Ministarstvo obrazovanja Ruske Federacije
St. Petersburg Institut za strojarstvo
Rsažetaku fizici
na temu:
"Suština Maxwellove elektromagnetske teorije"
Izvedena:
student gr. 2801
Shkeneva Yu.A.
Sankt Peterburg
Uvod 3
Vrtložno električno polje 6
Struja prednapona 7
Maxwellova jednadžba za elektromagnetsko polje 9
Popis referenci 13
Uvod
James Clerk Maxwell rođen je 13. lipnja 1831. godine. u Edinburghu, u obitelji odvjetnika koji je posjedovao imanje u Škotskoj. Dječak je rano pokazao ljubav prema tehnologiji i želju da razumije svijet oko sebe. Veliki utjecaj na njega imao je njegov otac, visoko obrazovan čovjek koji se duboko zanimao za probleme prirodnih znanosti i tehnike. Maxwell je u školi bio fasciniran geometrijom, a njegov prvi znanstveni rad, koji je završio u dobi od petnaest godina, bio je otkriće jednostavne, ali nepoznate metode crtanja ovalnih likova. Maxwell je stekao dobro obrazovanje, prvo u Edinburghu, a zatim na sveučilištima u Cambridgeu.
Godine 1856. mladi, perspektivni znanstvenik pozvan je da predaje kao profesor na koledžu u škotskom gradu Aberdeenu. Ovdje Maxwell s entuzijazmom radi na problemima teorijske i primijenjene mehanike, optike i fiziologije vida boja. On briljantno rješava misterij Saturnovih prstenova, matematički dokazujući da su formirani od pojedinačnih čestica. Znanstvenikovo ime postaje poznato i pozvan je da preuzme katedru na King's Collegeu u Londonu. Londonsko razdoblje (1860.-1865.) bilo je najplodnije u znanstvenikovom životu. Obnavlja i dovršava teorijska istraživanja u elektrodinamici, objavljuje temeljna djela iz kinetičke teorije plinova.
Nakon što se preselio iz Aberdeena, Maxwell je nastavio svoja istraživanja s neumornim naporom, posvećujući posebno veliku pozornost kinetičkoj teoriji plinova. Rečeno je da je njegova supruga (bivša Catherine Mary Dewar, kći ravnatelja Marischal Collegea) zapalila vatru u podrumu njihove kuće u Londonu kako bi Maxwellu omogućila da na tavanu izvodi eksperimente o toplinskim svojstvima plinova. Ali Maxwellovo odlučujuće i zasigurno najveće postignuće bilo je njegovo stvaranje teorije elektromagnetizma.
Početak devetnaestog stoljeća bio je pun uzbudljivih otkrića. Ubrzo nakon dobivanja prvih stacionarnih struja, Oersted je pokazao da struja koja teče kroz vodič stvara magnetske učinke slične onima koje uzrokuje obični trajni magnet. Stoga je pretpostavljeno da se dva vodiča s strujom trebaju ponašati kao dva magneta, koji se, kao što je poznato, mogu privlačiti ili odbijati. Uistinu, pokusi Amperea i drugih istraživača potvrdili su prisutnost privlačnih ili odbojnih sila između dva vodiča kojima teče struja. Uskoro je bilo moguće formulirati zakon privlačenja i odbijanja s istom preciznošću s kojom je Newton formulirao zakon gravitacijskog privlačenja između bilo koja dva materijalna tijela.
Faraday i Henry tada su otkrili izvanredan fenomen elektromagnetske indukcije i time pokazali usku vezu između magnetizma i elektriciteta.
Međutim, postojala je hitna potreba za stvaranjem jedinstvene teorije koja bi udovoljavala potrebnim zahtjevima, a koja bi omogućila predviđanje razvoja elektromagnetskih pojava u vremenu i prostoru u najopćenitijem slučaju, pod svim zamislivim specifičnim eksperimentalnim uvjetima.
Upravo to je Maxwellova elektromagnetska teorija, koju je on formulirao u obliku sustava nekoliko jednadžbi koje opisuju čitav niz svojstava elektromagnetskih polja pomoću dvije fizičke veličine - jakosti električnog polja E i jakosti magnetskog polja H. Nevjerojatno je da ove Maxwellove jednadžbe u svom konačnom obliku i do danas ostaju kamen temeljac fizike, dajući realan opis opaženih elektromagnetskih fenomena.
Prilikom projektiranja visokonaponskog voda za prijenos električne energije na velike udaljenosti, Maxwellove jednadžbe pomažu u stvaranju sustava koji osigurava minimalne gubitke; kada provodimo temeljne eksperimente u laboratoriju za proučavanje svojstava metala u visokofrekventnom električnom polju na vrlo niskim temperaturama, koristimo Maxwellove jednadžbe za određivanje prirode širenja elektromagnetskog polja unutar metala; Ako gradimo novi radioteleskop sposoban uhvatiti elektromagnetski šum svemira, onda kada projektiramo antene i valovode koji prenose energiju od antene do radio prijamnika, uvijek koristimo Maxwellove jednadžbe.
