Rusijos Federacijos švietimo ministerija
Sankt Peterburgo mechanikos inžinerijos institutas
Referatfizikoje
tema:
„Maksvelo elektromagnetinės teorijos esmė“
Atlikta:
studentas gr. 2801
Shkeneva Yu.A.
Sankt Peterburgas
3 įvadas
Sūkurinis elektrinis laukas 6
Poslinkio srovė 7
Maksvelo elektromagnetinio lauko lygtis 9
Naudotos literatūros sąrašas 13
Įvadas
Jamesas Clerkas Maxwellas gimė 1831 m. birželio 13 d. Edinburge, advokato – dvaro Škotijoje savininko – šeimoje. Berniukas pademonstravo ankstyvą meilę technologijoms ir norą suvokti jį supantį pasaulį. Didelę įtaką jam padarė tėvas – labai išsilavinęs žmogus, labai domėjęsis gamtos mokslų ir technikos problemomis. Mokykloje Maksvelą sužavėjo geometrija, o pirmasis mokslinis darbas, baigtas būdamas penkiolikos metų, buvo paprasto, bet nežinomo ovalių figūrų piešimo būdo atradimas. Maxwellas įgijo gerą išsilavinimą, pirmiausia Edinburgo, o vėliau Kembridžo universitetuose.
1856 m. jaunas, perspektyvus mokslininkas buvo pakviestas dėstyti Škotijos miesto Aberdyno koledže. Čia Maxwellas entuziastingai sprendžia teorinės ir taikomosios mechanikos, optikos, spalvinio matymo fiziologijos problemas. Jis šauniai įmena Saturno žiedų mįslę, matematiškai įrodydamas, kad jie susidaro iš atskirų dalelių. Mokslininko pavardė išgarsėja, jis pakviečiamas užimti kėdę Londono King's College. Londono laikotarpis (1860-1865) buvo vaisingiausias mokslininko gyvenime. Jis atnaujina ir baigia teorines elektrodinamikos studijas, skelbia esminius dujų kinetinės teorijos darbus.
Persikėlęs iš Aberdyno, Maksvelas tęsė savo tyrimus su nenumaldoma įtampa, ypatingą dėmesį skirdamas dujų kinetinei teorijai. Teigiama, kad jo žmona (buvusi Catherine Mary Dewar, Marishal koledžo vadovo dukra) padegė ugnį jų Londono namų rūsyje, kad Maksvelas turėtų galimybę atlikti eksperimentus palėpėje, tiriant dujų šilumines savybes. Tačiau lemiamas ir neabejotinai didžiausias Maksvelo pasiekimas buvo elektromagnetinės teorijos sukūrimas.
Devynioliktojo amžiaus pradžia buvo kupina įdomių atradimų. Netrukus gavęs pirmąsias stacionarias sroves, Oerstedas parodė, kad srovė, tekanti per laidininką, sukuria magnetinius efektus, panašius į tuos, kuriuos sukelia įprastas nuolatinis magnetas. Todėl buvo pasiūlyta, kad du laidininkai su srove turėtų elgtis kaip du magnetai, kurie, kaip žinote, gali arba pritraukti, arba atstumti. Iš tiesų, Ampere ir kitų tyrinėtojų eksperimentai patvirtino, kad tarp dviejų srovės laidininkų yra traukos ar atstūmimo jėgų. Netrukus buvo galima suformuluoti traukos ir atstūmimo dėsnį tokiu pat tikslumu, kaip Niutonas suformulavo gravitacinės traukos tarp bet kurių dviejų materialių kūnų dėsnį.
Tada Faradėjus ir Henris atrado nuostabų elektromagnetinės indukcijos reiškinį ir taip pademonstravo glaudų ryšį tarp magnetizmo ir elektros.
Tačiau skubiai reikėjo sukurti vieningą, būtinus reikalavimus atitinkančią teoriją, kuri leistų nuspėti elektromagnetinių reiškinių raidą laike ir erdvėje pačiu bendriausiu atveju, bet kokiomis įmanomomis konkrečiomis eksperimento sąlygomis.
