Site Loader

§ 1.8 Электромагнитная индукция и полнота электродинамики Ритца

§ 1.8 Электромагнитная индукция и полнота электродинамики Ритца

Интересно отметить, что по нашей теории в покоящихся телах явления индукции в замкнутой цепи возникают только вследствие конечной скорости распространения. Действительно, если обратиться к разложениям параграфа 3, то увидим, что, поскольку члены второго порядка затронуты слабо, то только эта конечная скорость вводит ускорения, и именно ускорения определяют явления индукции.

Вальтер Ритц, «Критический анализ общей электродинамики» [8]

Итак, хотя в настоящее время общепринят максвеллов вариант электродинамики, задолго до неё была принята электродинамика Ампера, развитая Вебером с Гауссом. Настолько проста и естественна была их теория, что почти весь XIX в. все признавали только её, отвергая появившуюся поздней туманную теорию Максвелла. Лишь открытие Герцем в 1888 г. электромагнитных волн привело к признанию максвелловой электродинамики и забвению исконной теории Ампера.

Но уже в 1908 г. Вальтер Ритц показал, что в рамках подхода Ампера-Вебера удаётся легко описать все электродинамические эффекты, включая предсказанные Максвеллом электромагнитные волны, а также естественно объяснить ряд явлений, которые теория Максвелла либо вовсе не смогла предсказать, либо просто постулировала. Ритц вскрыл глубинные механизмы электрических, магнитных, гравитационных воздействий, объяснив и релятивистские эффекты — без теории относительности.

Ампер, метко прозванный «Ньютоном электричества», строил электродинамику, избегая гипотез и опираясь лишь на опыт. Так он открыл взаимодействие токов и свёл к нему магнетизм, показав, что магниты — это наборы круговых молекулярных токов. Как в законе тяготения Ньютона, Ампер сводил электрические эффекты к силам взаимодействия элементарных частиц и токов — центральным силам, направленным вдоль линии соединения частиц. Сходство законов взаимодействия зарядов, токов и масс Ампер объяснял единством электрических, магнитных и гравитационных сил.

Не в пример простой и естественной электродинамике Ампера, Максвелл оперировал абстрактными, искусственно введёнными понятиями, вроде эфира, электромагнитного поля, вектор-потенциала, нецентральных, вихревых сил.

А электродинамика Ампера имела только тот порок, что и теория Ньютона, — это была теория дальнодействия: взаимодействие двух точек определялось лишь их взаимным положением, независимо от того, что лежало меж ними, и так, словно воздействие передавалось мгновенно, без всякого посредника [60]. Две разнесённых точки сразу испытывали силы отталкивания или притяжения, непосредственно и мгновенно действующие на любом расстоянии по закону Кулона, Ампера или Ньютона. Ритц продолжил программу Ампера-Вебера, и как раз ритцева механическая модель избавила теорию дальнодействия от главного порока — путём учёта материального посредника-носителя, — реонов, транспортирующих воздействия от заряда к заряду с запозданием от конечной скорости реонов. При движении зарядов именно задержка воздействия ведёт к его изменениям, имеющим вид магнитных и индукционных сил.

Сравнив заряд с пулемётом, стреляющим реонами и придающим им, как пулям из едущего броневика, добавочную скорость, Ритц объяснил роковой для теории Максвелла опыт Майкельсона, а также вскрыл природу магнитных и релятивистских эффектов.

Однако Фарадей решил совсем иным путём обойти основную трудность теории дальнодействия. Наблюдая железные опилки, выстроенные вдоль силовых линий магнита и провода с током, он решил, что есть некая вездесущая среда-поле, передающая воздействие от одних тел другим, — так появилась полевая концепция близкодействия. Согласно Фарадею и открывшему магнитное действие тока Эрстеду, воздействие создают не сами заряды и токи, а вызванные ими возмущения этой среды-поля (эфира), отчего притяжение двух токов напоминает взаимодействие двух воронок-вихрей на воде. Обоснование такому нецентральному, вихревому характеру взаимодействия токов Эрстед и Фарадей усмотрели в расположении магнитной стрелки возле провода с током. Она всегда направлена не к проводу, а перпендикулярно ему, отчего железные опилки выстраиваются вокруг провода в замкнутые кольца, которые и навели Эрстеда с Фарадеем на мысль о вихрях некой среды возле токов.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({}); Максвелл математически развил эту теорию, опираясь на гипотезу среды-поля (эфира), хотя уже тогда все считали полевую концепцию Эрстеда-Фарадея наивной, а их спекуляции о реальности силовых линий и вихрей — детским лепетом.

Да и с высоты современного уровня науки видно, что Эрстед, Фарадей и Максвелл ошибались. Силовые линии и поле, подобно полю скоростей, давлений, — это не физические, а математические объекты. Однако учёные верят в физическое поле-эфир, как они ещё долго цеплялись за теплород после открытия механической природы теплоты. Опыт Майкельсона доказал ложность эфира и основанной на нём электродинамики Максвелла [152]. Укладка же опилок вдоль силовых линий говорит не о наличии среды-поля, а об ориентации каждой крупицы опилок центральными силами Ампера. Как показал Ампер, любая магнитная крупица или стрелка — это, по сути, виток с током, образованный совокупностью молекулярных токов и перпендикулярный магнитной стрелке. Так что стрелку ориентируют не вихревые силы, «кругами вьющиеся» возле тока, а центральные силы Ампера, направленные к проводу: участок витка, где ток сонаправлен с током в проводе, притягивается им, а участок, где направление тока противоположно, — отталкивается.

Поэтому виток располагается в одной плоскости с проводом (Рис. 18), а магнитный момент витка (ось магнитной стрелки или железной крупицы) перпендикулярна этой плоскости и проводу.

Пороком максвелловой теории было и то, что она давала равные права электрическому и магнитному полям, способным взаимообращаться, порождать друг друга [60]. Ампер же считал магнитные воздействия вторичными, сводя магнитные эффекты к взаимодействию подвижных зарядов (токов). Реально лишь электрическое взаимодействие F0= e2/4??0R2 зарядов e, а магнитное — его частное проявление. Вебер развил эту мысль, дав уточнённое выражение F = F0[1–V2/c2+2Rа/c2]

для элементарной силы взаимодействия зарядов, учитывающее, кроме их дистанции R, относительные лучевые скорости V и ускорения a [106]. Слагаемые, содержащие V и a, давали магнитные и индукционные силы в качестве малых добавок электрической силы от движения зарядов. Так возник термин «электродинамика», где, в противовес электростатике (F=F0), изучалось взаимодействие подвижных зарядов. А концепцию Максвелла правильней называть «теорией электромагнетизма» ввиду отведения электричеству и магнетизму равных ролей без объяснения причин перехода одного в другое.

Рис. 18. Движение проволочной рамки ведёт к уменьшению потока Ф поля B через рамку и создаёт в ней силы Лоренца, наводящие ЭДС индукции с током Iинд в контуре.

Впрочем, и формула Вебера была эмпирической. Строго её обосновал Вальтер Ритц, получив формулу, как прямое следствие открытого им механизма взаимодействия элементарных зарядов (электронов) — посредством обмена стандартными микрочастицами (реонами). Именно так он вывел из своей модели силы магнитного взаимодействия (§ 1.7). В своём главном труде [8] Ритц объяснил не только все магнитные эффекты, но и явление электромагнитной индукции, открытое Фарадеем. Суть его в том, что изменение магнитного потока Ф вектора B через замкнутый контур (скажем, проволочное кольцо) наводит в этом контуре ЭДС индукции, создающей ток индукции и, по правилу Ленца, мешающей изменению потока [60].

Рассмотрим прямоугольную проволочную рамку и лежащий в её плоскости проводник с током (Рис. 18). По закону Фарадея, удаление рамки от провода со скоростью V наведёт в рамке ЭДС индукции U =-dФ/dt. Но и эта индукционная сила, по своей природе, — чисто электрическая, ибо, подобно магнитной силе, вызвана малым изменением электровзаимодействия зарядов от их движения. Как легко вычислить, ЭДС U =-dФ/dt создаётся разницей сил Лоренца

Fл1—Fл2, действующих на заряды в ближнем и дальнем участке рамки, поскольку поле B2 меньше, чем в ближнем B1 [45]. В силу классического принципа относительности, то же получим и в случае, если рамка неподвижна, а удаляется проводник с током. Сложнее случай, когда провод и рамка неподвижны, но меняется ток в проводнике и создаваемое им магнитное поле B и его поток Ф через рамку (Рис. 19). В этом случае, из-за эффекта Ритца и запаздывания электрических воздействий разные участки рамки воспримут воздействие движущихся с ускорением a зарядов проводника с разным запозданием и интенсивностью.
Это снова породит электрическую силу индукции U=-dФ/dt и ток в рамке.