Postoji zakon prema kojem je sila koja djeluje na naboj koji se kreće u magnetskom polju izravno proporcionalna umnošku veličine naboja i komponente brzine okomito na smjer magnetskog polja; ova sila nam je poznata kao "Lorentzova sila". Međutim, netko to naziva "Laplaceovom silom".
Ne postoji takva nesigurnost u Maxwellovim jednadžbama; zasluge za ovo otkriće pripadaju samo njemu.
Valja napomenuti da on u prošlom stoljeću nipošto nije bio jedini fizičar koji je pokušao stvoriti sveobuhvatnu teoriju elektromagnetizma; i drugi su, ne bez razloga, sumnjali u postojanje duboke veze između svjetlosnih i električnih pojava.
Maxwellova glavna zasluga je što je na sebi svojstven način došao do elegantnog i jednostavnog sustava jednadžbi koji opisuje sve elektromagnetske pojave.
Maxwellove jednadžbe ne samo da pokrivaju i opisuju sve nama poznate elektromagnetske pojave; opseg njihove primjene nije ograničen niti na zamislive elektromagnetske pojave koje se javljaju u specifičnim lokalnim uvjetima. Maxwellova teorija predvidjela je potpuno novi učinak, opažen u prostoru bez materijalnih tijela - elektromagnetsko zračenje. Ovo je svakako jedinstveno postignuće, kruna trijumfa Maxwellove teorije.
Vrtložno električno polje
Iz Faradayeva zakona e i = - d F/dt slijedi da svaka promjena toka magnetske indukcije povezana s krugom dovodi do pojave elektromotorne sile indukcije i kao rezultat toga pojavljuje se inducirana struja. Posljedično, pojava emf. elektromagnetska indukcija moguća je i u stacionarnom krugu koji se nalazi u izmjeničnom magnetskom polju. Međutim, e.m.f. u bilo kojem strujnom krugu javlja se samo kada na nositelje struje u njemu djeluju vanjske sile – sile neelektrostatskog podrijetla.
Iskustvo pokazuje da te strane sile nisu povezane s toplinskim ili kemijskim procesima u krugu; njihova se pojava također ne može objasniti Lorentzovim silama, budući da one ne djeluju na stacionarne naboje. Maxwell je pretpostavio da svako izmjenično magnetsko polje pobuđuje električno polje u okolnom prostoru, što je uzrok pojave inducirane struje u krugu. Prema Maxwellovim zamislima, strujni krug u kojem se pojavljuje emf igra sekundarnu ulogu, kao samo “uređaj” koji detektira ovo polje.
Dakle, prema Maxwellu, vremenski promjenjivo magnetsko polje stvara električno polje E B, čije kruženje, prema formuli,
E B dl = E Bl dl = - d F/dt (1)
gdje je projekcija vektora E Bl projekcija vektora E na pravac dl; parcijalni izvod ¶F/¶t uzima u obzir ovisnost toka magnetske indukcije samo o vremenu.
Zamjenom izraza F = B dS u ovu formulu (1) dobivamo
E B dl = - ¶ / ¶ t B dS
Budući da su kontura i površina nepomične, operacije diferenciranja i integracije mogu se zamijeniti. Stoga,
E B dl = - ¶ B/ ¶ t dS (2)
Prema E dl = El dl = 0, kruženje vektora jakosti elektrostatskog polja (označimo ga E Q) duž zatvorene petlje je nula:
E Q dl = E Ql dl = 0 (3)
Uspoređujući izraze (1) i (3), vidimo da postoji temeljna razlika između razmatranih polja (E B i E Q): cirkulacija vektora E B, za razliku od cirkulacije vektora E Q, nije nula. Prema tome, električno polje E B pobuđeno magnetskim poljem, kao i samo magnetsko polje, je vrtlog.
Prednaponska struja
Prema Maxwellu, ako bilo koje izmjenično magnetsko polje pobuđuje vrtložno električno polje u okolnom prostoru, tada bi trebala postojati i suprotna pojava: svaka promjena električnog polja trebala bi izazvati pojavu vrtložnog magnetskog polja u okolnom prostoru. Budući da je magnetsko polje uvijek povezano s električnom strujom, Maxwell je izmjenično električno polje koje pobuđuje magnetsko polje nazvao strujom pomaka, za razliku od struje vodljivosti uzrokovane uređenim kretanjem naboja. Za pojavu struje pomaka, prema Maxwellu, potrebno je samo postojanje izmjeničnog električnog polja.
Razmotrimo krug izmjenične struje koji sadrži kondenzator (slika 1). Postoji izmjenično električno polje između ploča kondenzatora za punjenje i pražnjenje, stoga, prema Maxwellu, struje pomaka "teku" kroz kondenzator iu onim područjima gdje nema vodiča. Posljedično, budući da između ploča kondenzatora postoji izmjenično električno polje (struja pomaka), između njih se također pobuđuje magnetsko polje.