Būtent tokia pasirodė Maksvelo elektromagnetinė teorija, kurią jis suformulavo kaip kelių lygčių sistemą, apibūdinančią visą elektromagnetinių laukų savybių įvairovę, naudojant du fizikinius dydžius - elektrinio lauko E stiprumą ir jo stiprumą. magnetinis laukas H. Pastebėtina, kad šios Maksvelo lygtys galutine forma ir iki šių dienų išlieka kertiniu fizikos akmeniu, pateikiančiu stebimų elektromagnetinių reiškinių aprašymą, atitinkantį tikrovę.
Projektuojant aukštos įtampos perdavimo liniją, skirtą elektros energijos perdavimui dideliais atstumais, Maksvelo lygtys padeda sukurti sistemą, sumažinančią nuostolius; laboratorijoje atlikdami fundamentalius eksperimentus metalų savybėms tirti aukšto dažnio elektriniame lauke esant labai žemai temperatūrai, elektromagnetinio lauko sklidimo metalo viduje pobūdžiui nustatyti naudojame Maksvelo lygtis; Jei statome naują radijo teleskopą, galintį užfiksuoti elektromagnetinį triukšmą iš kosmoso, tada kurdami antenas ir bangolaidžius, perduodančius energiją iš antenos į radijo imtuvą, visada naudojame Maksvelo lygtis.
Egzistuoja dėsnis, pagal kurį jėga, veikianti krūvį, judantį magnetiniame lauke, yra tiesiogiai proporcinga krūvio dydžio sandaugai, statmenai magnetinio lauko krypčiai; ši jėga mums žinoma kaip „Lorenco jėga“. Tačiau kažkas tai vadina „Laplaso jėga“.
Maksvelo lygtyse nėra tokio netikrumo, šio atradimo garbė priklauso tik jam.
Pažymėtina, kad praėjusiame amžiuje jis anaiptol nebuvo vienintelis fizikas, mėginęs sukurti visa apimančią elektromagnetizmo teoriją, kiti irgi ne be reikalo įtarė esant gilų ryšį tarp šviesos ir elektros reiškinių.
Pagrindinis Maxwello nuopelnas yra tai, kad jis savaip priėjo prie elegantiškos ir paprastos lygčių sistemos, apibūdinančios visus elektromagnetinius reiškinius.
Maksvelo lygtys ne tik apima ir apibūdina visus mums žinomus elektromagnetinius reiškinius; jų taikymo sritis net neapsiriboja jokiais įsivaizduojamais elektromagnetiniais reiškiniais, vykstančiais konkrečiomis vietinėmis sąlygomis. Maksvelo teorija numatė visiškai naują efektą, pastebėtą erdvėje, kurioje nėra materialių kūnų – elektromagnetinę spinduliuotę. Tai neabejotinai unikalus pasiekimas, vainikuojantis Maxwello teorijos triumfą.
Sūkurinis elektrinis laukas
Iš Faradėjaus dėsnio e i = - d Ф / dt išplaukia, kad bet koks magnetinės indukcijos srauto, sujungto su grandine, pokytis sukelia indukcijos elektrovaros jėgos atsiradimą ir dėl to atsiranda indukcijos srovė. Vadinasi, emf atsiradimas elektromagnetinė indukcija galima ir stacionarioje grandinėje, esančioje kintamajame magnetiniame lauke. Tačiau e.m.f. bet kurioje grandinėje atsiranda tik tada, kai srovės nešiklius veikia išorinės jėgos – neelektrostatinės kilmės jėgos.
Patirtis rodo, kad šios išorinės jėgos nėra susijusios nei su šiluminiais, nei su cheminiais procesais grandinėje; jų atsiradimo taip pat negalima paaiškinti Lorentzo jėgomis, nes jos neveikia stacionarių krūvių. Maxwellas iškėlė hipotezę, kad bet koks kintamasis magnetinis laukas sužadina elektrinį lauką supančioje erdvėje, o tai yra grandinės indukcijos srovės priežastis. Remiantis Maxwello idėjomis, kontūras, kuriame atsiranda emf, vaidina antraeilį vaidmenį, nes yra savotiškas vienintelis „prietaisas“, aptinkantis šį lauką.
