительный заряд (заряд протона) и отрицательный (заряд электрона) заряд; количественно определяется по силовому взаимодействию тел, обладающих электрическими зарядами[2, 5].

Для анализа ЭМП удобна идеализация «точечный заряд»– заряд, сосредоточенный в точке. Наименьшим зарядом в природе считается заряд электронаe_эл=1,60210^-19Кл, поэтому заряды тел должны быть кратныe_эл.

Однако часто удобно считать заряд непрерывно распределенным (макроскопический подход). Существует понятие объемной (, Кл/м³), поверхностной (, Кл/м²) и линейной (, Кл/м) плотности заряда.

. (1.1)

. (1.2)

. (1.3)

ЭМП неподвижных электрических зарядов неразрывно связано с частицами, порождающими его, но ЭМП заряженной частицы, движущейся ускоренно, может существовать независимо от вещества в виде ЭМВ [1, 2].

ЭМВ– ЭМ колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени с конечной скоростью[1].

При исследовании ЭМП обнаруживаются две формы его проявления – электрическое и магнитное поля, которым можно дать следующие определения.

Электрическое поле– одно из проявлений ЭМП, обусловленное электрическими зарядами и изменением магнитного поля, оказывающее силовое воздействие на заряженные частицы и тела, выявляемое по силовому воздействию нанеподвижныезаряженные тела и частицы.

Магнитное поле– одно из проявлений ЭМП, обусловленное электрическими зарядамидвижущихсязаряженных частиц (и тел) и изменением электрического поля, оказывающее силовое воздействие надвижущиесязаряженные частицы, выявляемое по силовому воздействию, направленному нормально к направлению движения этих частиц и пропорциональному их скорости[2, 5].

Разделение ЭМП на электрическое и магнитное поля имеет относительный характер, поскольку зависит от выбора инерциальной системы отсчета, в которой исследуется ЭМП. Например, если некоторая система состоит из покоящихся электрических зарядов, то при исследовании ЭМП в данной системе будет установлено наличие электрического поля и отсутствие магнитного. Однако если другая система координат будет двигаться относительно данной системы, то во второй системе будет обнаружено и магнитное поле [2].

Основными характеристиками ЭМПсчитаются(напряженность электрической составляющей поля) и(магнитная индукция), которые описывают проявление механических сил в ЭМП и могут быть непосредственно измерены. Напряженность электрического поля можно определить как силу, действующую на точечный заряд известной величины (силу Ш. Кулона):

. (1.4)

Магнитная индукцияопределяется через силу, действующую на точечный зарядqизвестной величины,движущийсяв магнитном поле со скоростью, (силу Г. Лоренца):

. (1.5)

Вспомогательными характеристиками ЭМП являются (электрическая индукцияилиэлектрическое смещение) и(напряженность магнитной составляющей ЭМП). Названия характеристик ЭМП не бесспорны, но они сложились исторически. Единицы измерения основных характеристик ЭМП приведены на стр. 3. Мы будем пользоватьсяМеждународной системой единиц СИ, наиболее удобной дляпрактическихприменений.

Связь между и основными и вспомогательными характеристиками осуществляется с помощью материальных уравнений:

. (1.6)

. (1.7)

В большинстве сред векторы и, как ии,коллинеарны (Приложение 1). Но в случае гироэлектрических (сегнетоэлектрики) и гиромагнитных (ферромагнетики) средистановятсятензорнымивеличинами, и указанные в парах векторы могут утратить коллинеарность.

Величина называетсямагнитным потоком.

Величина —удельная проводимостьсреды. С учетом этой величины можно связатьплотность тока проводимости(j_пр) и напряженность поля:

. (1.8)

Уравнение (1.8) представляет собой дифференциальную форму закона Г. Омадля участка цепи.

Поля разделяются на скалярные, векторные и тензорные.

Скалярное поле – это непрерывно распределенная в каждой точке пространства некая скалярная функция с областью определения (рис. 1.1). Скалярное поле характеризуется поверхностью уровня (например, на рис. 1.1 – эквипотенциальными линиями), которую задает уравнение: .

Векторное поле– это заданное в каждой точке пространства непрерывная векторная величина с областью определения (рис. 1.2) Основной характеристикой этого поля являетсявекторная линия, в каждой точке которойвекторполя направлен по касательной. Физическая записьсиловых линий:.

Тензорное поле – это распределенная в пространстве непрерывная тензорная величина. Например, для анизотропного диэлектрика его относительная диэлектрическая проницаемость становится тензорной величиной: .

Электромагнетизм | физика | Britannica

Электромагнетизм , наука о заряде, а также о силах и полях, связанных с зарядом. Электричество и магнетизм — два аспекта электромагнетизма.