Pronađimo kvantitativni odnos između promjenjivog električnog i magnetskog polja koje ono uzrokuje. Prema Maxwellu, izmjenično električno polje u kondenzatoru u svakom trenutku vremena stvara takvo magnetsko polje kao da između ploča kondenzatora postoji vodljiva struja snage jednake jakosti struja u dovodnim žicama. Tada možemo reći da su gustoće struje provođenja (j) i struje pomaka (j cm) jednake: j cm = j.
Gustoća struje vodljivosti u blizini ploča kondenzatora j = = = ()= d s /dt , s je gustoća površinskog naboja, S je površina ploča kondenzatora. Stoga je j cm = d s /dt (4). Ako je električni pomak u kondenzatoru jednak D, tada je površinska gustoća naboja na pločama s = D. Uzimajući to u obzir, izraz (4) može se napisati kao: j cm = ¶ D /¶ t, gdje predznak parcijalnog izvoda označava da je magnetsko polje određeno samo brzinom promjene električnog pomaka tijekom vremena.
Budući da se struja pomaka javlja pri svakoj promjeni električnog polja, ona ne postoji samo u vakuumu ili dielektriku, već i unutar vodiča kroz koje teče izmjenična struja. Međutim, u ovom slučaju ona je zanemariva u usporedbi sa strujom provođenja. Prisutnost struja pomaka eksperimentalno je potvrdio sovjetski fizičar A. A. Eikhenvald, koji je proučavao magnetsko polje polarizacijske struje, koja je dio struje pomaka.
U općem slučaju struje provođenja i struje istiskivanja nisu odvojene u prostoru, već se nalaze u istom volumenu. Maxwell je stoga uveo koncept ukupne struje, jednak zbroju struja provođenja (kao i struja konvekcije) i pomaka. Ukupna gustoća struje:
j pun = j + ¶ D /¶ t .
Uvodeći koncept struje pomaka i ukupne struje, Maxwell je zauzeo novi pristup razmatranju zatvorenih strujnih krugova krugova izmjenične struje. Ukupna struja u njima je uvijek zatvorena, tj. Na krajevima vodiča je prekinuta samo struja provođenja, a u dielektriku (vakumu) između krajeva vodiča postoji struja pomaka koja zatvara struju provođenja.
Maxwell je generalizirao teorem o kruženju vektora H uvodeći u njegovu desnu stranu ukupnu struju I total = j total dS, pokrivenu zatvorenom petljom L. Tada će generalizirani teorem o kruženju vektora H biti napisan kao:
H dl = (j + ¶ D/ ¶ t) dS (5)
Izraz (5) je uvijek istinit, što dokazuje potpuna podudarnost teorije i iskustva.
Maxwellova jednadžba za elektromagnetsko polje
Maxwellovo uvođenje koncepta struje pomaka dovelo ga je do dovršetka njegove jedinstvene makroskopske teorije elektromagnetskog polja, koja je omogućila s jedinstvenog gledišta ne samo objašnjenje električnih i magnetskih pojava, već i predviđanje novih, čije je postojanje naknadno potvrđeno.
Maxwellova teorija temelji se na četiri gore razmotrene jednadžbe:
Električno polje može biti potencijalno (E Q) ili vrtložno (E B), tako da je ukupna jakost polja E = E Q + E B. Kako je cirkulacija vektora E Q jednaka nuli, a cirkulacija vektora E B određena je izrazom (2), tada je cirkulacija ukupnog vektora jakosti polja
E dl = - ¶B/¶t dS.
Ova jednadžba pokazuje da izvor električnog polja mogu biti ne samo električni naboji, već i vremenski promjenjiva magnetska polja.
Generalizirani teorem o cirkulaciji vektora H:
H dl = (j + ¶D/¶t) dS.
Ova jednadžba pokazuje da se magnetska polja mogu pobuditi ili pokretnim nabojima (električne struje) ili izmjeničnim električnim poljima.
Gaussov teorem za elektrostatičko polje u dielektriku:
Ako je naboj kontinuirano raspoređen unutar zatvorene površine s volumnom gustoćom ρ, tada će formula (6) biti zapisana kao:
D dS = ρ dV.
Gaussov teorem za polje B:
B dS = 0.
Dakle, kompletan sustav Maxwellovih jednadžbi u integralnom obliku:
E dl = - ¶ B/ ¶ t dS; D dS = ρ dV;
H dl = (j + ¶D/¶t) dS; B dS = 0.
Veličine uključene u Maxwellove jednadžbe nisu neovisne i među njima postoji sljedeći odnos:
B = m 0 m H;
J = g E;
gdje su e 0 i m 0 električne i magnetske konstante, e i m su dielektrične i magnetske propusnosti, g je specifična vodljivost tvari.
Iz Maxwellove jednadžbe proizlazi da izvori električnog polja mogu biti ili električni naboji ili vremenski promjenjiva magnetska polja, a magnetska polja mogu biti pobuđena ili pokretnim električnim nabojima (električne struje) ili izmjeničnim električnim poljima. Maxwellove jednadžbe nisu simetrične u odnosu na električna i magnetska polja. To je zbog činjenice da u prirodi postoje električni naboji, ali ne i magnetski.