Taigi, pasak Maksvelo, laikui bėgant kintantis magnetinis laukas sukuria elektrinį lauką E B, kurio cirkuliacija pagal formulę
E B dl = E Bl dl = - d Ф / dt (1)
čia vektoriaus E Bl projekcija yra vektoriaus E projekcija kryptimi dl; dalinėje išvestinėje ¶Ф / ¶t atsižvelgiama tik į magnetinės indukcijos srauto priklausomybę nuo laiko.
Į šią formulę (1) pakeitę išraišką Ф = B dS, gauname
E B dl = - ¶ / ¶ t B dS
Kadangi kontūras ir paviršius yra stacionarūs, diferenciacijos ir integravimo operacijos gali būti apverstos. Vadinasi,
E B dl = - ¶ B / ¶ t dS (2)
Pagal E dl = E l dl = 0 elektrostatinio lauko stiprumo vektoriaus (žymime E Q) cirkuliacija palei uždarą kilpą lygi nuliui:
E Q dl = E Ql dl = 0 (3)
Palyginus (1) ir (3) išraiškas, matome, kad tarp nagrinėjamų laukų (EB ir EQ) yra esminis skirtumas: vektoriaus EB cirkuliacija, priešingai nei vektoriaus EQ cirkuliacija, nėra lygi nuliui. . Vadinasi, magnetinio lauko sužadintas elektrinis laukas E B, kaip ir pats magnetinis laukas, yra sūkurys.
Poslinkio srovė
Anot Maxwello, jei koks nors kintamasis magnetinis laukas sužadina sūkurinį elektrinį lauką supančioje erdvėje, tai turėtų egzistuoti ir priešingas reiškinys: bet koks elektrinio lauko pasikeitimas turėtų sukelti sūkurinio magnetinio lauko atsiradimą supančioje erdvėje. Kadangi magnetinis laukas visada yra susijęs su elektros srove, Maksvelas kintamąjį elektrinį lauką, kuris sužadina magnetinį lauką, pavadino poslinkio srove, priešingai nei laidumo srovė, dėl tvarkingo krūvių judėjimo. Poslinkio srovės atsiradimui, pasak Maxwello, būtinas tik kintamasis elektrinis laukas.
Apsvarstykite kintamosios srovės grandinę, kurioje yra kondensatorius (1 pav.). Tarp įkrovimo ir iškrovimo kondensatoriaus plokščių yra kintamasis elektrinis laukas, todėl, anot Maxwello, per kondensatorių „teka“ poslinkio srovės ir tose vietose, kur nėra laidininkų. Vadinasi, kadangi tarp kondensatoriaus plokščių yra kintamasis elektrinis laukas (poslinkio srovė), tarp jų taip pat sužadinamas magnetinis laukas.
Raskime kiekybinį ryšį tarp jo sukeliamų kintančių elektrinių ir magnetinių laukų. Anot Maxwello, kintamasis elektrinis laukas kondensatoriuje kiekvienu laiko momentu sukuria tokį magnetinį lauką, tarsi tarp kondensatoriaus plokščių egzistuotų laidumo srovė, panaši į maitinimo laidų srovių stiprumą. Tada galima teigti, kad laidumo (j) ir poslinkio (j cm) srovės tankiai yra lygūs: j cm = j.
Laidumo srovės tankis šalia kondensatoriaus plokščių j = = = () = d s / dt, s yra paviršiaus įkrovos tankis, S yra kondensatoriaus plokščių plotas. Todėl j cm = d s / dt (4). Jei elektrinis poslinkis kondensatoriuje yra D, tada plokščių paviršiaus krūvio tankis yra s = D. Atsižvelgiant į tai, išraišką (4) galima parašyti tokia forma: j cm = ¶ D / ¶ t, kur dalinės išvestinės ženklas rodo, kad magnetinį lauką lemia tik elektrinio poslinkio kitimo greitis. laikas.
