Ministerio de Educación de la Federación Rusa
Instituto de Ingeniería Mecánica de San Petersburgo
Referaten física
sobre el tema de:
"La esencia de la teoría electromagnética de Maxwell"
Realizado:
estudiante gr. 2801
Shkeneva Yu.A.
San Petersburgo
Introducción 3
Campo eléctrico de vórtice 6
Corriente de polarización 7
Ecuación de Maxwell para un campo electromagnético 9
Referencias 13
Introducción
James Clerk Maxwell nació el 13 de junio de 1831. en Edimburgo, en la familia de un abogado, propietario de una finca en Escocia. El niño mostró un amor temprano por la tecnología y el deseo de comprender el mundo que lo rodeaba. Su padre tuvo una gran influencia en él: una persona muy educada que estaba profundamente interesada en los problemas de las ciencias naturales y la tecnología. En la escuela, Maxwell estaba fascinado por la geometría, y su primer trabajo científico, completado a la edad de quince años, fue el descubrimiento de una forma simple pero desconocida de dibujar figuras ovaladas. Maxwell recibió una buena educación, primero en Edimburgo y luego en las universidades de Cambridge.
En 1856, un joven científico prometedor fue invitado a enseñar como profesor en una universidad en la ciudad escocesa de Aberdeen. Aquí Maxwell trabaja con entusiasmo en los problemas de mecánica teórica y aplicada, óptica, fisiología de la visión del color. Resuelve brillantemente el enigma de los anillos de Saturno demostrando matemáticamente que están formados por partículas individuales. Se da a conocer el nombre del científico y se le invita a ocupar una cátedra en el King's College de Londres. El período londinense (1860-1865) fue el más fructífero en la vida de un científico. Reanuda y completa la investigación teórica en electrodinámica, publica trabajos fundamentales sobre la teoría cinética de los gases.
Después de mudarse de Aberdeen, Maxwell continuó su investigación con una intensidad implacable, prestando especial atención a la teoría cinética de los gases. Se dice que su esposa (la ex Katherine Mary Dewar, hija del director del Marischal College) encendió un fuego en el sótano de su casa de Londres para que Maxwell pudiera realizar experimentos sobre las propiedades térmicas de los gases en el ático. Pero el logro decisivo y ciertamente el mayor de Maxwell fue la creación de su teoría electromagnética.
El siglo XIX estuvo lleno de descubrimientos emocionantes. Poco después de recibir las primeras corrientes estacionarias, Oersted demostró que la corriente que fluye a través del conductor genera efectos magnéticos similares a los causados por un imán permanente ordinario. Por lo tanto, se supuso que dos conductores con corriente deberían comportarse como dos imanes que, como saben, pueden atraerse o repelerse. De hecho, los experimentos de Ampère y otros investigadores confirmaron la presencia de fuerzas de atracción o repulsión entre dos conductores portadores de corriente. Pronto fue posible formular la ley de atracción y repulsión con la misma precisión con la que Newton formuló la ley de atracción gravitatoria entre dos cuerpos materiales cualesquiera.
Luego, Faraday y Henry descubrieron el notable fenómeno de la inducción electromagnética y así demostraron la estrecha relación entre el magnetismo y la electricidad.
Sin embargo, había una necesidad urgente de crear una teoría unificada que cumpliera con los requisitos necesarios, que permitiera predecir el desarrollo de los fenómenos electromagnéticos en el tiempo y el espacio en el caso más general, bajo cualquier condición experimental específica concebible.
Esto es exactamente lo que resultó ser la teoría electromagnética de Maxwell, formulada por él en forma de un sistema de varias ecuaciones que describen toda la variedad de propiedades de los campos electromagnéticos utilizando dos cantidades físicas: la intensidad del campo eléctrico E y la intensidad del campo magnético H Es notable que estas ecuaciones de Maxwell en su forma final y hasta el día de hoy siguen siendo la piedra angular de la física, dando una descripción de los fenómenos electromagnéticos observados que corresponde a la realidad.
Al diseñar una línea de alta tensión para la transmisión de electricidad a largas distancias, las ecuaciones de Maxwell ayudan a crear un sistema que asegura un mínimo de pérdidas; cuando realizamos experimentos fundamentales en el laboratorio para estudiar las propiedades de los metales en un campo eléctrico de alta frecuencia a muy bajas temperaturas, usamos las ecuaciones de Maxwell para determinar la naturaleza de la propagación de un campo electromagnético dentro de un metal; si estamos construyendo un nuevo radiotelescopio capaz de capturar el ruido electromagnético del espacio, entonces, al diseñar antenas y guías de ondas que transmiten energía desde la antena al receptor de radio, invariablemente usamos las ecuaciones de Maxwell.