Za stacionarna polja (E = const i B = const) Maxwellove jednadžbe imaju oblik:
E dl = 0; D dS = Q;
H dl = I; B dS = 0.
U tom su slučaju električno i magnetsko polje neovisno jedno o drugome, što omogućuje odvojeno proučavanje konstantnog električnog i magnetskog polja.
Koristeći Stokesov i Gaussov teorem poznat iz vektorske analize:
A dl = rot A dS;
A dS = div A dV,
možemo predstaviti kompletan sustav Maxwellovih jednadžbi u diferencijalnom obliku:
truljenje E = - ¶ B/ ¶ t; div D = ρ;
truljenje H = j + ¶ D/ ¶ t; div B = 0.
Ako su naboji i struje kontinuirano raspoređeni u prostoru, tada su oba oblika Maxwellovih jednadžbi – integralna i diferencijalna – ekvivalentna. Međutim, kada postoje površine diskontinuiteta - površine na kojima se svojstva medija ili polja naglo mijenjaju, tada je integralni oblik jednadžbi općenitiji.
Maxwellove jednadžbe su najopćenitije jednadžbe za električna i magnetska polja u mirovanju medija. Oni igraju istu ulogu u doktrini elektromagnetizma kao Newtonovi zakoni u mehanici. Iz Maxwellovih jednadžbi slijedi da je izmjenično magnetsko polje uvijek povezano s električnim poljem koje ono stvara, a izmjenično električno polje uvijek je povezano s magnetskim poljem koje ono stvara, tj. Električno i magnetsko polje neraskidivo su povezana jedno s drugim - oni tvore jedno elektromagnetsko polje.
Maxwellova teorija je makroskopska, jer razmatra električna i magnetska polja stvorena makroskopskim nabojima i strujama. Stoga ova teorija nije mogla otkriti unutarnji mehanizam pojava koje se događaju u mediju i dovode do nastanka električnog i magnetskog polja. Daljnji razvoj Maxwellove teorije elektromagnetskog polja bila je Lorentzova elektronska teorija, a Maxwell–Lorentzova teorija dalje je razvijena u kvantnoj fizici.
Maxwellova teorija, kao generalizacija osnovnih zakona električnih i magnetskih pojava, uspjela je objasniti ne samo već poznate eksperimentalne činjenice, što je također važna posljedica toga, već je predvidjela i nove pojave. Jedan od važnih zaključaka ove teorije bilo je postojanje magnetskog polja struja pomaka, postojanje elektromagnetskih valova - izmjeničnog elektromagnetskog polja koje se u prostoru širi konačnom brzinom. Naknadno je dokazano da je brzina širenja slobodnog elektromagnetskog polja (nevezanog strujama) u vakuumu jednaka brzini svjetlosti c = 3 · 10 8 m/s. Ovaj zaključak i teoretsko proučavanje svojstava elektromagnetskih valova doveli su Maxwella do stvaranja elektromagnetske teorije svjetlosti, prema kojoj je i svjetlost elektromagnetski val. Elektromagnetske valove eksperimentalno je dobio G. Hertz (1857. – 1894.), koji je dokazao da su zakoni njihova pobuđivanja i širenja potpuno opisani Maxwellovim jednadžbama. Time je Maxwellova teorija dobila briljantnu eksperimentalnu potvrdu.
Kasnije je A. Einstein utvrdio da Galilejevo načelo relativnosti za mehaničke pojave vrijedi i za sve druge fizikalne pojave.
Prema Einsteinovom principu relativnosti, mehanički, optički i elektromagnetski fenomeni događaju se na isti način u svim inercijalnim referentnim okvirima, tj. opisani su istim jednadžbama. Iz ovog načela slijedi da odvojeno razmatranje električnog i magnetskog polja ima relativnog smisla. Dakle, ako je električno polje stvoreno sustavom stacionarnih naboja, tada se ti naboji, koji su stacionarni u odnosu na jedan inercijalni referentni sustav, pomiču u odnosu na drugi i stoga će generirati ne samo električno, već i magnetsko polje. Slično, nepomičan u odnosu na jedan inercijski referentni okvir, vodič s konstantnom strujom, pobuđujući konstantno magnetsko polje u svakoj točki prostora, giba se u odnosu na druge inercijalne okvire, a izmjenično magnetsko polje koje stvara pobuđuje vrtložno električno polje.
Tako Maxwellova teorija, njezina eksperimentalna potvrda, kao i Einsteinov princip relativnosti dovode do jedinstvene teorije električnih, magnetskih i optičkih pojava, temeljene na konceptu elektromagnetskog polja.
Bibliografija
P. S. Kudrjavcev. "Maxwell", M., 1976
D. MacDonald. "Faraday", Maxwell i Kelvin", M., 1967.
T. I. Trofimova. "Tečaj fizike", M., 1983
G.M. Golin, S.R. Filonovich. Klasici fizikalne znanosti. "Postdiplomske studije". M., 1989.