Kadangi poslinkio srovė atsiranda bet kokiu elektrinio lauko pasikeitimu, ji egzistuoja ne tik vakuume ar dielektrikuose, bet ir laidininkų viduje, kuriais teka kintamoji srovė. Tačiau šiuo atveju jis yra nereikšmingas, palyginti su laidumo srove. Poslinkio srovių buvimą eksperimentiškai patvirtino sovietų fizikas A.A.Eikhenwaldas, tyręs poliarizacijos srovės, kuri yra poslinkio srovės dalis, magnetinį lauką.
Bendru atveju laidumo ir poslinkio srovės erdvėje nėra atskirtos, jos yra to paties tūrio. Todėl Maxwellas įvedė bendros srovės, lygios laidumo srovių (taip pat ir konvekcinių srovių) ir poslinkio sumai, sampratą. Bendras srovės tankis:
j pilna = j + ¶ D / ¶ t.
Įvedęs poslinkio srovės ir suminės srovės sąvoką, Maxwellas nauju būdu priartėjo prie kintamosios srovės grandinių uždarumo svarstymo. Suminė srovė juose visada yra uždara, tai yra, laidininko galuose nupjaunama tik laidumo srovė, o dielektrike (vakuume) tarp laidininko galų yra poslinkio srovė, kuri uždaro laidumo srovę. .
Maksvelas apibendrino teoremą apie vektoriaus H cirkuliaciją, į jo dešinę pusę įvesdamas bendrą srovę I baigtas = j baigtas dS, padengtas uždara kilpa L. Tada vektoriaus H apibendrintą cirkuliacijos teoremą galima parašyti tokia forma:
H dl = (j + ¶ D / ¶ t) dS (5)
Išraiška (5) visada teisinga, kaip rodo visiškas teorijos ir patirties sutapimas.
Maksvelo elektromagnetinio lauko lygtis
Maxwellas įvedęs poslinkio srovės sampratą paskatino jį užbaigti jo sukurtą vieningą makroskopinę elektromagnetinio lauko teoriją, kuri leido vieningu požiūriu ne tik paaiškinti elektrinius ir magnetinius reiškinius, bet ir prognozuoti naujus, kurių egzistavimas vėliau buvo patvirtintas.
Maksvelo teorija remiasi keturiomis aukščiau išnagrinėtomis lygtimis:
Elektrinis laukas gali būti ir potencialinis (E Q), ir sūkurinis (E B), todėl bendras lauko stiprumas yra E = E Q + E B. Kadangi vektoriaus E Q cirkuliacija lygi nuliui, o vektoriaus E B cirkuliacija nustatoma pagal (2) išraišką, tai suminio lauko stiprumo vektoriaus cirkuliacija
E dl = - ¶B / ¶t dS.
Ši lygtis rodo, kad elektrinio lauko šaltinis gali būti ne tik elektros krūviai, bet ir laikui bėgant kintantys magnetiniai laukai.
Apibendrinta cirkuliacijos teorema vektoriui H:
H dl = (j + ¶D / ¶t) dS.
Ši lygtis rodo, kad magnetiniai laukai gali būti sužadinami arba judančiais krūviais (elektros srovėmis) arba kintančiais elektriniais laukais.
Gauso teorema elektrostatiniam laukui dielektrike:
Jei krūvis nuolat paskirstomas uždarame paviršiuje, kurio tūrinis tankis ρ, tada (6) formulė bus parašyta tokia forma:
D dS = ρ dV.
Gauso teorema laukui B:
B dS = 0.
Taigi visa Maksvelo lygčių sistema integralia forma:
E dl = - ¶ B / ¶ t dS; D dS = ρ dV;
H dl = (j + ¶D / ¶t) dS; B dS = 0.
Į Maksvelo lygtis įtraukti dydžiai nėra nepriklausomi ir tarp jų yra toks ryšys:
B = m 0 m H;
J = g E;
kur e 0 ir m 0 yra atitinkamai elektrinės ir magnetinės konstantos, e ir m yra atitinkamai dielektrinis ir magnetinis laidumas, g yra savitasis medžiagos laidumas.