Британская викторина

Викторина «Все о физике»

Что такое явление комбинационного рассеяния света, названное в честь индийского физика К.В. Раман?

Электричество и магнетизм долгое время считались отдельными силами. Только в 19 веке они стали рассматриваться как взаимосвязанные явления. В 1905 году специальная теория относительности Альберта Эйнштейна вне всяких сомнений установила, что оба аспекта являются аспектами одного общего явления. Однако на практике электрические и магнитные силы ведут себя по-разному и описываются разными уравнениями. Электрические силы создаются электрическими зарядами в состоянии покоя или в движении.С другой стороны, магнитные силы создаются только движущимися зарядами и действуют исключительно на движущиеся заряды.

Электрические явления происходят даже в нейтральной материи, потому что силы действуют на отдельные заряженные составляющие. В частности, электрическая сила отвечает за большинство физических и химических свойств атомов и молекул. Это чрезвычайно сильно по сравнению с гравитацией. Например, отсутствие только одного электрона на каждый миллиард молекул у двух 70-килограммовых (154-фунтовых) человек, стоящих на расстоянии двух метров (двух ярдов) друг от друга, оттолкнет их с силой в 30 000 тонн.В более привычном масштабе электрические явления ответственны за молнии и гром, сопровождающие определенные бури.

Электрические и магнитные силы могут быть обнаружены в областях, называемых электрическими и магнитными полями. Эти поля являются фундаментальными по своей природе и могут существовать в космосе вдали от заряда или тока, которые их породили. Примечательно, что электрические поля могут создавать магнитные поля и наоборот, независимо от любого внешнего заряда. Как обнаружил в своей работе английский физик Майкл Фарадей, изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, лежащее в основе производства электроэнергии.Напротив, изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, как пришел к выводу шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. Математические уравнения, сформулированные Максвеллом, включают световые и волновые явления в электромагнетизм. Он показал, что электрические и магнитные поля перемещаются вместе в пространстве как волны электромагнитного излучения, при этом изменяющиеся поля взаимно поддерживают друг друга. Примерами электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве независимо от материи, являются радио- и телевизионные волны, микроволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи.Все эти волны движутся с одинаковой скоростью, а именно скоростью света (примерно 300 000 километров или 186 000 миль в секунду). Они отличаются друг от друга только частотой, с которой колеблются их электрическое и магнитное поля.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего 1768 First Edition с подпиской. Подпишитесь сегодня

Уравнения Максвелла по-прежнему обеспечивают полное и элегантное описание электромагнетизма вплоть до субатомного масштаба, но не включая его. Однако в 20 веке интерпретация его работ расширилась.Специальная теория относительности Эйнштейна объединила электрические и магнитные поля в одно общее поле и ограничила скорость всей материи скоростью электромагнитного излучения. В конце 1960-х физики обнаружили, что у других сил в природе есть поля с математической структурой, аналогичной структуре электромагнитного поля. Эти другие силы — сильная сила, ответственная за энергию, выделяемую при ядерном синтезе, и слабая сила, наблюдаемая при радиоактивном распаде нестабильных атомных ядер.В частности, слабые и электромагнитные силы были объединены в общую силу, называемую электрослабой силой. Цель многих физиков объединить все фундаментальные силы, включая гравитацию, в одну великую единую теорию до сих пор не достигнута.

Важным аспектом электромагнетизма является наука об электричестве, которая занимается поведением агрегатов заряда, включая распределение заряда в материи и движение заряда с места на место.Различные типы материалов классифицируются как проводники или изоляторы в зависимости от того, могут ли заряды свободно перемещаться через составляющие их вещества. Электрический ток — это мера потока зарядов; законы, управляющие токами в материи, важны в технологиях, особенно в производстве, распределении и управлении энергией.

Понятие напряжения, как и понятия заряда и тока, является фундаментальным в науке об электричестве. Напряжение — это мера склонности заряда перетекать из одного места в другое; положительные заряды обычно имеют тенденцию перемещаться из области высокого напряжения в область более низкого напряжения.Распространенная проблема в электричестве — это определение взаимосвязи между напряжением и током или зарядом в данной физической ситуации.

Эта статья стремится дать качественное понимание электромагнетизма, а также количественную оценку величин, связанных с электромагнитными явлениями.

.

Фундаментальное взаимодействие | физика | Britannica

Фундаментальное взаимодействие , в физике, любая из четырех основных сил — гравитационной, электромагнитной, сильной и слабой — которые управляют взаимодействием объектов или частиц и распадом определенных частиц. Все известные силы природы можно проследить за этими фундаментальными взаимодействиями. Фундаментальные взаимодействия характеризуются на основе следующих четырех критериев: типы частиц, которые испытывают силу, относительная сила силы, диапазон, в котором сила эффективна, и природа частиц, которые опосредуют силу.