Faradayev koncept linija sile drugi znanstvenici dugo nisu uzimali za ozbiljno. Činjenica je da Faraday, nedovoljno dobro vladajući matematičkim aparatom, svoje zaključke nije uvjerljivo obrazložio jezikom formula. („Bio je to um koji nikada nije zaglibio u formulama“, rekao je A. Einstein o njemu).
Briljantni matematičar i fizičar James Maxwell brani Faradayjevu metodu, njegove ideje o djelovanju i poljima kratkog dometa, tvrdeći da se Faradayeve ideje mogu izraziti u obliku običnih matematičkih formula, a te su formule usporedive s formulama profesionalnih matematičara.
Teoriju polja razvija D. Maxwell u svojim djelima “O fizičkim linijama sile” (1861-1865) i “Dynamic Field Theory (1864-1865). U zadnjem radu dan je sustav poznatih jednadžbi koje (prema Hertzu) čine bit Maxwellove teorije.
Suština je bila u tomepromjenjivo magnetsko polje stvara ne samo u okolnim tijelima, već iu vakuumu vrtložno električno polje, koje zauzvrat uzrokuje pojavu magnetskog polja. Tako je u fiziku uvedena nova stvarnost - elektromagnetsko polje. Ovo je označilo početak nove faze u fizici - faze u kojoj je elektromagnetsko polje postalo stvarnost, materijalni nositelj interakcije.
Svijet se počeo pojavljivati kao elektrodinamički sustav, izgrađen od električno nabijenih čestica koje međusobno djeluju kroz elektromagnetsko polje. (Uistinu, prisjetimo se da je u MCM-u dominirao princip dugodometnog djelovanja, prema kojem se djelovanje raznih vrsta sila prenosi trenutačno, bez sudjelovanja medija.)
Sustav jednadžbi za električna i magnetska polja koji je razvio Maxwell sastoji se od 4 jednadžbe, koje su ekvivalentne 4 izjave.
Analizirajući svoje jednadžbe, Maxwell je došao do zaključka da elektromagnetski valovi moraju postojati, a brzina njihovog širenja mora biti jednaka brzini svjetlosti. Odatle zaključak: svjetlost je vrsta elektromagnetskih valova. Maxwell je na temelju svoje teorije predvidio postojanje pritiska elektromagnetskog vala, a posljedično i svjetlosti, što je 1906. briljantno eksperimentalno dokazao P.N. Lebedev.
Vrhunac Maxwellova znanstvenog rada bila je njegova Rasprava o elektricitetu i magnetizmu.
Razvoj koncepta korpuskularnog kontinuuma u djelima Maxwella. Razvijajući teoriju elektromagnetskog polja, Maxwell nije odbacio diskretnu prirodu materije. Napisao je: “Čak se i atom, kada mu pripišemo sposobnost rotacije, može predstaviti kao da se sastoji od mnogo elementarnih čestica.” To je rečeno 1873. godine, mnogo prije otkrića elektrona. Dakle, Maxwell nije davao prednost niti diskretnosti niti kontinuitetu materije, dopuštajući mogućnost obojega.
Razvivši EMCM Maxwell je zaokružio sliku svijeta klasične fizike (“početak kraja klasične fizike”). Maxwellova teorija preteča je Lorentzove elektroničke teorije i posebne teorije relativnosti A. Einsteina.
Povratak na vrh dokumenta
Tema: Elektromagnetska indukcija
Lekcija: Elektromagnetskipolje.TeorijaMaxwell
Razmotrimo gornji dijagram i slučaj kada je priključen izvor istosmjerne struje (slika 1).
Riža. 1. Shema
Glavni elementi kruga uključuju žarulju, obični vodič, kondenzator - kada je krug zatvoren, na pločama kondenzatora pojavljuje se napon jednak naponu na stezaljkama izvora.
Kondenzator se sastoji od dvije paralelne metalne ploče s dielektrikom između njih. Kada se razlika potencijala primijeni na ploče kondenzatora, one se pune i unutar dielektrika nastaje elektrostatsko polje. U tom slučaju ne može biti struje unutar dielektrika pri niskim naponima.
Prilikom zamjene istosmjerne struje izmjeničnom, svojstva dielektrika u kondenzatoru se ne mijenjaju, a slobodnih naboja u dielektriku još uvijek praktički nema, ali primjećujemo da žarulja svijetli. Postavlja se pitanje: što se događa? Maxwell je struju koja u ovom slučaju nastaje nazvao strujom pomaka.
Znamo da kada se krug kroz koji teče struja stavi u izmjenično magnetsko polje, u njemu se pojavljuje inducirana emf. To je zbog činjenice da nastaje vrtložno električno polje.
Što ako se slična slika dogodi kada se promijeni električno polje?
Maxwellova hipoteza: vremenski promjenjivo električno polje uzrokuje pojavu vrtložnog magnetskog polja.