Iš Maksvelo lygties išplaukia, kad elektriniai krūviai arba laikui bėgant kintantys magnetiniai laukai gali būti elektrinio lauko šaltiniai, o magnetiniai laukai gali būti sužadinami judančiais elektros krūviais (elektros srovėmis) arba kintamaisiais elektriniais laukais. Maksvelo lygtys nėra simetriškos elektrinių ir magnetinių laukų atžvilgiu. Taip yra dėl to, kad gamtoje yra elektros krūvių, bet nėra magnetinių.
Stacionariems laukams (E = const ir B = const) Maksvelo lygtys yra tokios formos:
E dl = 0; D dS = Q;
H dl = I; B dS = 0.
Šiuo atveju elektrinis ir magnetinis laukai yra nepriklausomi vienas nuo kito, todėl galima atskirai tirti pastovius elektrinius ir magnetinius laukus.
Naudojant gerai žinomas Stokso ir Gauso teoremas iš vektorinės analizės:
A dl = puvimas A dS;
A dS = div A dV,
visa Maksvelo lygčių sistema gali būti pavaizduota diferencine forma:
puvinys E = - ¶ B / ¶ t; div D = ρ;
rot H = j + ¶ D / ¶ t; div B = 0.
Jei krūviai ir srovės yra nuolat pasiskirstę erdvėje, tai abi Maksvelo lygčių formos – integralinė ir diferencialinė – yra lygiavertės. Tačiau kai yra netolydumo paviršiai – paviršiai, ant kurių staigiai keičiasi terpės ar laukų savybės, tai lygčių integralinė forma yra bendresnė.
Maksvelo lygtys yra bendriausios ramybės terpėje esančių elektrinių ir magnetinių laukų lygtys. Jie atlieka tą patį vaidmenį elektromagnetizmo teorijoje kaip ir Niutono dėsniai mechanikoje. Iš Maksvelo lygčių išplaukia, kad kintamasis magnetinis laukas visada yra susietas su jo generuojamu elektriniu lauku, o kintamasis elektrinis laukas – su jo generuojamu magnetiniu lauku, tai yra, elektrinis ir magnetinis laukai yra neatsiejamai susiję su kiekvienu kita - jie sudaro vieną elektromagnetinį lauką.
Maksvelo teorija yra makroskopinė, nes joje nagrinėjami elektriniai ir magnetiniai laukai, kuriuos sukuria makroskopiniai krūviai ir srovės. Todėl ši teorija negalėjo atskleisti aplinkoje vykstančių reiškinių, sukeliančių elektrinių ir magnetinių laukų atsiradimą, vidinio mechanizmo. Tolesnė Maksvelo elektromagnetinio lauko teorijos plėtra buvo Lorenco elektroninė teorija, o Maksvelo-Lorenco teorija buvo toliau plėtojama kvantinėje fizikoje.
Maksvelo teorija, būdama pagrindinių elektrinių ir magnetinių reiškinių dėsnių apibendrinimas, sugebėjo paaiškinti ne tik jau žinomus eksperimentinius faktus, kas yra ir svarbi jos pasekmė, bet ir numatė naujus reiškinius. Viena iš svarbių šios teorijos išvadų buvo poslinkio srovių magnetinio lauko egzistavimas, elektromagnetinių bangų egzistavimas – kintamasis elektromagnetinis laukas, sklindantis erdvėje baigtiniu greičiu. Vėliau buvo įrodyta, kad laisvojo elektromagnetinio lauko (nesurišto srovių) sklidimo vakuume greitis yra lygus šviesos greičiui c = 3 · 10 8 m/s. Ši išvada ir teorinis elektromagnetinių bangų savybių tyrimas paskatino Maxwellą sukurti elektromagnetinę šviesos teoriją, pagal kurią šviesa yra ir elektromagnetinės bangos. Elektromagnetines bangas eksperimentiniu būdu gavo G. Hertzas (1857 - 1894), įrodęs, kad jų sužadinimo ir sklidimo dėsniai pilnai aprašyti Maksvelo lygtimis. Taigi Maksvelo teorija gavo puikų eksperimentinį patvirtinimą.