Рис. 19. Замедление зарядов в проводнике (ускорение a направлено против скорости) снижает величину тока I и вызванный им поток индукции Ф через рамку, а также создаёт разность сил, наводящих ЭДС и ток индукции в контуре.

Итак, магнитные, индукционные и прочие электродинамические эффекты, включая релятивистские, возникают в БТР как малые добавки к силе электрического воздействия от равномерного или ускоренного движения зарядов. Эти добавки возникают при учёте высших порядков при разложении электрической силы в ряд по степеням V/c и Rа/c2. Влиянию этих малых, но весьма существенных поправок Ритц придавал основное значение в своей электродинамике, показав, что эти добавки вызваны запаздыванием воздействий, конечной скоростью их распространения (см. эпиграф § 1.8), отчего меняется частота f прихода реонов к заряду, а значит сила воздействия на него. То есть, электродинамические эффекты — это прямое следствие квадратичного эффекта Доплера и Ритца — изменения частоты f = f0[1–V2/c2+Rа/c2] от движения источника (см. § 1.20 и § 1.10). Потому похожее выражение получается и для силы взаимодействия зарядов F=F0[1–V2/c2+2Rа/c2]. Это, как и все электродинамические эффекты, — прямое следствие открытых Ритцем пространственно-временных соотношений и конечной скорости c реонов, то есть запаздывания электрических сигналов. Именно единая кинетическая природа эффектов Доплера и Ритца позволяет понять, почему изменение потока Ф через контур как от скорости (Рис. 18), так и от ускорения зарядов (Рис. 19), порождает одинаковую ЭДС индукции, а также найти исключения из этого эмпирического правила Фарадея.

Электродинамику Максвелла предпочли исконной веберовской ещё и потому, что он рассматривал электромагнитные явления в средах, Вебер же говорил лишь о взаимодействии в пустоте. Вдобавок электродинамику сред проще изучать в рамках полевого, эфирного подхода, на языке физики сплошных сред, к которым относили эфир. Но, как показал Лоренц в своей электронной теории, все выводы электродинамики Максвелла для диэлектриков, металлов, преломляющих сред, получаются и в прежнем описании элементарных взаимодействий зарядов в вакууме. Надо лишь представить среду совокупностью зарядов (электронов и ионов), смещаемых и колеблемых под действием внешних источников, тем самым порождая вторичные воздействия и волны, которые налагаются на исходные и потому преобразуют их. Так что и здесь концепция Ритца — логичней максвелловой, вводящей для каждой среды свои свойства эфира. Впрочем, учёные во главе с Лоренцем пытались встроить электронную теорию, отрицающую особую роль среды, — в максвеллову, хотя куда естественней она вписывалась в электродинамику Вебера.

Объясняет Ритц и электромагнитные волны, давшие признание электродинамике Максвелла (§ 1.11). Как показал Ритц, электромагнитные волны получались и в электродинамике Вебера, причём много проще. Если Максвеллу требовались нескончаемые превращения электрического и магнитного поля для распространения волн, то в электродинамике Ритца световые колебания возникали как естественное следствие передачи переменных электрических воздействий с конечной скоростью потока частиц, равной скорости света c. Опыты Герца доказали реальность электромагнитных волн, электрическую природу света, но ничуть не подтвердили физической реальности поля или эфира и основанной на них теории Максвелла. Таким образом, электродинамика Ритца описывает те же самые эффекты, что и электродинамика Максвелла, в большинстве случаев естественно приводя к тем же результатам. И лишь в тонких и ещё неисследованных эффектах можно найти расхождение между этими электродинамическими теориями, что позволит однажды строго, на основании опытов, сделать выбор в пользу одной из теорий. Но уже сейчас в пользу БТР говорит то, что в электродинамике Ритца все явления трактуются чисто механически, наглядно. Существование магнитных и индукционных эффектов в БТР само собой вытекает из модели взаимодействия зарядов и не нуждается, в отличие от максвелловой теории, в принятии искусственных дополнительных гипотез об абстрактных электрических и магнитных полях.

Физики, однако, боготворят Максвелла и его уравнения. Восхищение уравнениями Максвелла доходит до того, что их обожествляют, словно в них заключена вся мудрость природы, и всё из них следует. А между тем эти уравнения построены чисто формально, как произвольные обобщения эмпирически открытых законов. Так, первое уравнение Максвелла rotH=?D/?t+j и четвёртое уравнение divB=0 — это всего лишь обобщения известных законов Био-Савара-Лапласа и Ампера, позволяющих найти величину магнитного поля проводника с током. Второе уравнение Максвелла rotE=-?B/?t — это просто обобщённый закон электромагнитной индукции Фарадея [88]. Наконец, третье уравнение divD=? — это, опять же, не более чем обобщение закона Кулона, задающего электрическое поле D заряда, и теоремы Остроградского-Гаусса. Иногда утверждают, что Максвелл, кроме обобщения этих известных законов, сделал важное и даже гениальное добавление — открыл ток смещения (?D/?t — плотность этого тока), который, как следует из первого уравнения, создаёт магнитное поле H, подобно току проводимости (j — его плотность).

А на деле всё это следовало из тех же законов Био-Савара и Ампера. Рассмотрим первое уравнение в интегральной форме ?LHdl=d/dt?SDds+I. Оно читается так: «циркуляция вектора H по замкнутому контуру L равна изменению по времени потока вектора D через поверхность S, ограниченную контуром L, плюс ток проводимости I через эту поверхность». Возьмём контур L в виде кольца, а на оси кольца, перпендикулярной его плоскости S, разместим элемент тока, не пересекающий эту плоскость, то есть, в уравнении I=0. Но согласно закону Био-Савара на кольце L всё равно индуцируется магнитное поле H, направленное вдоль линии контура L, то есть имеющее отличную от нуля циркуляцию. Потому Максвелл был вынужден добавить в правую часть уравнения ток смещения d/dt?SDds, дабы учесть предсказанное законом Био-Савара и Ампера влияние элементов тока, не пересекающих площадку S. Ток — это движение зарядов, которое ведёт к изменению созданного зарядами потока поля D через поверхность S: если элемент тока направлен к кольцу, то заряды приближаются и созданный ими поток D нарастает, отчего и создаётся магнитное поле на контуре L. То есть максвеллов ток смещения — это не более чем удобный эквивалент токов проводимости, не пересекающих S, то есть напрямую неучтённых в его уравнении.

С этой точки зрения первое уравнение Максвелла оказывается просто отражением давно известного закона сохранения заряда: нарастание потока созданного зарядами поля D через замкнутую поверхность S соответствует притоку через эту поверхность зарядов (то есть электрическому току) [88]. Всё это ещё раз доказывает, что максвеллов ток смещения — это фикция [96], а уравнения Максвелла — это лишь удобное обобщение давно найденных законов электродинамики. Физики считают, что именно этим-то обобщением уравнения Максвелла и замечательны, ибо выражают гораздо больше открытых эмпирически законов Кулона, Ампера и Фарадея. Но, как показал Ритц, именно в силу своей чрезмерной общности уравнения Максвелла часто допускают физически невозможные решения. Истинная же электродинамическая теория должна давать единственное, причём физически верное решение. Поэтому Ритц критиковал электродинамику Максвелла и особенно его уравнения в частных производных, имеющие множество физически недопустимых решений [8]. Ритц считал, что такого рода уравнения должны быть изгнаны из фундаментальных законов Природы.

В баллистической теории Ритца воздействия находится не аналитическим, а синтетическим путём: не из дифференциальных уравнений, а как результат интегрирования элементарных воздействий. Поэтому теория Ритца даёт всегда единственное и, при том, — верное решение. Как видели, БТР легко и естественно объясняет законы Кулона, Ампера и Фарадея — то есть она полна и исчерпывающе объясняет всё то, на чём основаны уравнения Максвелла. При этом теория Ритца не нуждается в абстрактных понятиях электрического и магнитного полей, играющих столь важную роль в электродинамике Максвелла. В теории Ритца речь идёт непосредственно о воздействии. Именно поэтому электродинамику Ритца называют ещё бесполевой.

Впрочем, заданные в каждой точке пространства распределения реонов и ареонов по концентрации и скорости их потока в принципе в какой-то мере эквивалентно прежнему понятию поля. Ведь в каждой точке воздействие на ток или на заряд определяется именно этим распределением. Но, в этом случае, мы уже не говорим о поле как о некой абстрактной физической материи. В БТР поле имеет чисто математический смысл, а не смысл особого рода материи. Исконно именно так и вводили поле в математике и физике. Скажем, в аэродинамике поле скоростей, давлений, температур — это всего лишь пространственные распределения данных характеристик. Так же и в электродинамике поле исконно характеризовало лишь пространственное распределение электрических сил, действующих на пробный единичный заряд. Лишь потом физики стали приписывать полю самостоятельный физический смысл, что, разумеется, — неверно. Примерно так же нереальны силовые линии поля, — это чисто математические образы, введённые для удобства описания. Интересно отметить, что Максвелл и Фарадей, подобно полю, считали реальными объектами и силовые линии. Ясно, что при таком подходе они и не могли построить правильную электродинамику. Таким образом, именно Фарадей и Максвелл направили классическую физику по ложному пути, уведя её от наглядных механических моделей и электродинамики Гаусса-Вебера. Теория относительности, да и квантовая механика были лишь следствием, дальнейшим развитием абстрактно-аналитического пути Максвелла.