Existe una ley según la cual la fuerza que actúa sobre una carga que se mueve en un campo magnético es directamente proporcional al producto de la magnitud de la carga y la componente de velocidad perpendicular a la dirección del campo magnético; esta fuerza es conocida por nosotros como la "fuerza de Lorentz". Sin embargo, alguien lo llama la "fuerza de Laplace".
Con respecto a las ecuaciones de Maxwell, no existe tal incertidumbre; el honor de este descubrimiento le pertenece solo a él.
Cabe señalar que en el siglo pasado no fue ni mucho menos el único físico que intentó crear una teoría integral del electromagnetismo; otros también, no sin razón, sospecharon la existencia de una profunda conexión entre la luz y los fenómenos eléctricos.
El principal mérito de Maxwell es que él, a su manera, llegó a un elegante y simple sistema de ecuaciones que describe todos los fenómenos electromagnéticos.
Las ecuaciones de Maxwell no solo cubren y describen todos los fenómenos electromagnéticos que conocemos; el alcance de su aplicación no está limitado ni siquiera por ningún fenómeno electromagnético concebible que ocurra en condiciones locales específicas. La teoría de Maxwell predijo un efecto completamente nuevo observado en un espacio libre de cuerpos materiales: la radiación electromagnética. Este es ciertamente un logro único, que corona el triunfo de la teoría de Maxwell.
Campo eléctrico de vórtice
De la ley de Faraday e i = - d F / dt se deduce que cualquier cambio en el flujo de inducción magnética acoplado al circuito conduce a la aparición de una fuerza electromotriz de inducción y, como resultado, aparece una corriente de inducción. Por lo tanto, la aparición de fem. La inducción electromagnética también es posible en un circuito fijo ubicado en un campo magnético alterno. Sin embargo, fem. en cualquier circuito ocurre solo cuando las fuerzas externas actúan sobre los portadores de corriente en él: fuerzas de origen no electrostático.
La experiencia demuestra que estas fuerzas extrañas no están asociadas con procesos térmicos o químicos en el circuito; su ocurrencia tampoco puede ser explicada por las fuerzas de Lorentz, ya que no actúan sobre cargas inmóviles. Maxwell planteó la hipótesis de que cualquier campo magnético alterno excita un campo eléctrico en el espacio circundante, que es la causa de la corriente de inducción en el circuito. Según las ideas de Maxwell, el circuito en el que aparece la fem juega un papel secundario, siendo una especie de único “dispositivo” que detecta este campo.
Entonces, según Maxwell, un campo magnético variable en el tiempo genera un campo eléctrico E B , cuya circulación, según la fórmula,
mi segundo dl = mi segundo dl = - re F/dt (1)
donde, la proyección del vector E Bl es la proyección del vector E sobre la dirección dl ; la derivada parcial ¶Ф/¶t tiene en cuenta la dependencia del flujo de inducción magnética solo con el tiempo.
Sustituyendo la expresión Ф = B dS en esta fórmula (1), obtenemos
mi segundo dl = - ¶ / ¶ t segundo dS
Como el contorno y la superficie son fijos, las operaciones de diferenciación e integración pueden intercambiarse. Por eso,
mi segundo dl = - ¶ segundo/ ¶ t dS (2)
De acuerdo con E dl \u003d E l dl \u003d 0, la circulación del vector de intensidad de campo electrostático (lo denotaremos E Q ) a lo largo de un circuito cerrado es cero:
E Q dl = E Ql dl = 0 (3)
Comparando las expresiones (1) y (3), vemos que existe una diferencia fundamental entre los campos considerados (E B y E Q ): la circulación del vector E B, a diferencia de la circulación del vector E Q, no es igual a cero. Por lo tanto, el campo eléctrico E B excitado por el campo magnético, como el propio campo magnético, es un vórtice.
Corriente de polarización
Según Maxwell, si cualquier campo magnético alterno excita un campo eléctrico de vórtice en el espacio circundante, entonces también debe existir el fenómeno opuesto: cualquier cambio en el campo eléctrico debe provocar la aparición de un campo magnético de vórtice en el espacio circundante. Dado que el campo magnético está siempre asociado a una corriente eléctrica, Maxwell llamó corriente de desplazamiento al campo eléctrico alterno que excita el campo magnético, en contraposición a la corriente de conducción debida al movimiento ordenado de cargas. Para que se produzca una corriente de desplazamiento, según Maxwell, sólo es necesaria la existencia de un campo eléctrico alterno.
Considere un circuito de CA que contiene un capacitor (Fig. 1). Existe un campo eléctrico alterno entre las placas de un capacitor de carga y descarga, por lo tanto, según Maxwell, las corrientes de desplazamiento “fluyen” a través del capacitor, y en aquellas áreas donde no hay conductores. Por lo tanto, dado que existe un campo eléctrico alterno (corriente de polarización) entre las placas del condensador, también se excita un campo magnético entre ellas.