Prema ovoj hipotezi, magnetsko polje nakon zatvaranja kruga nastaje ne samo zbog protoka struje u vodiču, već i zbog prisutnosti izmjeničnog električnog polja između ploča kondenzatora. Ovo izmjenično električno polje stvara magnetsko polje u istom području između ploča kondenzatora. Štoviše, ovo magnetsko polje je potpuno isto kao da struja jednaka struji u ostatku kruga teče između ploča kondenzatora. Teorija se temelji na četiri Maxwellove jednadžbe, iz kojih proizlazi da se promjene električnih i magnetskih polja u prostoru i vremenu događaju na dosljedan način. Dakle, električno i magnetsko polje čine jedinstvenu cjelinu. Elektromagnetski valovi šire se u prostoru u obliku transverzalnih valova s konačnom brzinom.
Naznačeni odnos između izmjeničnog magnetskog i izmjeničnog električnog polja sugerira da ona ne mogu postojati odvojeno jedno od drugog. Postavlja se pitanje: vrijedi li ova tvrdnja za statička polja (elektrostatička, stvorena stalnim nabojima, i magnetostatska, stvorena istosmjernim strujama)? Ovaj odnos postoji i za statična polja. Ali važno je razumjeti da ta polja mogu postojati u odnosu na određeni referentni okvir.
Naboj u mirovanju stvara elektrostatičko polje u prostoru (slika 2) u odnosu na određeni referentni sustav. Može se kretati u odnosu na druge referentne sustave i stoga će u tim sustavima isti naboj stvoriti magnetsko polje.
Elektromagnetsko polje- ovo je poseban oblik postojanja materije, koji stvaraju nabijena tijela i očituje se djelovanjem na nabijena tijela. Tijekom tog djelovanja može se promijeniti njihovo energetsko stanje, dakle, elektromagnetsko polje ima energiju.
1. Proučavanje fenomena elektromagnetske indukcije dovodi do zaključka da izmjenično magnetsko polje stvara električni vrtlog oko sebe.
2. Analizirajući prolazak izmjenične struje kroz krugove koji sadrže dielektrike, Maxwell je došao do zaključka da izmjenično električno polje može generirati magnetsko polje zbog struje pomaka.
3. Električno i magnetsko polje sastavni su dijelovi jedinstvenog elektromagnetskog polja, koje se u prostoru širi u obliku transverzalnih valova konačnom brzinom.
- Bukhovtsev B.B., Myakishev G.Ya., Charugin V.M. Fizika 11. razred: Udžbenik. za opće obrazovanje institucija. - 17. izd., pretvor. i dodatni - M.: Obrazovanje, 2008.
- Gendenstein L.E., Dick Yu.I., Fizika 11. - M.: Mnemosyne.
- Tikhomirova S.A., Yarovsky B.M., Fizika 11. - M.: Mnemosyne.
- Znate.ru ().
- Riječ ().
- Fizika().
- Koje električno polje nastaje pri promjeni magnetskog polja?
- Kojom strujom se objašnjava sjaj žarulje u krugu izmjenične struje s kondenzatorom?
- Koja od Maxwellovih jednadžbi ukazuje na ovisnost magnetske indukcije o struji provođenja i pomaku?
Pod određenim uvjetima, izmjenična električna i magnetska polja mogu generirati jedno drugo. Oni tvore elektromagnetsko polje, koje uopće nije njihova ukupnost. To je jedinstvena cjelina u kojoj ova dva polja ne mogu jedno bez drugog.
Iz povijesti
Pokus danskog znanstvenika Hansa Christiana Oersteda, proveden 1821. godine, pokazao je da električna struja stvara magnetsko polje. Zauzvrat, promjenjivo magnetsko polje može generirati električnu struju. To je dokazao engleski fizičar Michael Faraday koji je 1831. godine otkrio fenomen elektromagnetske indukcije. Također je autor pojma "elektromagnetsko polje".
U to je vrijeme u fizici prihvaćen Newtonov koncept djelovanja na velike udaljenosti. Vjerovalo se da sva tijela djeluju jedno na drugo kroz prazninu beskonačno velikom brzinom (gotovo trenutno) i na bilo kojoj udaljenosti. Pretpostavljalo se da električni naboji međusobno djeluju na sličan način. Faraday je smatrao da praznina ne postoji u prirodi, te da se međudjelovanje odvija konačnom brzinom kroz određeni materijalni medij. Ovaj medij za električne naboje je elektromagnetsko polje. I putuje brzinom jednakom brzini svjetlosti.
Maxwellova teorija
Kombinirajući rezultate prethodnih studija, engleski fizičar James Clerk Maxwell stvoren 1864 teorija elektromagnetskog polja. Prema njemu, promjenjivo magnetsko polje stvara promjenjivo električno polje, a izmjenično električno polje stvara izmjenično magnetsko polje. Naravno, prvo jedno od polja stvara izvor naboja ili struje. Ali u budućnosti, ta polja već mogu postojati neovisno o takvim izvorima, uzrokujući pojavu jednog drugog. To je, električno i magnetsko polje komponente su jednog elektromagnetskog polja. I svaka promjena u jednom od njih uzrokuje pojavu drugog. Ova hipoteza čini osnovu Maxwellove teorije. Električno polje koje stvara magnetsko polje je vrtlog. Njegove su linije sile zatvorene.