Vėliau A. Einšteinas nustatė, kad Galilėjaus reliatyvumo principas mechaniniams reiškiniams galioja ir visiems kitiems fizikiniams reiškiniams.
Pagal Einšteino reliatyvumo principą mechaniniai, optiniai ir elektromagnetiniai reiškiniai visose inercinėse atskaitos sistemose vyksta vienodai, t.y. apibūdinamos tomis pačiomis lygtimis. Iš šio principo išplaukia, kad atskiras elektrinio ir magnetinio lauko svarstymas turi santykinę reikšmę. Taigi, jei elektrinį lauką sukuria stacionarių krūvių sistema, tai šie krūviai, būdami nejudantys vienos inercinės atskaitos sistemos atžvilgiu, juda kitos atžvilgiu ir todėl generuos ne tik elektrinį, bet ir magnetinį lauką. Panašiai pastovios srovės laidininkas, nejudantis vienos inercinės atskaitos sistemos atžvilgiu, kiekviename erdvės taške sužadinantis pastovų magnetinį lauką, juda kitų inercinių sistemų atžvilgiu, o jo sukurtas kintamasis magnetinis laukas sužadina sūkurinį elektrinį lauką.
Taigi Maksvelo teorija, jos eksperimentinis patvirtinimas, taip pat Einšteino reliatyvumo principas veda į vieningą elektrinių, magnetinių ir optinių reiškinių teoriją, pagrįstą elektromagnetinio lauko samprata.
Bibliografija
P. S. Kudrjavcevas. „Maksvelas“, M., 1976 m
D. McDonaldas. „Faraday“, Maksvelas ir Kelvinas“, M., 1967 m
T.I. Trofimova. „Fizikos kursas“, M., 1983 m
G.M. Golinas, S.R. Filonovičius. Fizikos mokslo klasika. "Baigti mokyklą". M., 1989 m.
Faradėjaus lauko linijų koncepcijos kiti mokslininkai ilgą laiką rimtai nežiūrėjo. Faktas yra tas, kad Faradėjus, neturėdamas pakankamai gero matematinio aparato, nepateikė įtikinamų savo išvadų pagrindimo formulių kalba. („Tai buvo protas, kuris niekada neįklimpo į formules – apie tai kalbėjo A. Einšteinas).
Puikus matematikas ir fizikas Jamesas Maxwellas gina Faradėjaus metodą, savo idėją apie artimą diapazoną ir lauką, teigdamas, kad Faradėjaus idėjos gali būti išreikštos įprastomis matematinėmis formulėmis, o šios formulės yra panašios į profesionalūs matematikai.
Lauko teorija D. Maksvelas plėtoja savo darbuose „Apie fizikines jėgos linijas“ (1861-1865) ir „Dinaminio lauko teorija (1864-1865). Pastarajame darbe buvo pateikta garsių lygčių sistema, kuri (pagal Hertzą) sudaro Maksvelo teorijos esmę.
Šis punktas susivedė į tai, kadkintantis magnetinis laukas ne tik aplinkiniuose kūnuose, bet ir vakuume sukuria sūkurinį elektrinį lauką, kuris savo ruožtu sukelia magnetinio lauko atsiradimą. Taip į fiziką buvo įvesta nauja realybė – elektromagnetinis laukas. Taip prasidėjo naujas fizikos etapas – etapas, kai elektromagnetinis laukas tapo realybe, materialioji sąveikos terpė.
Pasaulis buvo pradėtas pristatyti kaip elektrodinaminė sistema, sukurta iš elektriškai įkrautų dalelių, sąveikaujančių per elektromagnetinį lauką. (Iš tiesų, prisiminkime, kad MCM vyravo tolimojo veikimo principas, pagal kurį įvairių jėgų veikimas perduodamas akimirksniu, nedalyvaujant aplinkai.)
Maxwello sukurta elektrinių ir magnetinių laukų lygčių sistema susideda iš 4 lygčių, kurios atitinka 4 teiginius.