Encontremos una relación cuantitativa entre los campos eléctricos y magnéticos cambiantes causados por él. Según Maxwell, un campo eléctrico alterno en un capacitor en cada momento del tiempo crea un campo magnético tal, como si hubiera una corriente de conducción entre las placas del capacitor con una fuerza que es igual a la fuerza de las corrientes en el suministro. alambres Entonces se puede argumentar que las densidades de corriente de conducción (j) y los desplazamientos (j cm) son iguales: j cm = j.
Densidad de corriente de conducción cerca de las placas del capacitor j = = = ()= d s /dt , s es la densidad de carga superficial, S es el área de las placas del capacitor. Por lo tanto, j cm = d s /dt (4). Si el desplazamiento eléctrico en el capacitor es D, entonces la densidad de carga superficial en las placas es s = D. Teniendo esto en cuenta, la expresión (4) se puede escribir como: j cm = ¶ D /¶ t , donde el signo de la derivada parcial indica que el campo magnético está determinado únicamente por la tasa de cambio del desplazamiento eléctrico en el tiempo.
Dado que la corriente de desplazamiento ocurre con cualquier cambio en el campo eléctrico, existe no solo en el vacío o dieléctricos, sino también dentro de los conductores a través de los cuales fluye la corriente alterna. Sin embargo, en este caso, es insignificante en comparación con la corriente de conducción. La presencia de corrientes de desplazamiento fue confirmada experimentalmente por el físico soviético A. A. Eikhenvald, quien estudió el campo magnético de la corriente de polarización, que forma parte de la corriente de desplazamiento.
En el caso general, las corrientes de conducción y los desplazamientos en el espacio no están separados, están en el mismo volumen. Por lo tanto, Maxwell introdujo el concepto de corriente total, que es igual a la suma de las corrientes de conducción (así como las corrientes de convección) y el desplazamiento. Densidad de corriente total:
j total = j + ¶ re /¶ t .
Al presentar el concepto de corriente de desplazamiento y corriente total, Maxwell adoptó un nuevo enfoque para considerar el cierre de circuitos de corriente alterna. La corriente total en ellos siempre está cerrada, es decir, solo la corriente de conducción se rompe en los extremos del conductor, y en el dieléctrico (vacío) entre los extremos del conductor hay una corriente de desplazamiento que cierra la corriente de conducción.
Maxwell generalizó el teorema sobre la circulación del vector H , introduciendo en su lado derecho la corriente total I total = j total dS , cubierta por una espira cerrada L . Entonces el teorema de circulación generalizado para el vector H se puede escribir como:
H dl = (j + ¶ D/ ¶ t) dS (5)
La expresión (5) siempre es verdadera, lo cual se evidencia por la completa correspondencia entre teoría y experiencia.
Ecuación de Maxwell para un campo electromagnético
La introducción del concepto de corriente de desplazamiento por parte de Maxwell lo llevó a completar la teoría macroscópica unificada del campo electromagnético que creó, lo que hizo posible desde un punto de vista unificado no solo explicar los fenómenos eléctricos y magnéticos, sino también predecir otros nuevos, cuya existencia fue posteriormente confirmada.
La teoría de Maxwell se basa en las cuatro ecuaciones discutidas anteriormente:
El campo eléctrico puede ser tanto potencial (E Q ) como de vórtice (E B ), por lo que la intensidad de campo total E = E Q + E B . Dado que la circulación del vector E Q es igual a cero, y la circulación del vector E B está determinada por la expresión (2), entonces la circulación del vector de intensidad de campo total
E dl = - ¶B/¶t dS.
Esta ecuación muestra que la fuente del campo eléctrico puede ser no solo cargas eléctricas, sino también campos magnéticos variables en el tiempo.
Teorema de circulación generalizada para el vector H:
H dl = (j + ¶D/¶t) dS.
Esta ecuación muestra que los campos magnéticos pueden ser excitados por cargas en movimiento (corrientes eléctricas) o por campos eléctricos alternos.
Teorema de Gauss para un campo electrostático en un dieléctrico:
Si la carga se distribuye continuamente dentro de una superficie cerrada con densidad aparente ρ, entonces la fórmula (6) se escribirá como:
re dS = ρ dV.
Teorema de Gauss para el campo B :
BdS = 0.
Entonces, el sistema completo de ecuaciones de Maxwell en forma integral:
E dl = - ¶ B/ ¶ t dS; D dS = ρ dV;
H dl = (j + ¶D/¶t) dS; BdS = 0.