Ova teorija je fenomenološka. To znači da je kreiran na temelju pretpostavki i opažanja, a ne uzima u obzir uzrok električnih i magnetskih polja.
Svojstva elektromagnetskog polja
Elektromagnetsko polje je kombinacija električnog i magnetskog polja, stoga je u svakoj točki svog prostora opisano s dvije glavne veličine: jakost električnog polja E i indukcija magnetskog polja U .
Budući da je elektromagnetsko polje proces pretvaranja električnog polja u magnetsko polje, a zatim magnetskog u električno, njegovo stanje se stalno mijenja. Šireći se u prostoru i vremenu stvara elektromagnetske valove. Ovisno o frekvenciji i duljini ovi se valovi dijele na radio valovi, teraherc zračenje, infracrveno zračenje, vidljiva svjetlost, ultraljubičasto zračenje, x-zrake i gama-zrake.
Vektori jakosti i indukcije elektromagnetskog polja međusobno su okomiti, a ravnina u kojoj leže okomita je na smjer širenja vala.
U teoriji dugodometnog djelovanja brzina širenja elektromagnetskih valova smatrala se beskonačno velikom. Međutim, Maxwell je dokazao da to nije tako. U tvari se elektromagnetski valovi šire konačnom brzinom, koja ovisi o dielektričnoj i magnetskoj propusnosti tvari. Stoga se Maxwellova teorija naziva teorijom djelovanja kratkog dometa.
Maxwellovu teoriju 1888. eksperimentalno je potvrdio njemački fizičar Heinrich Rudolf Hertz. Dokazao je postojanje elektromagnetskih valova. Štoviše, izmjerio je brzinu širenja elektromagnetskih valova u vakuumu, za koju se pokazalo da je jednaka brzini svjetlosti.
U integralnom obliku ovaj zakon izgleda ovako:
Gaussov zakon za magnetsko polje
Tok magnetske indukcije kroz zatvorenu površinu jednak je nuli.
Fizičko značenje ovog zakona je da magnetski naboji ne postoje u prirodi. Polovi magneta ne mogu se odvojiti. Linije magnetskog polja su zatvorene.
Faradayev zakon indukcije
Promjena magnetske indukcije uzrokuje pojavu vrtložnog električnog polja.
,
Teorem o cirkulaciji magnetskog polja
Ovaj teorem opisuje izvore magnetskog polja, kao i sama polja koja oni stvaraju.
Električna struja i promjene električne indukcije stvaraju vrtložno magnetsko polje.
,
,
E– jakost električnog polja;
N– jakost magnetskog polja;
U- magnetska indukcija. Ovo je vektorska veličina koja pokazuje silu kojom magnetsko polje djeluje na naboj veličine q koji se kreće brzinom v;
D– električna indukcija ili električni pomak. To je vektorska veličina jednaka zbroju vektora intenziteta i vektora polarizacije. Polarizacija je uzrokovana pomicanjem električnih naboja pod utjecajem vanjskog električnog polja u odnosu na njihov položaj kada takvog polja nema.
Δ - operater Nabla. Djelovanje ovog operatora na određeno polje naziva se rotor tog polja.
Δ x E = rot E
ρ - gustoća vanjskog električnog naboja;
j- gustoća struje - vrijednost koja pokazuje jakost struje koja teče kroz jedinicu površine;
S– brzina svjetlosti u vakuumu.
Proučavanje elektromagnetskog polja je znanost tzv elektrodinamika. Ona razmatra njegovu interakciju s tijelima koja imaju električni naboj. Ova interakcija se zove elektromagnetski. Klasična elektrodinamika opisuje samo kontinuirana svojstva elektromagnetskog polja pomoću Maxwellovih jednadžbi. Moderna kvantna elektrodinamika vjeruje da elektromagnetsko polje također ima diskretna (diskontinuirana) svojstva. A takva elektromagnetska interakcija događa se uz pomoć nedjeljivih čestica-kvanta koji nemaju masu i naboj. Kvant elektromagnetskog polja naziva se foton .
Elektromagnetsko polje oko nas
Oko svakog vodiča kroz koji teče izmjenična struja formira se elektromagnetsko polje. Izvori elektromagnetskog polja su dalekovodi, elektromotori, transformatori, gradski električni promet, željeznički promet, električni i elektronički kućanski uređaji - televizori, računala, hladnjaci, glačala, usisavači, radiotelefoni, mobilni telefoni, električni aparati za brijanje - ukratko sve vezano uz to. na potrošnju ili prijenos električne energije. Snažni izvori elektromagnetskih polja su televizijski odašiljači, antene mobilnih telefonskih stanica, radarske stanice, mikrovalne pećnice itd. A budući da je takvih uređaja jako puno oko nas, elektromagnetska polja okružuju nas posvuda. Ova polja utječu na okoliš i ljude. To ne znači da je taj utjecaj uvijek negativan. Električna i magnetska polja već dugo postoje oko čovjeka, ali je snaga njihova zračenja prije nekoliko desetljeća bila stotinama puta manja nego danas.