Analizuodamas savo lygtis Maksvelas priėjo prie išvados, kad elektromagnetinės bangos turi būti, o jų sklidimo greitis turi būti lygus šviesos greičiui. Taigi išvada: šviesa yra tam tikros elektromagnetinės bangos. Remdamasis savo teorija, Maksvelas numatė elektromagnetinės bangos, taigi ir šviesos, daromo slėgio egzistavimą, kurį 1906 m. eksperimentiškai puikiai įrodė P. N. Lebedevas.
Maksvelo mokslinės kūrybos viršūnė buvo „Traktatas apie elektrą ir magnetizmą“.
Korpuskulinių-nuolatinių reprezentacijų kūrimas Maxwello darbuose. Plėtodamas elektromagnetinio lauko teoriją, Maksvelas neatmetė ir materijos diskretiškumo. Jis rašė: „Net atomas, kai jam priskiriame galimybę suktis, gali būti pavaizduotas kaip susidedantis iš daugelio elementariųjų dalelių“. Tai buvo pasakyta 1873 m., gerokai prieš elektrono atradimą. Taigi Maksvelas neteikė pirmenybės nei materijos diskretiškumui, nei tęstinumui, pripažindamas abiejų galimybę.
Sukūręs EMCM, Maxwellas užbaigė klasikinės fizikos pasaulio vaizdą („klasikinės fizikos pabaigos pradžia“). Maksvelo teorija yra Lorenco elektronų teorijos ir A. Einšteino specialiosios reliatyvumo teorijos pirmtakas.
Į dokumento pradžią
Tema: Elektromagnetinė indukcija
Pamoka: elektromagnetinislauke.TeorijaMaksvelas
Apsvarstykite aukščiau pateiktą diagramą ir atvejį, kai prijungtas nuolatinės srovės šaltinis (1 pav.).
Ryžiai. 1. Schema
Pagrindiniai grandinės elementai yra lemputė, įprastas laidininkas, kondensatorius - kai grandinė uždaryta, kondensatoriaus plokštelėse atsiranda įtampa, lygi įtampai šaltinio gnybtuose.
Kondensatorius susideda iš dviejų lygiagrečių metalinių plokščių, tarp kurių yra dielektrikas. Kondensatoriaus plokštelėms pritaikius potencialų skirtumą, jos įkraunamos, o dielektriko viduje atsiranda elektrostatinis laukas. Tokiu atveju dielektriko viduje esant žemai įtampai srovės negali būti.
Keičiant nuolatinę srovę kintamąja, kondensatoriuje esančių dielektrikų savybės nekinta, o laisvų krūvių dielektrike praktiškai nėra, tačiau stebime, kad lemputė dega. Kyla klausimas: kas vyksta? Maksvelas šiuo atveju tekančią srovę pavadino poslinkio srove.
Žinome, kad laidžią grandinę patalpinus į kintamąjį magnetinį lauką, joje atsiranda indukcijos EML. Taip yra dėl to, kad susidaro sūkurinis elektrinis laukas.
Bet ką daryti, jei panašus vaizdas atsiranda pasikeitus elektriniam laukui?
Maksvelo hipotezė: laike kintantis elektrinis laukas sukelia sūkurinio magnetinio lauko atsiradimą.
Remiantis šia hipoteze, magnetinis laukas uždarius grandinę susidaro ne tik dėl srovės srauto laidininke, bet ir dėl to, kad tarp kondensatoriaus plokščių yra kintamasis elektrinis laukas. Šis kintamasis elektrinis laukas sukuria magnetinį lauką toje pačioje srityje tarp kondensatoriaus plokščių. Be to, šis magnetinis laukas yra lygiai toks pat, tarsi srovė tekėtų tarp kondensatoriaus plokščių, lygi srovei likusioje grandinės dalyje. Teorija remiasi keturiomis Maksvelo lygtimis, iš kurių matyti, kad elektrinių ir magnetinių laukų pokyčiai erdvėje ir laike vyksta nuosekliai. Taigi elektrinis ir magnetinis laukai sudaro vieną visumą. Elektromagnetinės bangos sklinda erdvėje skersinių bangų pavidalu baigtiniu greičiu.