Итак, если в дальнейшем мы и будем время от времени употреблять термин «электрическое поле», то лишь в математическом смысле, имея в виду силу, действующую на единичный покоящийся заряд. Также для удобства мы будем в расчётах пользоваться привычными всем обозначениями полей B и E и формулами для них, имея в виду, что те же величины воздействий получаются и в баллистической бесполевой теории Ритца. Лишь из стремления не затруднять читателю понимание дальнейших глав книги, мы будем пользоваться принятыми в электродинамике обозначениями и способами расчёта. Точно так же мы до сих пор пользуемся, например, формулами термодинамики, говорим о давлении, температуре газа, потоке тепла, хотя эти характеристики по сути лишь математически построенные абстракции, характеризующие движение частиц, молекул газа. И возникли эти абстрактные понятия в те времена, когда учёные не имели представления о молекулярно-кинетической теории. Однако понятия давления и температуры оказались весьма удобными макроскопическими статистическими характеристиками газа как ансамбля частиц. Говорить о давлении и температуре газа проще, чем рассматривать микроскопические величины — скорости и координаты отдельных молекул. Так и мы зачастую будем пользоваться привычными понятиями полей, дабы избежать сложного анализа на основе распределения в пространстве реонов и ареонов. При этом, как показал Ритц, знание величины поля, являющейся макроскопическим статистическим параметром, часто недостаточно для определения воздействия, так же, как знание пространственного распределения давления газа ещё недостаточно для нахождения силы давления газа на пластинку, — эта сила зависит также от скорости пластинки в газе и угла атаки (наклона пластинки к потоку).

Электродинамические теории Ампера, Вебера и Гаусса сами по себе были достаточно удачны, поскольку сводили магнитные воздействия к электрическим. Однако, там возникали проблемы при объяснении электромагнитных волн, электродинамических воздействий, особенно в средах. Вдобавок не было механизма, объяснявшего электрические и магнитные силы. Электронная теория Лоренца была первым шагом к упразднению эфира и теории Максвелла. Ведь Лоренц свёл электродинамику сред к электродинамике вакуума, по сути, — к электродинамике Вебера и Гаусса, достаточно лишь было принять, что среда представляет собой набор электронов и ионов, которые создают собственные поля, налагающиеся на внешние и тем самым влияющие на поле в среде. Следующим шагом была ритцева баллистическая модель, предложившая механизм взаимодействия неподвижных и движущихся зарядов, а также позволившая наглядно объяснить электромагнитные волны. Теории Ритца и Лоренца стали для электродинамики тем же, чем была молекулярно-кинетическая теория (МКТ) для термодинамики с аэродинамикой. Термодинамика и электродинамика Максвелла — это чисто феноменологические теории, устанавливающие связь между внешними экспериментально измеримыми характеристиками (давлением, температурой в термодинамике, электрическим и магнитным воздействием в электродинамике). А молекулярно-кинетическая теория дала термодинамике теоретическое обоснование, свела к наглядным, механическим основам, не только строго показав, КАК всё происходит, но и объяснив ПОЧЕМУ. Так же и теории Ритца, Лоренца объяснили законы электродинамики, исходя из наглядных механических моделей, дав, подобно атомистической теории, микроскопическое описание. Электрические и магнитные силы были истолкованы в баллистической электродинамике, подобно силам давления и вязкости в статистической термо- и аэродинамике, как удары микрочастиц, осуществляющих дистанционный перенос и обмен импульсов меж взаимодействующими объёмами.

Такое внутреннее, причинное (микроскопическое) объяснение не только более убедительно и наглядно, чем внешнее (феноменологическое) описание, но и более правильно, точно. Конечно, и феноменологическая электродинамика Максвелла успешно описывает широкий круг явлений, отчего её до сих пор применяют в расчётах. И это понятно, ведь эфирная теория Максвелла-Фарадея, построенная полуэмпирически, специально подгонялась под этот круг явлений (так же как теория Птолемея-Аристотеля с её космическими эфирными шестерёнками и эпициклами — под видимое движение небесных тел). Но зато вне этого круга теория уже не работала, ибо не раскрыла реальный внутренний механизм явлений. Поэтому, когда круг явлений расширился, электродинамика Максвелла стала давать одну осечку за другой. Равно как эмпирические законы аэродинамики оказались непригодными на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях, так же и электродинамика Максвелла отказала на околосветовых и сверхсветовых скоростях. Уже на космической скорости Земли V=30 км/с в опыте Майкельсона открылись необъяснимые теорией Максвелла расхождения порядка V22. Ещё заметней были отклонения от предсказаний теории Максвелла в опыте Кауфмана, где электроны двигались с околосветовой скоростью (§ 1. 15). Но зацикленные на теории Максвелла учёные, стремясь спасти её любой ценой, выдумали теорию относительности, словно очередной эпицикл в теории Птолемея, призванный согласовать наблюдения с теорией. И только Ритц, идя путём Коперника, построил БТР, вскрывшую внутренние механизмы явлений, а потому сходу предсказавшую все эффекты околосветовой электродинамики, подобно МКТ, позволившей понять законы околозвуковой и сверхзвуковой аэродинамики.

Итак, перед нами два варианта электродинамики. Один, придуманный Фарадеем и Максвеллом, — общепринят, хотя основан на абстрактных электрических и магнитных полях, равноправных и взаимообратимых. Второй вариант, открытый Ампером, развитый Вебером и обоснованный Ритцем, — отвергнут, хотя опирается исключительно на опыт и простые наглядные механические модели. Какой из вариантов выбрать? На этот вопрос давно ответил опыт Майкельсона, упразднивший эфир и основанную на нём электродинамику Максвелла. Однако учёные по косности ума не смогли отказаться от этой теории, противоречащей опыту и механике Ньютона, и, отвергнув классическую механику, построили механику теории относительности — формальное согласующее звено, примирившее результат Майкельсона с электродинамикой Максвелла. Однако, раз противоречия возникли в теории Максвелла, и опыт отверг эфир, естественней отказаться от этой полевой теории, сохранив классическую механику и согласную с ней электродинамику, основы которой были уже заложена в теории Ампера-Вебера-Гаусса и корпускулярной теории истечения света Демокрита-Ньютона.

Это, конечно, не означает, что электродинамикой Максвелла перестанут пользоваться. Её уравнения, термины «поле» и «потенциал» останутся в арсенале физики, ввиду их привычности и удобства расчётов, но при этом уже будет чётко осознан их формальный, условный, приближённый характер, ограничивающий круг применимости теории Максвелла. А для воссоздания точной картины происходящего и понимания сути явлений, например, — природы света, придётся рассматривать уже подробную, микроскопическую картину, рисуемую теорией Ритца. Именно так мы до сих пор пользуемся терминами и уравнениями феноменологической термодинамики и аэродинамики, оперируем понятиями «теплота», «давление», «температура», хотя и понимаем, благодаря МКТ, их условный, статистический, относительный характер и ограниченную применимость. Прежние феноменологические теории сохраняют свою применимость, будучи более простыми, удобными (в сравнении с микроскопическими), поскольку дают приближённое описание, не интересуясь деталями, механизмами, сутью происходящего, но именно это ограничивает их точность и сферу применимости. Для исчерпывающего и точного описания необходимо уже привлекать микроскопические теории, типа МКТ и БТР, из которых формулы термодинамики и электродинамики Максвелла вытекают лишь как первое приближение.

В целом, как отмечает Ритц, его баллистическая кинетическая электродинамика предсказывает в большинстве случаев те же эффекты и значения электродинамических воздействий, что и теория Максвелла, и лишь с помощью прецизионных экспериментов, предложенных Ритцем, можно сделать выбор в пользу той или иной теории. Некоторые из таких тонких экспериментов, в которых воздействия по теории Максвелла должны быть скомпенсированы, действительно проведены, и выявлены эффекты, говорящие о ложности максвелловой электродинамики, хотя об этих «парадоксах» и не любят упоминать (В.  Околотин, «Техника-молодёжи» № 12, 1973). Впрочем, уже открытие релятивистских эффектов, противоречащих теории Максвелла, подтверждает теорию Ритца. И лишь введение искусственного согласующего звена в виде релятивистской механики Эйнштейна спасло максвеллову электродинамику от краха, однако, страшной ценой, — ценой отказа от классической механики и здравого смысла.