Las cantidades incluidas en las ecuaciones de Maxwell no son independientes y existe la siguiente relación entre ellas:
B = m 0 mH;
J = g mi ;
donde e 0 y m 0 son las constantes eléctricas y magnéticas, respectivamente, e y m son las permeabilidades dieléctrica y magnética, respectivamente, g es la conductividad específica de la sustancia.
De la ecuación de Maxwell se deduce que las fuentes de un campo eléctrico pueden ser cargas eléctricas o campos magnéticos variables en el tiempo, y los campos magnéticos pueden ser excitados por cargas eléctricas en movimiento (corrientes eléctricas) o por campos eléctricos alternos. Las ecuaciones de Maxwell no son simétricas con respecto a los campos eléctricos y magnéticos. Esto se debe a que en la naturaleza existen cargas eléctricas, pero no magnéticas.
Para campos estacionarios (E = const y B = const) las ecuaciones de Maxwell toman la forma:
Edl = 0; D dS = Q;
Hdl = I; BdS = 0.
En este caso, los campos eléctrico y magnético son independientes entre sí, lo que permite estudiar por separado los campos eléctrico y magnético constantes.
Usando los teoremas de Stokes y Gauss conocidos del análisis vectorial:
A dl = rot A dS;
A dS = div A dV,
es posible representar el sistema completo de ecuaciones de Maxwell en forma diferencial:
podredumbre E = - ¶ B/ ¶ t; div D = p;
rot H = j + ¶ D/ ¶ t; división B = 0.
Si las cargas y las corrientes se distribuyen continuamente en el espacio, entonces ambas formas de las ecuaciones de Maxwell (integral y diferencial) son equivalentes. Sin embargo, cuando hay superficies de discontinuidad, superficies en las que las propiedades del medio o los campos cambian abruptamente, la forma integral de las ecuaciones es más general.
Las ecuaciones de Maxwell son las ecuaciones más generales para campos eléctricos y magnéticos en medios en reposo. Desempeñan el mismo papel en la teoría del electromagnetismo que las leyes de Newton en la mecánica. De las ecuaciones de Maxwell se deduce que un campo magnético alterno siempre está asociado con el campo eléctrico generado por él, y un campo eléctrico alterno siempre está asociado con el campo magnético generado por él, es decir, los campos eléctrico y magnético están inextricablemente vinculados entre sí: formar un único campo electromagnético.
La teoría de Maxwell es macroscópica, ya que considera campos eléctricos y magnéticos creados por cargas y corrientes macroscópicas. Por lo tanto, esta teoría no pudo revelar el mecanismo interno de los fenómenos que ocurren en el medio ambiente y dan lugar a la aparición de campos eléctricos y magnéticos. Un desarrollo posterior de la teoría del campo electromagnético de Maxwell fue la teoría electrónica de Lorentz, y la teoría de Maxwell-Lorentz se desarrolló aún más en la física cuántica.
La teoría de Maxwell, al ser una generalización de las leyes básicas de los fenómenos eléctricos y magnéticos, fue capaz de explicar no solo hechos experimentales ya conocidos, que es también su importante consecuencia, sino que también predijo nuevos fenómenos. Una de las conclusiones importantes de esta teoría fue la existencia de un campo magnético de corrientes de desplazamiento, la existencia de ondas electromagnéticas, un campo electromagnético alterno que se propaga en el espacio a una velocidad finita. Posteriormente se demostró que la velocidad de propagación de un campo electromagnético libre (no conectado por corrientes) en el vacío es igual a la velocidad de la luz c = 3 · 10 8 m/s. Esta conclusión y el estudio teórico de las propiedades de las ondas electromagnéticas llevaron a Maxwell a crear la teoría electromagnética de la luz, según la cual la luz es también ondas electromagnéticas. Las ondas electromagnéticas fueron obtenidas experimentalmente por G. Hertz (1857 - 1894), quien demostró que las leyes de su excitación y propagación están completamente descritas por las ecuaciones de Maxwell. Así, la teoría de Maxwell recibió una brillante confirmación experimental.
Posteriormente, A. Einstein estableció que el principio de relatividad de Galileo para los fenómenos mecánicos se extiende a todos los demás fenómenos físicos.
De acuerdo con el principio de relatividad de Einstein, los fenómenos mecánicos, ópticos y electromagnéticos proceden de la misma manera en todos los marcos de referencia inerciales, es decir, descrito por las mismas ecuaciones. De este principio se sigue que una consideración separada de los campos eléctrico y magnético tiene un significado relativo. Entonces, si el campo eléctrico es creado por un sistema de cargas fijas, entonces estas cargas, al estar fijas con respecto a un marco de referencia inercial, se mueven con respecto a otro y, por lo tanto, generarán no solo un campo eléctrico, sino también magnético. . De manera similar, un conductor con corriente continua, que está inmóvil con respecto a un marco de referencia inercial, excitando un campo magnético constante en cada punto del espacio, se mueve en relación con otros marcos inerciales, y el campo magnético alterno creado por él excita un vórtice eléctrico. campo.