Подробнее по этой теме

субатомная частица: основные силы и их посыльные частицы

В предыдущем разделе этой статьи был представлен обзор основных вопросов физики элементарных частиц, включая четыре фундаментальных взаимодействия …

Гравитация и электромагнетизм были признаны задолго до открытия сильных и слабых взаимодействий, потому что их влияние на обычные объекты легко наблюдать.Гравитационная сила, систематически описанная Исааком Ньютоном в 17 веке, действует между всеми объектами, имеющими массу; он заставляет яблоки падать с деревьев и определяет орбиты планет вокруг Солнца. Электромагнитная сила, научное определение которой было дано Джеймсом Клерком Максвеллом в 19 веке, ответственна за отталкивание подобных и притяжение разнородных электрических зарядов; он также объясняет химическое поведение вещества и свойства света. Сильные и слабые взаимодействия были открыты физиками в 20 веке, когда они наконец проникли в ядро ​​атома.Сильное взаимодействие действует между кварками, составляющими всех субатомных частиц, включая протоны и нейтроны. Остаточные эффекты сильного взаимодействия связывают протоны и нейтроны атомного ядра вместе, несмотря на сильное отталкивание положительно заряженных протонов друг к другу. Слабое взаимодействие проявляется в определенных формах радиоактивного распада и ядерных реакциях, которые подпитывают Солнце и другие звезды. Электроны относятся к элементарным субатомным частицам, которые испытывают слабое взаимодействие, но не сильное.

Четыре силы часто описываются в соответствии с их относительной силой. Сильная сила считается самой мощной силой в природе. За ним в порядке убывания следуют электромагнитная, слабая и гравитационная силы. Несмотря на свою силу, сильное взаимодействие не проявляется в макроскопической Вселенной из-за его чрезвычайно ограниченного диапазона. Он ограничен рабочим расстоянием примерно 10 ⁻¹⁵ метров, что составляет примерно диаметр протона. Когда две частицы, чувствительные к сильному взаимодействию, проходят на этом расстоянии, вероятность их взаимодействия высока.Дальность действия слабой силы еще меньше. Частицы, на которые действует эта сила, должны пройти в пределах 10 ⁻¹⁷ метров друг от друга, чтобы взаимодействовать, и вероятность того, что они сделают это, мала даже на таком расстоянии, если только частицы не имеют высоких энергий. Напротив, гравитационные и электромагнитные силы действуют в бесконечном диапазоне. Другими словами, гравитация действует между всеми объектами Вселенной, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга, и электромагнитная волна, такая как свет от далекой звезды, распространяется в космосе в неизменном виде, пока не встретит некоторую частицу, способную ее поглотить.

В течение многих лет физики пытались показать, что четыре основные силы — это просто разные проявления одной и той же фундаментальной силы. Наиболее успешной попыткой такого объединения является теория электрослабого взаимодействия, предложенная в конце 1960-х годов Стивеном Вайнбергом, Абдусом Саламом и Шелдоном Ли Глэшоу. Эта теория, которая включает квантовую электродинамику (квантово-полевую теорию электромагнетизма), рассматривает электромагнитные и слабые взаимодействия как два аспекта более базовой электрослабой силы, которая передается четырьмя частицами-носителями, так называемыми калибровочными бозонами.Одна из этих частиц-носителей — фотон электромагнетизма, а три других — электрически заряженные частицы W ⁺ и W ^— и нейтральная частица Z ⁰ — связаны со слабой силой. В отличие от фотона, эти слабые калибровочные бозоны массивны, и именно масса этих частиц-носителей сильно ограничивает эффективный диапазон действия слабого взаимодействия.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего 1768 First Edition с подпиской. Подпишитесь сегодня

В 1970-х годах исследователи сформулировали теорию сильного взаимодействия, аналогичную по структуре квантовой электродинамике.Согласно этой теории, известной как квантовая хромодинамика, сильное взаимодействие передается между кварками калибровочными бозонами, называемыми глюонами. Как и фотоны, глюоны безмассовые и движутся со скоростью света. Но они отличаются от фотонов в одном важном отношении: они несут так называемый «цветной» заряд — свойство, аналогичное электрическому заряду. Глюоны могут взаимодействовать друг с другом из-за цветного заряда, который в то же время ограничивает их эффективный диапазон.

Исследователи стремятся разработать всеобъемлющие теории, которые объединят все четыре основные силы природы.Однако до сих пор гравитация остается вне попыток создания таких объединенных теорий поля.

Текущее физическое описание фундаментальных взаимодействий воплощено в Стандартной модели физики элементарных частиц, которая описывает свойства всех фундаментальных частиц и их силы. Графические представления влияния фундаментальных взаимодействий на поведение элементарных субатомных частиц включены в диаграммы Фейнмана.

.