(PDF) Электромагнитная гравитация Часть 3. Electromagnetic field

68

Литература

1. Пакулин В.Н. Структура поля и вещества. СПб, НТФ «Истра», 2007.

2. Дж. К. Максвелл, Динамическая теория электромагнитного поля, часть IY.

Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. ГИТТЛ, М.,1952.

3. Максвелл Джеймс К., Трактат об электричестве и магнетизме в 2-х томах.

Изд. Наука, Москва, 1992.

4. Фейнман Р., Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Том

6. Изд. «Мир», М., 1966, с.294.

5. Pakulin Valeriy. Structure of Matter. Vortex Model of Microworld. ISBN 978-5-

903247-27-8 Research Firm “ISTRA”, St-Petersburg, 2010.

6. Пакулин В.Н., Развитие материи. Вихревая модель микромира, НПО

«Стратегия будущего», ISBN 978-5-903247-49-2, 120 c., СПб, 2011.

7. Pakulin Valeriy. Structure of Matter. Vortex Model of Gravitation. ISBN 978-3-

659-49678-3. Lambert Academic Publishing, Ger., 2013.

8. Пакулин В.Н., Структура материи. Вихревая модель микромира. Филосо-

фия и космология. ISSN2307-3705. Международное философско-космоло-

гическое общество. Киев, 2014.

9. Пакулин В.Н. Структура материи. ISBN 978-3-659-66577-6. Lambert Aca-

demic Publishing, 2014.

10. Пакулин В.Н. Структура поля и вещества. М., Берлин: Директ-Медиа, 2017,

209, ISBN 978-5-4475-8892-2. Книга выложена на сайте http://gravity.spb.ru

11. Фейнман Р., Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Том

5. Электричество и магнетизм, с.289. Изд. «Мир», М., 1966.

12. Пакулин В.Н. Новая физика. Часть 1. Образование поля и вещества.

Структура частиц. ISBN 978-3-330-05604-6, Lambert Acad. Publishing, 2018.

13. Пакулин В.Н. Новая физика. Часть 2. Фундаментальные взаимодействия.

ISBN 978-613-9-57749-1, Lambert Academic Publishing, 2018.

14. Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшиц. Теория поля, изд. 3, ГИФМЛ, М.,1960, с.195.

15. Патент США №725605 от 14.04.1903 г.

16. «Pioneer Radio Engineer Gives Views on Power», New York Herald Tribune,

11-сентября 1932 г.

17. United States Patent # 6,486,846 — EH antenna, 2002.

Электромагнитной индукции -> Теория

Электромагнитной индукции -> Теория

Явление электромагнитной индукции.

   Открытое в 1831 году Фарадеем явление электромагнитной индукции состоит в  том, что в любом замкнутом контуре при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром, возникает электродвижущая сила, величина которой пропорциональна скорости изменения магнитного потока:

 Eинд=-DФ/Dt

  Магнитный поток — это  физическая  величина, численно равная  количеству  ЛМИ, пронизывающих контур.

Ф=ВScosa

[Ф]=Вебер=Тл.м2

   В проводящем контуре существование ЭДС индукции приводит   к  появлению  индукционного  тока.  Знак минус   в   формуле   соответствует   правилу    Ленца, согласно    которому    направление    индукционного тока  всегда  таково,  что  создаваемое  им магнитное поле   препятствует   изменению  магнитного  потока, вызывающего индукционный ток. 

ЭДС индукции в движущихся проводниках.

  Изменение магнитного потока через контур, вызывающее появление ЭДС индукции, может происходить как за счет изменения магнитного поля, так и за счет изменения ориентации и формы контура.

   В  тех случаях, когда магнитное поле не изменяется во времени, а магнитный поток через контур изменяется из-за движения проводников контура в магнитном поле (изменения площади контура S), причиной возникновения ЭДС индукции является сила Лоренца.

  Рассмотрим прямоугольный контур в однородном магнитном поле,  вектор индукции В  которого составляет угол a с плоскостью контура. Если провод скользит с постоянной скоростью v , то с такой же скоростью двигаются и заряды в нем. Следовательно, на них будет действовать сила Лоренца, равная  Fл=qvBsina,   и направленная вдоль проводника. Работа этой силы по переносу заряда по проводнику равна A=Fl, и ЭДС индукции по модулю равна  E=A/q.

   С другой стороны, за время Dt площадь контура изменяется на величину DS=lVDt, а магнитный поток: DФ=BVlsinaDt.

Итак, ЭДС индукции будет равна: E=BVlsina

 

ЭДС индукции в неподвижных проводниках.

  Если изменение магнитного потока через контур связано с изменением магнитного поля, то причина возникновения ЭДС индукции иная. В общем случае, сила, действующая на электрический заряд q, складывается из силы   qE и силы Лоренца qVBsina. Т.к. движущихся проводников в данном случае нет, то сила Лоренца уже не может быть ответственной за возникновение ЭДС индукции.

  Остаётся допустить, что в области, где существует переменное магнитное поле, возникает электрическое поле, которое и обусловливает возникновение индукционного тока  в замкнутом контуре, т.е.  работа сил  этого  электрического  поля поля по замкнутому контуру уже не равна нулю. Поэтому, в отличие от потенциального электростатического поля, это электрическое поле называют вихревым.

   Итак,  переменное  магнитное   поле     создает    в   каждой   точке   пространства

вихревое электрическое поле. Чем быстрее меняется магнитное поле В, тем больше величина вихревого электрического E.

Самоиндукция. Индуктивность.

Если по катушке идет пepeмeнный ток, то магнитный поток, пронизывающий катушку, меняется. Поэтому возникает ЭДС индукции в том же самом проводнике, по  которому идет ток. Это явление называют самоиндукцией. При самоиндукции проводящий контур играет двоякую роль: по нему протекает ток, создающий переменное магнитное поле, и в нем же возникает ЭДС индукции. 

  Явление самоиндукции подобно явлению инерции в механике. За счет самоиндукции при замыкании цепи сила тока не сразу приобретает определенное значение, а нарастает постепенно. Выключая источник, мы прекращаем ток  сразу. Самоиндукция его поддерживает некоторое время, несмотря на сопротивление цепи.

Модуль B вектора индукции магнитного поля, создаваемого током, пропорционален  силе тока. Так как магнитный поток Ф пропорционален В, то Ф~В~I, следовательно:  

Ф=LI

 где  L- индуктивность контура. Это физическая величина, числено равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с. Зависит от числа витков, размеров, формы и сердечника катушки. Измеряется в генри (Гн).

Используя закон электромагнитной индукции и формулу для индуктивности контура, получаем равенство:

 Eинд=-L(DI/Dt)

Слава пришла после смерти. Урок в 11-м классе на тему «История открытия электромагнитных волн»

Задача урока: – обратиться к истории науки, чтобы увидеть как труден и длителен путь ученого к истине, которая фомулируется сегодня в виде короткого уравнения или закона; изучать биографии ученых и истории научных открытий.

о существовании давления, производимого электромагнитными волнами, проверил П.Н.Лебедев. Понимая, как трудно обнаружить давление света на газ, он начал с изучения давления света на твердое тело. Но и эта задача была чрезвычайно сложной.

Учитель: В 10-м классе мы рассматривали электрические и магнитные поля, не изменяющиеся с течением времени, и выяснили, что электрическое поле создается неподвижными заряженными частицами, а магнитное движущимся, т.е. электрическим током.

В 11-м классе мы перешли к знакомству с электрическим и магнитными полями, которые меняются со временем.

Ведущий: Мы поняли, что изменяющееся во времени магнтное поле порождает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле порождает магнитное. Без этой связи разнообразие проявлений электромагнитных сил не было бы столь обширным. Не существовало бы ни радиоволн, ни света.

Как эта связь была открыта?

План нашего исторического поиска таков:

1. Установление связи электричества и магнетизма как важнейший этап, подготовивший выдвижение идеи поля (Ганс Христиан Эрстед 15.02.1820 г. и Анри Ампер, 18.09.1820 г.).

2. Идея близкодействия в работах Майкла Фарадея, 29.08.1831 г.

3. Создание теории электромагнитного поля Максвеллом, 1855-1873.

4. Утверждение теории Максвелла.

Выводы:

1. Подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.

2. Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется.

3. При анализе явления электромагнитной индукции Максвеллом был сделан вывод о порождении вихревого электрнического поля переменным магнитным полем. Затем Максвелл предложил, что аналогичным образом переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле. Отсюда следует, что в природе существует единое целое электромагнитное поле.

4. Процесс распространения электромагнитного возмущения равен скорости света в вакууме.