Así, la teoría de Maxwell, su confirmación experimental, así como el principio de relatividad de Einstein conducen a una teoría unificada de los fenómenos eléctricos, magnéticos y ópticos basada en la idea de un campo electromagnético.
Bibliografía
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El concepto de líneas de fuerza propuesto por Faraday no fue tomado en serio por otros científicos durante mucho tiempo. El hecho es que Faraday, al no conocer suficientemente bien el aparato matemático, no dio una justificación convincente de sus conclusiones en el lenguaje de las fórmulas. (“Era una mente que nunca se atascaba en fórmulas”, dijo A. Einstein al respecto).
El brillante matemático y físico James Maxwell defiende el método de Faraday, su idea de campo y acción de corto alcance, argumentando que las ideas de Faraday se pueden expresar en forma de fórmulas matemáticas ordinarias, y estas fórmulas son comparables a las de los matemáticos profesionales.
D. Maxwell desarrolla la teoría de campos en sus obras “Sobre las líneas físicas de fuerza” (1861-1865) y “Teoría dinámica de campos (1864-1865). En el último trabajo se dio un sistema de ecuaciones famosas, que (según Hertz) constituyen la esencia de la teoría de Maxwell.
Esta esencia era queun campo magnético cambiante crea no solo en los cuerpos circundantes, sino también en el vacío un campo eléctrico de vórtice que, a su vez, provoca la aparición de un campo magnético. Así, se introdujo una nueva realidad en la física: el campo electromagnético. Esto marcó el comienzo de una nueva etapa en la física, la etapa en la que el campo electromagnético se hizo realidad, portador material de interacción.
El mundo comenzó a aparecer como un sistema electrodinámico construido a partir de partículas cargadas eléctricamente que interactúan a través de un campo electromagnético. (De hecho, recordemos que en MCM dominaba el principio de acción de largo alcance, según el cual la acción de varios tipos de fuerzas se transmite instantáneamente, sin la participación del medio).
El sistema de ecuaciones para campos eléctricos y magnéticos, desarrollado por Maxwell, consta de 4 ecuaciones, que equivalen a 4 enunciados.
Al analizar sus ecuaciones, Maxwell llegó a la conclusión de que deben existir ondas electromagnéticas y que la velocidad de su propagación debe ser igual a la velocidad de la luz. De ahí la conclusión: la luz es una especie de ondas electromagnéticas. Sobre la base de su teoría, Maxwell predijo la existencia de presión ejercida por una onda electromagnética y, en consecuencia, por la luz, lo que fue brillantemente probado experimentalmente en 1906 por P.N. Lebedev.
El pináculo del trabajo científico de Maxwell fue el Tratado sobre electricidad y magnetismo.
Desarrollo de representaciones de continuo corpuscular en la obra de Maxwell. Al desarrollar la teoría del campo electromagnético, Maxwell no rechazó la discreción de la materia. Escribió: "Incluso un átomo, cuando le atribuimos la capacidad de rotar, puede representarse como compuesto de muchas partículas elementales". Esto se dijo en 1873 mucho antes del descubrimiento del electrón. Así, Maxwell no dio preferencia ni a la discreción ni a la continuidad de la materia, permitiendo la posibilidad de ambas.
Habiendo desarrollado el EMCM, Maxwell completó la imagen del mundo de la física clásica ("el principio del fin de la física clásica"). La teoría de Maxwell es la precursora de la teoría electrónica de Lorentz y de la teoría especial de la relatividad de A. Einstein.
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Tema: Inducción electromagnética
Lección: electromagnéticocampo.TeoríaMaxwell
Considere el diagrama anterior y el caso cuando se conecta una fuente de CC (Fig. 1).
Arroz. 1. Esquema
Los elementos principales del circuito incluyen una bombilla, un conductor ordinario, un condensador: cuando el circuito está cerrado, surge un voltaje en las placas del condensador igual al voltaje en los terminales de la fuente.
Un condensador consta de dos placas de metal paralelas con un dieléctrico en el medio. Cuando se aplica una diferencia de potencial a las placas del condensador, se cargan y surge un campo electrostático dentro del dieléctrico. En este caso, no puede haber corriente dentro del dieléctrico a voltajes bajos.
Al reemplazar la corriente continua por corriente alterna, las propiedades de los dieléctricos en el capacitor no cambian, y todavía prácticamente no hay cargas libres en el dieléctrico, pero observamos que la bombilla está encendida. Surge la pregunta: ¿qué está pasando? Maxwell llamó a la corriente que surge en este caso la corriente de desplazamiento.