Do određene razine, elektromagnetsko zračenje može biti sigurno za ljude. Tako se u medicini elektromagnetsko zračenje niskog intenziteta koristi za zacjeljivanje tkiva, uklanjanje upalnih procesa i analgetski učinak. UHF uređaji ublažavaju grčeve glatkih mišića crijeva i želuca, poboljšavaju metaboličke procese u tjelesnim stanicama, smanjuju tonus kapilara i snižavaju krvni tlak.
No jaka elektromagnetska polja uzrokuju poremećaje u radu ljudskog kardiovaskularnog, imunološkog, endokrinog i živčanog sustava te mogu uzrokovati nesanicu, glavobolju i stres. Opasnost je u tome što je njihov utjecaj čovjeku gotovo nevidljiv, a poremećaji nastaju postupno.
Kako se možemo zaštititi od elektromagnetskog zračenja koje nas okružuje? Nemoguće je to učiniti u potpunosti, pa morate pokušati minimizirati njegov utjecaj. Prije svega, kućanske aparate morate rasporediti tako da budu udaljeni od mjesta na kojima se najčešće nalazimo. Na primjer, nemojte sjediti preblizu TV-u. Uostalom, što je izvor elektromagnetskog polja udaljeniji, ono postaje slabije. Vrlo često ostavljamo uređaj uključen u struju. Ali elektromagnetsko polje nestaje tek kada se uređaj isključi iz električne mreže.
Na ljudsko zdravlje utječu i prirodna elektromagnetska polja - kozmičko zračenje, Zemljino magnetsko polje.
Faradayev koncept linija sile drugi znanstvenici dugo nisu uzimali za ozbiljno. Činjenica je da Faraday, nedovoljno dobro vladajući matematičkim aparatom, svoje zaključke nije uvjerljivo obrazložio jezikom formula. („Bio je um koji nikada nije zaglibio u formulama“, rekao je A. Einstein o njemu).
Briljantni matematičar i fizičar James Maxwell brani Faradayjevu metodu, njegove ideje o djelovanju i poljima kratkog dometa, tvrdeći da se Faradayeve ideje mogu izraziti u obliku običnih matematičkih formula, a te su formule usporedive s formulama profesionalnih matematičara.
D. Maxwell razvija teoriju polja u svojim djelima “On Physical Lines of Force” (1861-1865) i “Dynamic Field Theory” (1864-1865). U posljednjem radu dan je sustav poznatih jednadžbi koje, prema G. Hertzu, čine bit Maxwellove teorije.
Ova suština se svodila na činjenicu da promjenjivo magnetsko polje stvara ne samo u okolnim tijelima, već iu vakuumu vrtložno električno polje, koje zauzvrat uzrokuje pojavu magnetskog polja. Tako je u fiziku uvedena nova stvarnost - elektromagnetsko polje. Time je započela nova faza u fizici, faza u kojoj je elektromagnetsko polje postalo stvarnost, materijalni nositelj međudjelovanja.
Svijet se počeo pojavljivati kao elektrodinamički sustav, izgrađen od električno nabijenih čestica koje međusobno djeluju kroz elektromagnetsko polje.
Sustav jednadžbi za električna i magnetska polja koji je razvio Maxwell sastoji se od 4 jednadžbe koje su ekvivalentne četirima izjavama:
Analizirajući svoje jednadžbe, Maxwell je došao do zaključka da elektromagnetski valovi moraju postojati, a brzina njihovog širenja mora biti jednaka brzini svjetlosti. To je dovelo do zaključka da je svjetlost vrsta elektromagnetskog vala. Maxwell je na temelju svoje teorije predvidio postojanje pritiska elektromagnetskog vala, a posljedično i svjetlosti, što je 1906. briljantno eksperimentalno dokazao P.N. Lebedev.
Vrhunac Maxwellova znanstvenog rada bila je njegova Rasprava o elektricitetu i magnetizmu.
Razvivši elektromagnetsku sliku svijeta, Maxwell je upotpunio sliku svijeta klasične fizike (“početak kraja klasične fizike”). Maxwellova teorija preteča je Lorentzove elektroničke teorije i posebne teorije relativnosti A. Einsteina.
Ostali članci:
Podrijetlo znanosti, glavni pravci njezina razvoja
Povijest rođenja znanosti seže tisućama godina unatrag. Prvi elementi znanosti pojavili su se u antičkom svijetu u vezi s potrebama društvene prakse i bili su čisto praktične naravi. Ukupno (sa stajališta povijesti znanosti) čovječanstvo...
zaključke
Učestalost kroničnog pankreatitisa u općoj populaciji kreće se od 0,16 do 2,8%. Klinička raznolikost pankreatitisa ovisi o težini insuficijencije gušterače, trajanju bolesti, učestalosti relapsa i volumenu oštećenja...
Rasne karakteristike. Prilagodljivost rasnih karakteristika
Mehanizam nastanka posebne rasne osobine kod čovjeka je biološki, dok se povijest spajanja individualnih osobina u rasne komplekse odnosi na društveni život osobe. Tako povijest naseljavanja Mađarske može objasniti...