Свойства электромагнитным волн: (Т.Герц, А.С.Попов, П.Н.Лебедев)

– плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника;

б) интерференция волн и образование стоячей волны;

в) преломление волн;

г) отражение волн;

д) поляризация волн

е) скорость электромагнитной волны равна С = 3 х 10 м/с.

1895 г. – интерференция, поляризация, отражение, преломление, двойное преломление в кристаллах.

1899 г. – давление света.

1909 г. – давление света на газ.

Группа Эрстеда

Мы узнали, что честь установления связи электричества с магнетизмом принадлежит датскому ученому Гансу Христиану Эрстеду.

Диэлектрическая идея о взаимосвязи явлений, воспринятая Эрстедом из философии Гегеля, заставила его целенаправленно искать связь между электричеством и магнетизмом. За несколько лет до своего открытия он пишет: «Следует испробовать, не производит ли электричество каких-либо действий на магнит». Но, видимо, он долго не смог понять, как проверить свою догадку.

15 февраля 1820 г. Эрстед на лекции демонстрировал нагревание проводника с током. Вблизи находилась магнитная стрелка. Все обратили внимание, что при прохождении тока стрелка поворачивалась. Эрстед тщательно изучил наблюдаемый эффект и опубликовал о нем сообщение.

Ведущий читает вывод, секретарь пишет его на доске, а ученики – в тетрадях.

Выводы Ампера

11 сентября Ампер наблюдал опыт Эрстеда, а 18 сентября сам выступил с докладом, в котором выдвинул мысль об этом. Поскольку ток вызывает ориентацию магнитной стрелки, значит, ориентация стрелки компаса под действием земного магнетизма вызвана токами, текущими в земле с востока на запад. Он предположил, что магнитное действие постоянного магнита обусловлено существованием круговых токов, циркулирующих в плоскостях магнита перпендикулярно его оси.

Амперу принадлежит идея гальванометра. Он ввел термины «напряжение» и «сила тока».

Ведущий: Силу тока измеряют в Амперах.

Давайте поразмыслим, что может рассказать Ампер о вихревых парадах и бунтах.

Дарования Ампера проявились очень рано. В 13 лет он прочел 20 томов энциклопедии Дидро, хотя официального образования не получил. Интересы его были чрезвычайно обширны: разные отрасли математики, биология, геология, философия, химия и, конечно, физика. Окружающим он казался человеком странным: близорукий, рассеянный, доверчивый, мало обращающий внимания на свой внешний вид, да к тому же имеющий неприятную привычку прямолинейно говорить собеседнику все то, что думал о нем. Его открытия многие коллеги не понимали и встречали скептическими усмешками. Приборы он покупал и изготовлял на свои деньги. Приходилось выпрашивать дополнительную работу у университетского начальства. Он был человеком редчайшей скромности. Немногие современники по достоинству оценили его заслуги. Слава пришла к нему лишь после смерти.

«Смерть Ампера – несчастье национальное» – сказал Доминик Араго. И это, конечно, была потеря не одной Франции.

Идеи Фарадея

Опыты Эрстеда и работы Ампера, доказавшие связь электричества и магнетизма, вызвали у Фарадея глубокий интерес к электромагнитизму. И это понятно, ведь идея взаимосвязи явлений, единства сил природы была ведущей в мировоззрении Фарадея. Не удивительно поэтому, что уже в 1821 г. он записал в своем дневнике в качестве задачи: «Превратить магнетизм в электричество». После этого он все время носил в кармане магнит и проволоку.

Соображения симметрии невольно наталкивают на мысль: если за счет электричества создается магнетизм, то должно быть справедливым и обратное суждение.

Мысли Фарадея 11 лет были заняты этой проблемой, но способ ее решения долго не давался в руки.

24 сентября Фарадей возбуждает ток в катушке, манипулируя постоянным магнитом.

17 октября подобные опыты приводят к выводу:

(Читает вывод ведущий, а секретарь пишет его на доске).

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле.

28 октября Фарадей получает индукционный ток, снимает с оси обода медного диска, вращающегося между полюсами дугообразного магнита. Эта установка представляет собой первый генератор электрического тока.

Биография Фарадея

Фарадей родился в семье лондонского кузнеца. В 13 лет начал работать в книжной лавке. Интерес к знаниям побудил его посещать публичные лекции Хемфрида Дэви. Он написал письмо Дэви с просьбой предоставить любую работу в лаборатории. Дэви отказал, но Фарадею помог несчастный случай. Взрывом колбы в лаборатории был поврежден глаз Дэви, и он взял Фарадея к себе секретарем. Позднее он скажет: «Самым важным моим открытием было открытие Фарадея». Фарадей не был математиком. Все свои опыты он записывал в дневнике, который затем издали в виде «экспериментальных исследований по электричеству». Всего он опубликовал 220 работ. Это был очень порядочный, добрый и честный человек.

Идеи Максвелла

Казалось бы, идеи Фарадея должны были сразу дать мощный толчок развитию теоретических исследований. Фарадея очень высоко ценили как экспериментатора, но к его теоретическим идеям относились с недоверием. Р.Милликен писал: «Формалисты школы Ампера-Вебера с тайным, а иногда и явным презрением смотрели на грубые материальные силовые линии и трубки, порожденные фантазией переплетчика и лабораторного сторожа Фарадея».

Теория поля Фарадея не соответствовала идеалу физической теории – она не была выражена на языке математики. Максвелл поставил перед собой задачу выразить идеи Фарадея языком математики и в конце концов блестяще ее решил. По выражению Р.Милликена, он облек плебейские обнаженные представления Фарадея в аристократические одежды математики.

Ведущий: Мы не удержались от искушения и написали эти красивейшие уравнения. В них заключено все учение об электричестве и магнетизме. (Зачитывает, снимая со стены, затем вешает на место).

УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА

В ПРИРОДЕ ОТСУТСТВУЮТ СВОБОДНЫЕ МАГНИТНЫЕ ЗАРЯДЫ. ЗНАЧИТ, ЛИНИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗАМКНУТЫ (ОНИ НИГДЕ НЕ НАЧИНАЮТСЯ И НИГДЕ НЕ КОНЧАЮТСЯ).

ВИХРЕВОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ СОЗДАЕТСЯ ПРИ ДВИЖЕНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ И ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ВО ВРЕМЕНИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ВАКУУМЕ.

ТОК ПРОВОДНИКОВЫЙ МОЖЕТ ОТСУТСТВОВАТЬ ТАМ, ГДЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ БУДЕТ СОЗДАВАТЬСЯ ТОЛЬКО ПЕРЕМЕННЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ.

ИЗМЕНЯЮЩЕЕСЯ ВО ВРЕМЕНИ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПОРОЖДАЕТ ВИХРЕВОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ.

(3АКОH ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ).

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ НЕРАЗРЫВНО СВЯЗАНО С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ЗАРЯДАМИ. СИЛОВЫЕ ЛИНИИ ПОЛЯ НАЧИНАЮТСЯ ИЛИ ЗАКАНЧИВАЮТСЯ НА ЗАРЯДАХ.

Биография Максвелла

Максвелл – выходец из состоятельной шотландской семьи клерков в Эдинбурге. Он окончил школу и университет, а затем продолжил образование в Кембридже. Максвелл отличался большой простотой, мягкостью, искренностью в общении с людьми, никогда не проявлял обидчивости и себялюбия. Не стремился к славе, спокойно принимал критику в свой адрес, ценил юмор. Самообладание и выдержка всегда были его спутниками. Он умер в возрасте 48 лет, из которых 18 лет изучал электромагнитное поле.

Ведущий зачитывает вывод, а секретарь пишет:

1. Вихревое электрическое поле порождается переменным магнитным полем. А переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле. То есть в природе существует единое целое электромагнитное поле.

2. Процесс распространения электромагнитного возмущения равен скорости света в вакууме.

Под руководством учителя ребята проводят опыт с катушкой Томсона.

Ведущий: Давайте поразмыслим над выражениями:

1. Поле – стремительный гонец.

2. Двуликий Янус электромагнитизма. О чем это?

Теории Максвелла еще предстояло утвердить себя. Поначалу ее мало кто понимал. Даже Больцман считал ее «тайной за семью печатями» и в качестве эпиграфа к курсу лекций по теории Максвелла взял фразу из Фауста: «Я должен пот тяжелый лить, чтоб объяснить вам то, чего я сам не понимаю».

Герц и его опыты

1. Точно следуя теории Максвелла, Генрих Герц в 1887 году ставит опыты, используя открытый колебательный контур. Он находит способ генерирования самых высокочастотных в то время колебаний.

Это были первые в мире передатчик и приемник.

Пользуясь своим диполем, он обнаружил следующие свойства электромагнитных волн:

1. Токи смещения и проводимости эквиваленты.

2. Интерференция электромагнитных волн и образование стоячей волны.