Sabemos que cuando un circuito portador de corriente se coloca en un campo magnético alterno, surge en él una FEM de inducción. Esto se debe al hecho de que surge un campo eléctrico de vórtice.
Pero, ¿y si ocurre una imagen similar cuando cambia el campo eléctrico?
Hipótesis de Maxwell: el campo eléctrico variable en el tiempo provoca la aparición de un campo magnético de vórtice.
De acuerdo con esta hipótesis, el campo magnético después de que se cierra el circuito se forma no solo debido al flujo de corriente en el conductor, sino también debido a la presencia de un campo eléctrico alterno entre las placas del capacitor. Este campo eléctrico alterno genera un campo magnético en la misma área entre las placas del condensador. Además, este campo magnético es exactamente el mismo, como si fluyera una corriente entre las placas del capacitor, igual a la corriente en el resto del circuito. La teoría se basa en cuatro ecuaciones de Maxwell, de las cuales se deduce que el cambio en los campos eléctricos y magnéticos en el espacio y el tiempo ocurren de manera consistente. Así, los campos eléctrico y magnético forman un todo único. Las ondas electromagnéticas se propagan en el espacio en forma de ondas transversales con una velocidad finita.
La relación indicada entre un campo magnético alterno y un campo eléctrico alterno sugiere que no pueden existir por separado el uno del otro. Surge la pregunta: ¿se aplica esta afirmación a los campos estáticos (electrostáticos, creados por cargas constantes y magnetostáticos, creados por corrientes continuas)? Esta relación también existe para campos estáticos. Pero es importante comprender que estos campos pueden existir en relación con un determinado marco de referencia.
Una carga en reposo crea un campo electrostático en el espacio (Fig. 2) en relación con un determinado marco de referencia. En relación con otros sistemas de referencia, puede moverse y, por lo tanto, en estos sistemas la misma carga creará un campo magnético.
Campo electromagnetico- esta es una forma especial de existencia de la materia, que es creada por cuerpos cargados y se manifiesta por la acción sobre cuerpos cargados. Durante esta acción, su estado de energía puede cambiar, por lo tanto, el campo electromagnético tiene energía.
1. El estudio de los fenómenos de inducción electromagnética lleva a la conclusión de que un campo magnético alterno genera un campo eléctrico de vórtice a su alrededor.
2. Analizando el paso de corriente alterna a través de circuitos que contienen dieléctricos, Maxwell llegó a la conclusión de que un campo eléctrico alterno puede generar un campo magnético debido a la corriente de desplazamiento.
3. Los campos eléctrico y magnético son componentes de un solo campo electromagnético que se propaga en el espacio en forma de ondas transversales con una velocidad finita.
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- ¿Qué campo eléctrico se forma cuando cambia el campo magnético?
- ¿Qué corriente provoca el brillo de una bombilla en un circuito de corriente alterna con un condensador?
- ¿Cuál de las ecuaciones de Maxwell indica la dependencia de la inducción magnética de la corriente de conducción y el desplazamiento?
Los campos eléctricos y magnéticos variables bajo ciertas condiciones pueden originarse entre sí. Forman un campo electromagnético, que no es su totalidad en absoluto. Este es un todo único en el que estos dos campos no pueden existir el uno sin el otro.
de la historia
El experimento del científico danés Hans Christian Oersted, realizado en 1821, demostró que una corriente eléctrica genera un campo magnético. A su vez, un campo magnético cambiante es capaz de generar una corriente eléctrica. Así lo demostró el físico inglés Michael Faraday, quien descubrió el fenómeno de la inducción electromagnética en 1831. También es el autor del término "campo electromagnético".
En aquellos días, el concepto de acción de largo alcance de Newton fue aceptado en la física. Se creía que todos los cuerpos actúan unos sobre otros a través del vacío a una velocidad infinitamente alta (casi instantáneamente) ya cualquier distancia. Se supuso que las cargas eléctricas interactúan de manera similar. Faraday, por otro lado, creía que el vacío no existe en la naturaleza y que la interacción ocurre a una velocidad finita a través de un determinado medio material. Este medio para cargas eléctricas es campo electromagnetico. Y se propaga a una velocidad igual a la de la luz.
la teoria de maxwell
Combinando los resultados de estudios previos, físico inglés James Clerk Maxwell en 1864 creó teoría del campo electromagnético. Según él, un campo magnético variable genera un campo eléctrico variable, y un campo eléctrico alterno genera un campo magnético alterno. Por supuesto, al principio uno de los campos es creado por una fuente de cargas o corrientes. Pero en el futuro, estos campos ya pueden existir independientemente de dichas fuentes, provocando la aparición de unos a otros. Es decir, campos eléctricos y magnéticos son componentes de un solo campo electromagnético. Y cada cambio en uno de ellos provoca la aparición de otro. Esta hipótesis forma la base de la teoría de Maxwell. El campo eléctrico generado por el campo magnético es un vórtice. Sus líneas de fuerza están cerradas.