3. Отражение волн.

4. Преломление волн.

5. Поляризация волн.

Герц рассчитал и вычислил скорость электромагнитных волн, придал уравнениям Максвелла современный вид.

Ведущий: Я покажу вам алгоритм решения задач по теории электромагнитных волн.

Биография Герца

Генрих Герц уже в ранние годы проявил блестящие способности в разных отраслях знаний. Он с одинаковым успехом изучал физику и арабский. К тому же имел хорошие ремесленные навыки, так что когда Герц стал знаменитым ученым, мастер, учивший его, сказал: «Жаль, из него мог бы получиться отличный токарь».

Опыты Попова

Получив сообщение об опытах Герца, А.С.Попов сразу же воспроизвел их и догадался о возможности практического использования электромагнитных волн.

Используя когерер, Попов создал свой знаменитый «грозоотметчик» – приемник радиосигналов, впервые использовав для увеличения чувствительности приемника антенну.

7 мая 1895 г. Попов продемонстрировал на заседании русского физико-химического общества свои приемники первой конструкции.

24 марта 1896 г. Попов осуществил первую в мире радиопередачу. Его первая телеграмма состояла из двух слов. Эта передача велась на расстоянии 250 м.

В 1897 г. аппаратура Попова использовалась в спасательных работах в Финском заливе. Таким образом, есть полное основание утверждать, что радио – это детище гения русского человека.

Включается радио, звучит музыка и вопрос: из каких двух слов состояла телеграмма Попова.

Биография Попова

Попов, сын священника, не удовлетворившись образованием, полученным в духовном училище, поступил в Петербургский университет. Работал преподавателем электротехники в Кронштадте, затем стал директором Петербургского электротехнического института.

Умер в 1905 г. от кровоизлияния в мозг после отказа ввести в институт полицию и внедрить тайных агентов.

Ведущий: Давайте поразмышляем. Как радиоволны достигают обратной стороны Земли?

Открытие А.С.Попова вместе с опытами Герца и Лебедева явилось убедительным доказательством того, что предсказанное в работах Фарадея и Максвелла электромагнитное поле есть объективная реальность, а не гипотеза. Как же можно не верить в существование того, что человек не только воспроизвел в эксперименте, но и поставил себе на службу?!

В 1891 г., продолжая проверку выводов теории Максвелла, П.Н.Лебедев разработал гипотезу о световом давлении, строго объясняя с этих позиций причину образования хвостов комет.

В 1899 г. Лебедев сообщил о наличии светового давления, хорошо согласующегося с выводом Максвелла.

В 1909 г. он рассчитал давление света на газ. В 46 лет Лебедев умер. Проводить дорогого учителя собрались все ученики, друзья и толпы молодежи. Ученики плакали над гробом учителя, как плачут дети над гробом своих родителей. И это понятно – ушел из жизни человек, необычайно преданный науке.

Биография Лебедева

Идеи Максвелла о существовании давления, производимого электромагнитными волнами, проверил П.Н.Лебедев. Понимая, как трудно обнаружить давление света на газ, он начал с изучения давления света на твердое тело. Но и эта задача была чрезвычайно сложной.

Для преодоления всех этих трудностей потребовалось много времени, сил, терпения, выдумки, мастерства – и любви к науке. Петру Николаевичу приходилось все делать своими руками. Работал он часто по ночам, т.к. днем проезжавшие мимо здания лаборатории повозки и экипажи вызывали сотрясение почвы, влияющие на крыльчатку.

В 1899 г. он измерил световое давление на тела.

В 1909 г. измерил давление света на газ. Огромное напряжение подорвало его здоровье.

Труд в Московском университете не был легким. Ученый с мировым именем долгое время не имел элементарных условий для научной работы. И тем не менее Лебедев организовал лабораторию и создал лучшую в России того времени школу физиков. О каждом из своих учеников он трогательно заботился, каждому помогал словом и делом, надеясь на то, что русские физики смогут занять достойное место в мировой науке.

Опыты Лебедева

Ведущий: Вот как писал Лорд Кельвин Тимирязеву:

«Вы, может быть, знаете, что я всю жизнь воевал с Максвеллом, и вот ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его опытом». Пашен писал Лебедеву: «Я считаю ваш результат одним из важнейших достижений физики начала XX века».

И в заключение давайте поразмыслим над пословицей «Сполох красиво играет, да не греет». Какое наблюдаемое на севере явление описано в этой пословице?

Любовь ЛЕДНЕВА, учитель физики СШ № 9, г. Кумертау, Республика Башкирия, участница конкурса «Сто друзей»

приложений электромагнитной индукции — University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объяснить, как жесткие диски компьютеров и графические планшеты работают с использованием магнитной индукции
  • Объясните, как гибридные/электрические транспортные средства и транскраниальная магнитная стимуляция используют магнитную индукцию в своих интересах

Современное общество имеет множество применений закона индукции Фарадея, которые мы рассмотрим в этой и других главах.На этом этапе позвольте упомянуть несколько, которые связаны с записью информации с использованием магнитных полей.

В некоторых жестких дисках компьютеров используется принцип магнитной индукции. Записанные данные производятся на вращающемся диске с покрытием. Исторически сложилось так, что чтение этих данных работало по принципу индукции. Однако сегодня большая часть входной информации передается в цифровом, а не в аналоговом виде — на вращающемся жестком диске записывается последовательность нулей или единиц. Поэтому большинство устройств считывания с жестких дисков работают не по принципу индукции, а используют технику, известную как гигантское магнитосопротивление.Гигантское магнитосопротивление — это эффект большого изменения электрического сопротивления, вызванного приложенным магнитным полем к тонким пленкам чередующихся ферромагнитных и немагнитных слоев. Это один из первых крупных успехов нанотехнологий.

Графические планшеты или планшетные компьютеры, в которых для рисования цифровых изображений используется специально разработанное перо, также применяют принципы индукции. Обсуждаемые здесь планшеты помечены как пассивные планшеты, поскольку существуют и другие конструкции, в которых для письма используется либо перо с батарейным питанием, либо оптические сигналы.Пассивные планшеты отличаются от планшетов и телефонов с сенсорным экраном, которые многие из нас используют регулярно, но все же их можно обнаружить при подписи на кассе. Под экраном, как показано на (Рисунок), расположены крошечные провода, идущие по всей длине и ширине экрана. Ручка имеет крошечное магнитное поле, исходящее от кончика. Когда наконечник касается экрана, в проводах ощущается изменяющееся магнитное поле, которое преобразуется в ЭДС индукции, которая преобразуется в линию, которую вы только что нарисовали.

Планшет со специально разработанной ручкой для письма — еще одно применение магнитной индукции.(кредит: Джейн Уитни)

Другим применением индукции является магнитная полоса на обратной стороне вашей личной кредитной карты, которую вы используете в продуктовом магазине или в банкомате. Это работает по тому же принципу, что и аудио- или видеокассета, в которой головка воспроизведения считывает личную информацию с вашей карты.

Электрические и гибридные автомобили также используют преимущества электромагнитной индукции. Одним из ограничивающих факторов, препятствующих широкому распространению 100% электрических транспортных средств, является то, что срок службы батареи не так велик, как время, которое вы можете проехать на полном баке бензина.Чтобы увеличить количество заряда аккумулятора во время движения, двигатель может действовать как генератор всякий раз, когда автомобиль тормозит, используя создаваемую противо-ЭДС. Эта дополнительная ЭДС может быть получена из накопленной энергии в автомобильном аккумуляторе, что продлевает срок службы аккумулятора.

Еще одним современным направлением исследований, в котором успешно применяется электромагнитная индукция, является транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС). Множество расстройств, включая депрессию и галлюцинации, можно отнести к нерегулярной локальной электрической активности в головном мозге.При транскраниальной магнитной стимуляции быстро меняющееся и очень локализованное магнитное поле помещается рядом с определенными участками, идентифицированными в мозге. Использование ТМС в качестве диагностического метода хорошо известно.

Резюме

  • Жесткие диски используют магнитную индукцию для чтения/записи информации.
  • Другие применения магнитной индукции можно найти в графических планшетах, электрических и гибридных транспортных средствах, а также в транскраниальной магнитной стимуляции.

Дополнительные проблемы

На следующем рисунке показан длинный прямой провод и одновитковая прямоугольная петля, оба из которых лежат в плоскости страницы.Провод параллелен длинным сторонам петли и отстоит от ближней стороны на 0,50 м. В момент, когда ЭДС индукции в контуре равна 2,0 В, какова скорость изменения тока в проводе во времени?

Металлический стержень массой 500 г скользит наружу с постоянной скоростью 1,5 см/с по двум параллельным рельсам, отстоящим друг от друга на 30 см, которые являются частью U-образного проводника. Существует однородное магнитное поле величиной 2 Тл, направленное из страницы по всей площади.Перила и металлический стержень имеют эквивалентное сопротивление: а) Определите индукционный ток, как по величине, так и по направлению. б) Найдите направление индукционного тока, если магнитное поле направлено на страницу. в) Найдите направление индукционного тока, если магнитное поле направлено на страницу, а брусок движется внутрь.

В кольцеобразной петле радиусом 1,5 см между двумя полюсами подковообразного электромагнита индуцируется ток при изменении силы тока в электромагните.Магнитное поле в области петли перпендикулярно площади и имеет однородную величину. Если скорость изменения магнитного поля равна 10 Тл/с, найти величину и направление индукционного тока, если сопротивление контура равно .

, направление увеличения магнитного поля следующее:

Металлический стержень длиной 25 см помещен перпендикулярно к однородному магнитному полю напряженностью 3 Тл. а) Определите ЭДС индукции между концами стержня, когда он не движется.б) Определите ЭДС, когда стержень движется перпендикулярно своей длине и магнитному полю со скоростью 50 см/с.

Катушка с 50 витками и площадью 10 ориентирована своей плоскостью перпендикулярно магнитному полю 0,75 Тл. Если катушку перевернуть (повернуть на ) за 0,20 с, какая средняя ЭДС в ней индуцируется?

Проводящий стержень, показанный на прилагаемом рисунке, движется по параллельным металлическим рельсам, отстоящим друг от друга на 25 см. Система находится в однородном магнитном поле напряженностью 0.75 т, который направлен внутрь страницы. Сопротивлением стержня и рельсов можно пренебречь, но сечение PQ имеет сопротивление . а) Какая ЭДС (включая ее смысл) индуцируется в стержне при его движении вправо со скоростью 5,0 м/с? б) Какая сила необходима, чтобы стержень двигался с этой скоростью? в) Какова скорость, с которой эта сила совершает работу? г) Какая мощность рассеивается на резисторе?

а. 0,94 В; б. 0,70 Н; в. 3,52 Дж/с; д. 3,52 Вт

Круглая проволочная петля радиусом 10 см закреплена на вертикальном валу и вращается с частотой 5 циклов в секунду в области однородного магнитного поля силой 2 Гс перпендикулярно оси вращения.а) Найдите выражение для зависящего от времени потока через кольцо. б) Определите зависящий от времени ток через кольцо, если его сопротивление равно 10

Ом.

Магнитное поле между полюсами подковообразного электромагнита однородно и имеет цилиндрическую симметрию относительно оси от середины Южного полюса до середины Северного полюса. Величина магнитного поля изменяется со скоростью дБ / dt из-за изменения тока через электромагнит.Определить электрическое поле на расстоянии r от центра.

Двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой на 120 В потребляет 0,50 А от источника питания при работе на полной скорости и 2,0 А при запуске. Сопротивление катушек якоря равно . а) Чему равно сопротивление катушек возбуждения? б) Чему равна противо-ЭДС двигателя, когда он работает на полной скорости? (c) Двигатель работает с другой скоростью и потребляет от источника 1,0 А. Какова в этом случае противо-ЭДС?

Катушки якоря и обмотки возбуждения двигателя с последовательным возбуждением имеют общее сопротивление .При подключении к источнику 120 В и работе с нормальной скоростью двигатель потребляет 4,0 А. (а) Насколько велика противо-ЭДС? б) Какой ток будет потреблять двигатель сразу после включения? Можете ли вы предложить способ избежать этого большого начального тока?

Задачи-вызовы

Медная проволока длиной L свернута в круглую катушку с N витками. Когда магнитное поле через катушку меняется со временем, при каком значении Н ЭДС индукции максимальна?

N — максимально допустимое количество витков.

Медный лист массой 0,50 кг падает через однородное горизонтальное магнитное поле напряженностью 1,5 Тл и достигает конечной скорости 2,0 м/с. а) Какова результирующая магнитная сила, действующая на лист после того, как он достигнет конечной скорости? б) Опишите механизм, ответственный за эту силу. в) Какая мощность рассеивается при джоулевом нагреве, когда лист движется с предельной скоростью?

Круглый медный диск радиусом 7,5 см вращается со скоростью 2400 об/мин вокруг оси, проходящей через его центр и перпендикулярно его грани.Диск находится в однородном магнитном поле напряженностью 1,2 Тл, направленном вдоль оси. Чему равна разность потенциалов между ободом и осью диска?

Короткий стержень длиной a движется со своей скоростью параллельно бесконечному проводу с током I (см. ниже). Если конец стержня ближе к проводу находится на расстоянии b от провода, то какова ЭДС, наведенная в стержне?

Цепь прямоугольного сечения, содержащая сопротивление R , оттягивается с постоянной скоростью от длинного прямого провода, по которому течет ток (см. ниже).Выведите уравнение, которое дает ток, индуцируемый в цепи, как функцию расстояния x между ближней стороной цепи и проводом.

Два бесконечных соленоида пересекают плоскость цепи, как показано ниже. Радиусы соленоидов равны 0,10 и 0,20 м соответственно, а ток в каждом соленоиде изменяется так, что Каковы токи в резисторах цепи?

а. ; б. ; в. 0 В

Ниже показана длинная прямоугольная петля шириной w , длиной l , массой m и сопротивлением R .Петля выходит из состояния покоя на краю однородного магнитного поля и выталкивается в поле постоянной силой. Рассчитайте скорость петли как функцию времени.

а. б. ; в. ; д. ток изменит направление, но полоса все равно будет скользить с той же скоростью

На прилагаемом рисунке показан металлический диск внутреннего радиуса и другого радиуса, вращающийся с угловой скоростью в однородном магнитном поле, направленном параллельно оси вращения.Щеточные выводы вольтметра подсоединяются к внутренней и внешней поверхностям темноты, как показано на рисунке. Какие показания вольтметра?

Длинный соленоид с 10 витками на сантиметр помещен внутри медного кольца так, что оба объекта имеют одну и ту же центральную ось. Радиус кольца 10,0 см, радиус соленоида 5,0 см. а) Какая ЭДС индуцируется в кольце, если ток I через соленоид равен 5,0 А и изменяется со скоростью 100 А/с? (б) Какова ЭДС, индуцируемая в кольце, когда и (в) Каково электрическое поле внутри кольца для этих двух случаев? г) Предположим, что кольцо сдвинуто так, что его центральная ось и центральная ось соленоида по-прежнему параллельны, но уже не совпадают.(Вы должны предположить, что соленоид все еще находится внутри кольца.) Теперь какая ЭДС индуцируется в кольце? (e) Можете ли вы рассчитать электрическое поле в кольце, как в части (c)?

а.

 *** QuickLaTeX не может скомпилировать формулу:
\begin{array}{}\\ \\ \hfill B=& {\mu}_{0}nI\text{,}\phantom{\rule{0. {- 4} \ фантом {\ правило {0.2em}{0ex}}\text{V;}\hfill \end{массив}

*** Сообщение об ошибке:
Отсутствует # в преамбуле выравнивания.
начальный текст: $\begin{массив}{}
Вкладка «Дополнительное выравнивание» изменена на \cr.
начальный текст: $\begin{array}{}\\ \\ \hfill B=&
Отсутствует $ вставлен.
начальный текст: $\begin{array}{}\\ \\ \hfill B=& {\mu
Дополнительные } или забытые $.
начальный текст: $\begin{array}{}\\ \\ \hfill B=& {\mu}
Пакет inputenc Ошибка: символ Юникода Φ (U+03A6)
ведущий текст: ...ext{,}\phantom{\rule{0.5em}{0ex}}{\text{Φ}
Отсутствует } вставлен.
начальный текст: ...}}=BA={\mu }_{0}nIA\text{,}\hfill \\ \hfill
Дополнительные } или забытые $.
начальный текст: ...}}=BA={\mu }_{0}nIA\text{,}\hfill \\ \hfill
Отсутствует } вставлен.
начальный текст: ...}}=BA={\mu }_{0}nIA\text{,}\hfill \\ \hfill
Дополнительные } или забытые $.
начальный текст: ...}}=BA={\mu }_{0}nIA\text{,}\hfill \\ \hfill

 


б. ;
с. ; д. ;
эл. нет, потому что нет цилиндрической симметрии

Катушка площадью 500 витков вращается в магнитном поле Земли, производя 12.0 кВ максимальная ЭДС. а) С какой угловой скоростью должна вращаться катушка? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какое предположение или предпосылка являются ответственными?

а. ; б. Эта угловая скорость неоправданно высока, выше, чем может быть получено для любой механической системы. в. Предположение, что можно получить напряжение до 12,0 кВ, неразумно.

Круглая проволочная петля радиусом 10 см закреплена на вертикальном валу и вращается с частотой 5 циклов в секунду в области однородного магнитного поля перпендикулярно оси вращения.(a) Найдите выражение для зависящего от времени потока через кольцо (b) Определите зависящий от времени ток через кольцо, если оно имеет сопротивление .