Esta teoría es fenomenológica. Esto significa que se basa en suposiciones y observaciones, y no considera la causa que provoca la aparición de campos eléctricos y magnéticos.
Propiedades del campo electromagnético
El campo electromagnético es una combinación de campos eléctricos y magnéticos, por lo tanto, en cada punto de su espacio, se describe por dos cantidades principales: la fuerza del campo eléctrico mi e inducción de campo magnético V .
Dado que el campo electromagnético es un proceso de transformación de un campo eléctrico en un campo magnético, y luego de un campo magnético en uno eléctrico, su estado cambia constantemente. Extendiéndose en el espacio y el tiempo, forma ondas electromagnéticas. Según la frecuencia y la longitud, estas ondas se dividen en ondas de radio, radiación de terahercios, radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta, rayos X y radiación gamma.
Los vectores de intensidad e inducción del campo electromagnético son mutuamente perpendiculares y el plano en el que se encuentran es perpendicular a la dirección de propagación de la onda.
En la teoría de la acción de largo alcance, la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas se consideraba infinitamente grande. Sin embargo, Maxwell demostró que no era así. En una sustancia, las ondas electromagnéticas se propagan a una velocidad finita, que depende de la permeabilidad dieléctrica y magnética de la sustancia. Por lo tanto, la teoría de Maxwell se llama teoría de corto alcance.
La teoría de Maxwell fue confirmada experimentalmente en 1888 por el físico alemán Heinrich Rudolf Hertz. Demostró que las ondas electromagnéticas existen. Además, midió la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío, que resultó ser igual a la velocidad de la luz.
En forma integral, esta ley se ve así:
Ley de Gauss para un campo magnético
El flujo de inducción magnética a través de una superficie cerrada es cero..
El significado físico de esta ley es que no existen cargas magnéticas en la naturaleza. Los polos de un imán no se pueden separar. Las líneas de fuerza del campo magnético están cerradas.
Ley de inducción de Faraday
Un cambio en la inducción magnética provoca la aparición de un campo eléctrico de vórtice.
,
Teorema de circulación del campo magnético
Este teorema describe las fuentes del campo magnético, así como los propios campos creados por ellos.
La corriente eléctrica y el cambio en la inducción eléctrica generan un campo magnético de vórtice.
,
,
mi es la intensidad del campo eléctrico;
H es la intensidad del campo magnético;
V- inducción magnética. Esta es una cantidad vectorial que muestra qué tan fuerte actúa el campo magnético sobre una carga de q que se mueve a una velocidad v;
D- inducción eléctrica o desplazamiento eléctrico. Es una cantidad vectorial igual a la suma del vector de intensidad y el vector de polarización. La polarización es causada por el desplazamiento de cargas eléctricas bajo la acción de un campo eléctrico externo con respecto a su posición cuando dicho campo está ausente.
Δ es el operador Nabla. La acción de este operador sobre un campo específico se denomina rotor de este campo.
Δ x E = podredumbre E
ρ - densidad de carga eléctrica externa;
j- densidad de corriente - un valor que muestra la fuerza de la corriente que fluye a través de una unidad de área;
Con es la velocidad de la luz en el vacío.
La ciencia que estudia el campo electromagnético se llama electrodinámica. Ella considera su interacción con cuerpos que tienen carga eléctrica. Tal interacción se llama electromagnético. La electrodinámica clásica describe solo las propiedades continuas de un campo electromagnético utilizando las ecuaciones de Maxwell. La electrodinámica cuántica moderna considera que el campo electromagnético también tiene propiedades discretas (discontinuas). Y tal interacción electromagnética ocurre con la ayuda de partículas indivisibles-cuantos que no tienen masa ni carga. El cuanto del campo electromagnético se llama fotón .
El campo electromagnético que nos rodea.