Зависимое от времени однородное магнитное поле величиной B ( t ) ограничено цилиндрической областью радиусом R . Проводящий стержень длиной 2 D помещается в область, как показано ниже. Покажите, что ЭДС между концами стержня определяется выражением . ( Подсказка: Чтобы найти ЭДС между концами, нам нужно проинтегрировать электрическое поле от одного конца до другого.Чтобы найти электрическое поле, используйте закон Фарадея как «Закон Ампера для E ».)

Электромагнитная индукция — обзор

V Нагрев астероидов: термический метаморфизм хондритов

Многие хондриты обнаруживают признаки нагрева после аккреции на их родительские тела. Этот термический метаморфизм затронул большинство обыкновенных и энстатитовых хондритов, а также некоторые углеродистые хондриты, особенно группу CK. Термический метаморфизм проявляется в повышении степени химического и текстурного уравновешивания первичных компонентов хондритов (хондр, матрикса и др.).). Пиковые температуры наиболее метаморфизованных хондритов ниже 950 °C. Выше этой температуры происходит частичное плавление, и метеориты, подвергшиеся частичному плавлению, называются примитивными ахондритами (см. ниже). Метаморфизм на материнских телах хондритов происходил в течение нескольких десятков миллионов лет после аккреции, а остывание происходило в течение сотен миллионов лет. Существует некоторая неопределенность в отношении природы источника тепла. Наиболее распространенная модель состоит в том, что тепло вырабатывается в результате радиоактивного распада короткоживущего радиоизотопа 26 Al (период полураспада 0.75 млн лет назад), который присутствовал в достаточном количестве, чтобы нагревать планетезимали на ранних этапах истории Солнечной системы. Альтернативным источником тепла является электромагнитная индукция в солнечном ветре.

Термически метаморфизованные хондриты описываются как петрологические типы от 3 до 6, причем типы с более высокими номерами соответствуют более высоким степеням метаморфизма. Петрологический тип 3 включает хондриты, которые охватывают широкий диапазон степеней уравновешивания, поэтому обыкновенные и углистые хондриты типа 3 подразделяются на подтипы 3.0, 3.1, …, 3.9. Известно очень мало хондритов петрологического подтипа 3.0: это самые примитивные хондриты, которые содержат практически нетронутый материал солнечной туманности.

Последовательность петрологических типов во многом определяется текстурными изменениями, происходящими при метаморфизме. Наиболее заметным признаком является то, что мелкозернистая матрица рекристаллизуется и становится более крупнозернистой, в то время как контуры хондр становится все труднее очертить (рис. 6). В хондрите 6 типа можно различить лишь несколько остатков хондр.Размеры зерен металла Fe, Ni и троилита также увеличиваются. Хондрульное стекло очень редко встречается в хондритах типов 4–6, потому что оно расстекловывается и кристаллизуется в виде полевого шпата и диопсида. В обычных хондритах содержание хромитовых и фосфатных минералов увеличивается с петрологическим типом, а в энстатитовых хондритах увеличивается содержание кремнезема. По мере метаморфизма клиноэнстатит, широко распространенный в хондритах 3-го типа, претерпевает полиморфное фазовое превращение в ортоэнстатит, не являющийся двойниковым.

РИСУНОК 6. Текстура обыкновенного хондрита Olivenza петрологического типа 5 в проходящем плоскополяризованном свете. Метаморфизм привел к обширной перекристаллизации хондр и матрикса (ср. рис. 3), хотя очертания хондр еще отчетливо различимы. Прозрачные минеральные зерна включают оливин и пироксен. Металлические и сульфидные зерна черные. Размер изображения – 12 мм.

Текстурные изменения сопровождаются химическими изменениями, происходящими в процессе метаморфизма.Например, в хондритах подтипа 3.0 составы оливина и пироксена очень неоднородны: от менее 1 мольного % Fa для зерен в некоторых хондрах до Fa 100 для некоторых зерен в матрице. В хондритах петрологического типа 6 составы оливина и пироксена однородны, хотя различаются в разных группах обыкновенных хондритов. Средние равновесные составы 18, 24 и 29 мольных % Fa для оливина и 16, 20 и 24 мольных % Fs для пироксена наблюдаются в хондритах H, L и LL соответственно.Составы металлических фаз в обыкновенных хондритах также изменяются при метаморфизме. Содержание никеля и кобальта в камасите (α-Fe, Ni) увеличивается с увеличением степени метаморфизма.

Пиковые температуры метаморфизма каждого петрологического типа трудно определить. Для земных метаморфических пород режимы давления и температуры определяются наличием минералов, характеризующих определенные условия. Поскольку астероиды маленькие, метаморфизм происходит при относительно низких давлениях, обычно менее 100 МПа (1 атм = 10 5 Па).Минеральные геотермометры, такие как двухпироксеновый геотермометр, имеют ограниченную ценность из-за отсутствия уравновешивания. Предполагается, что пиковые температуры в обычных родительских телах хондритов составляют около 600, 700, 750 и 950 °C для петрологических типов 3, 4, 5 и 6.

Скорость охлаждения хондритового материала на астероидах была оценена по составу сосуществующих металлических фаз, камасита и тэнита. В интервале температур 500–700 °С на фазовой диаграмме Fe,Ni существует субсолидусная двухфазная область.Во время охлаждения содержание Ni как в камасите, так и в тэните пытается уравновеситься; однако скорость диффузии низкая, и в результате возникает химическая зональность. Скорость охлаждения оценивается путем отношения содержания Ni в сердцевине металлического зерна к его размеру. Скорости охлаждения, определенные для хондритов, находятся в диапазоне от 0,1 до 100 °C/млн лет.

Пиковые температуры и скорости охлаждения метаморфизма в хондритах использовались для описания внутренних структур астероидов. В простой модели степень метаморфизма, испытанного хондритом, будет коррелировать с глубиной залегания и, следовательно, со скоростью охлаждения.Однако в обыкновенных хондритах нет хорошей корреляции между петрологическим типом и глубиной залегания. Это привело к модели, в которой считается, что родительские тела обычных хондритов состоят из груд щебня маленьких планетезималей. Пиковые метаморфические температуры были достигнуты в отдельных планетезималях перед аккрецией в более крупные тела, а скорость охлаждения отражает глубину захоронения в более крупном теле.

Эксперимент по электромагнитной индукции | Study.com

Материалы

  • 1 рулон туалетной бумаги
  • 3 катушки тонкой медной проволоки
  • Большой магнит (чем сильнее магнит, тем лучше будет индукция).Лучшие магниты — это неодимовые магниты, которые можно приобрести в интернет-магазинах)
  • Амперметр
Существует множество различных видов амперметров, но это один из примеров цифрового амперметра.
  • 2 зажима типа «крокодил»
  • Таблица данных, подобная этой:
Мотки проволоки Направление движения магнита Ток (Ампер)
50 в
50 из
100 в
100 из
150 в
150 из

Ступени

1.Во-первых, аккуратно оберните медный провод вокруг рулона туалетной бумаги. Катушки должны быть аккуратно упакованы друг против друга. Оставьте не менее 3 дюймов свободного провода на обоих концах, чтобы вы могли подключить его к амперметру.

2. Затем с помощью зажимов типа «крокодил» прикрепите амперметр к проводу. Ваш амперметр может иметь более одной настройки. Перед началом эксперимента обратитесь к руководству, чтобы узнать, как правильно его настроить.

Зажимы типа «крокодил» могут соединять части цепи

3.Теперь пришло время генерировать ток. Перемещайте магнит в трубку и из нее. Запишите ток на амперметре как при вставке магнита, так и при его извлечении. Возможно, вам придется попробовать это несколько раз, чтобы получить точные измерения.

Настройка эксперимента

4. Повторите шаги 1-3 с другим количеством катушек

Поиск и устранение неисправностей

Убедитесь, что у вас есть медный провод.Медь является отличным проводником, а это означает, что она легко высвобождает электроны для генерации тока. Другие металлы также не будут работать. Убедитесь, что ваш амперметр правильно настроен в соответствии с руководством. Использование неправильной настройки не позволит вам получить показания тока. Наконец, убедитесь, что зажимы типа «крокодил» надежно прикрепляют амперметр к проводу. Зазоры в цепи позволят току уйти.

Вопросы для обсуждения

Что произошло, когда вы добавили больше катушек? Поток стал сильнее или слабее?

Как движение магнита повлияло на направление тока?

Как это работает

Магнитное поле, создаваемое магнитом, заставляет электроны двигаться.Если вы заметили, когда магнит все еще находился рядом с медным проводом, ничего не происходило. Именно движение магнитного поля заставляет электроны двигаться.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.