Un campo electromagnético se forma alrededor de cualquier conductor con corriente alterna. Las fuentes de los campos electromagnéticos son las líneas eléctricas, los motores eléctricos, los transformadores, el transporte eléctrico urbano, el transporte ferroviario, los electrodomésticos y electrodomésticos: televisores, computadoras, refrigeradores, planchas, aspiradoras, teléfonos inalámbricos, teléfonos móviles, máquinas de afeitar eléctricas, en una palabra. , todo lo que esté asociado al consumo o transmisión de energía eléctrica. Las fuentes poderosas de campos electromagnéticos son los transmisores de televisión, las antenas de las estaciones de telefonía celular, las estaciones de radar, los hornos de microondas, etc. Y dado que hay muchos de estos dispositivos a nuestro alrededor, los campos electromagnéticos nos rodean por todas partes. Estos campos afectan al medio ambiente ya los seres humanos. No se puede decir que esta influencia sea siempre negativa. Los campos eléctricos y magnéticos han existido alrededor de una persona durante mucho tiempo, pero el poder de su radiación hace unas décadas era cientos de veces menor que en la actualidad.
Hasta cierto punto, la radiación electromagnética puede ser segura para los humanos. Entonces, en medicina, con la ayuda de radiación electromagnética de baja intensidad, los tejidos se curan, eliminan los procesos inflamatorios y tienen un efecto analgésico. Los dispositivos UHF alivian los espasmos de los músculos lisos de los intestinos y el estómago, mejoran los procesos metabólicos en las células del cuerpo, reducen el tono de los capilares y reducen la presión arterial.
Pero los campos electromagnéticos fuertes causan fallas en el funcionamiento de los sistemas cardiovascular, inmunológico, endocrino y nervioso de una persona, pueden causar insomnio, dolores de cabeza y estrés. El peligro es que su impacto es casi imperceptible para los humanos y las violaciones ocurren gradualmente.
¿Cómo podemos protegernos de la radiación electromagnética que nos rodea? Es imposible hacer esto por completo, por lo que debe intentar minimizar su impacto. En primer lugar, debe organizar los electrodomésticos de tal manera que estén alejados de los lugares donde estamos con mayor frecuencia. Por ejemplo, no se siente demasiado cerca del televisor. Después de todo, cuanto más lejos está la fuente del campo electromagnético, más débil se vuelve. Muy a menudo dejamos el dispositivo enchufado. Pero el campo electromagnético desaparece solo cuando el dispositivo se desconecta de la red eléctrica.
La salud humana también se ve afectada por los campos electromagnéticos naturales: la radiación cósmica, el campo magnético de la Tierra.
El concepto de líneas de fuerza propuesto por Faraday no fue tomado en serio por otros científicos durante mucho tiempo. El hecho es que Faraday, al no conocer suficientemente bien el aparato matemático, no dio una justificación convincente de sus conclusiones en el lenguaje de las fórmulas. (“Era una mente que nunca se atascaba en fórmulas”, dijo A. Einstein sobre él).
El brillante matemático y físico James Maxwell defiende el método de Faraday, sus ideas de acción y campo de corto alcance, argumentando que las ideas de Faraday se pueden expresar en forma de fórmulas matemáticas ordinarias, y estas fórmulas son comparables a las de los matemáticos profesionales.
D. Maxwell desarrolla la teoría del campo en sus obras "Sobre las líneas físicas de fuerza" (1861-1865) y "Teoría dinámica del campo" (1864-1865). En el último trabajo se dio un sistema de ecuaciones famosas que, según G. Hertz, constituyen la esencia de la teoría de Maxwell.
Esta esencia se reduce al hecho de que un campo magnético cambiante crea no solo en los cuerpos circundantes, sino también en el vacío un campo eléctrico de vórtice que, a su vez, provoca la aparición de un campo magnético. Así, se introdujo una nueva realidad en la física: el campo electromagnético. Esto marcó el comienzo de una nueva etapa en la física, la etapa en la que el campo electromagnético se convirtió en una realidad, un soporte material de interacción.
El mundo comenzó a aparecer como un sistema electrodinámico construido a partir de partículas cargadas eléctricamente que interactúan a través de un campo electromagnético.
El sistema de ecuaciones para campos eléctricos y magnéticos desarrollado por Maxwell consta de 4 ecuaciones, que equivalen a cuatro enunciados:
Al analizar sus ecuaciones, Maxwell llegó a la conclusión de que deben existir ondas electromagnéticas y que la velocidad de su propagación debe ser igual a la velocidad de la luz. Esto llevó a la conclusión de que la luz es un tipo de ondas electromagnéticas. Sobre la base de su teoría, Maxwell predijo la existencia de presión ejercida por una onda electromagnética y, en consecuencia, por la luz, lo que fue brillantemente probado experimentalmente en 1906 por P.N. Lebedev.
El pináculo del trabajo científico de Maxwell fue el Tratado sobre electricidad y magnetismo.
Habiendo desarrollado la imagen electromagnética del mundo, Maxwell completó la imagen del mundo de la física clásica ("el principio del fin de la física clásica"). La teoría de Maxwell es la precursora de la teoría electrónica de Lorentz y de la teoría especial de la relatividad de A. Einstein.
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