Nurodytas ryšys tarp kintamųjų magnetinių ir kintamųjų elektrinių laukų rodo, kad jie negali egzistuoti atskirai vienas nuo kito. Kyla klausimas: ar šis teiginys galioja statiniams laukams (elektrostatiniams, sukuriamiems nuolatinių krūvių ir magnetostatiniams, sukuriamiems nuolatinių srovių)? Šis ryšys taip pat egzistuoja statiniams laukams. Tačiau svarbu suprasti, kad šie laukai gali egzistuoti atsižvelgiant į tam tikrą atskaitos sistemą.
Ramybės krūvis sukuria elektrostatinį lauką erdvėje (2 pav.) tam tikros atskaitos sistemos atžvilgiu. Jis gali judėti kitų atskaitos sistemų atžvilgiu, todėl šiuose rėmuose tas pats krūvis sukurs magnetinį lauką.
Elektromagnetinis laukas- Tai ypatinga materijos egzistavimo forma, kurią sukuria įkrauti kūnai ir pasireiškia veikiant įkrautiems kūnams. Vykdant šį veiksmą gali pasikeisti jų energetinė būsena, todėl elektromagnetinis laukas turi energijos.
1. Ištyrus elektromagnetinės indukcijos reiškinius, daroma išvada, kad kintamasis magnetinis laukas sukuria aplink save elektrinį sūkurį.
2. Analizuodamas kintamosios srovės praėjimą per grandines, kuriose yra dielektrikų, Maksvelas padarė išvadą, kad kintamasis elektrinis laukas gali sukurti magnetinį lauką dėl poslinkio srovės.
3. Elektrinis ir magnetinis laukas - vieno elektromagnetinio lauko komponentai, sklindantys erdvėje skersinių bangų pavidalu baigtiniu greičiu.
- Bukhovcevas B.B., Myakishev G.Ya., Charugin V.M. Fizika 11 klasė: Vadovėlis. bendrajam lavinimui. institucijose. - 17 leid., Trans. ir pridėkite. - M .: Švietimas, 2008 m.
- Gendenshtein L.E., Dick Yu.I., Fizika 11. - M .: Mnemosyne.
- Tikhomirova S.A., Yarovsky B.M., Fizika 11. - M .: Mnemosina.
- Znate.ru ().
- Žodis ().
- Fizika ().
- Koks elektrinis laukas susidaro pasikeitus magnetiniam laukui?
- Kokia srovė paaiškina lemputės švytėjimą kintamosios srovės grandinėje su kondensatoriumi?
- Kuri iš Maksvelo lygčių rodo magnetinės indukcijos priklausomybę nuo laidumo srovės ir poslinkio?
Kintamieji elektriniai ir magnetiniai laukai tam tikromis sąlygomis gali generuoti vienas kitą. Jie sudaro elektromagnetinį lauką, kuris visiškai nėra jų derinys. Tai viena visuma, kurioje šie du laukai negali egzistuoti vienas be kito.
Iš istorijos
Danų mokslininko Hanso Christiano Oerstedo patirtis, atlikta 1821 m., parodė, kad elektros srovė sukuria magnetinį lauką. Savo ruožtu kintantis magnetinis laukas gali generuoti elektros srovę. Tai įrodė anglų fizikas Michaelas Faradėjus, 1831 metais atradęs elektromagnetinės indukcijos reiškinį. Jis taip pat yra termino „elektromagnetinis laukas“ autorius.
Tuo metu fizikoje buvo perimta Niutono tolimojo veikimo koncepcija. Buvo tikima, kad visi kūnai veikia vienas kitą per tuštumą be galo dideliu greičiu (beveik akimirksniu) ir bet kokiu atstumu. Buvo manoma, kad elektros krūviai sąveikauja panašiai. Kita vertus, Faradėjus manė, kad gamtoje tuštuma neegzistuoja, o sąveika vyksta ribotu greičiu per tam tikrą materialią aplinką. Ši terpė elektros krūviams yra elektromagnetinis laukas... Ir plinta greičiu, lygiu šviesos greičiui.
Maksvelo teorija
Sujungus ankstesnių tyrimų rezultatus, Anglų fizikas Jamesas Clerkas Maxwellas 1864 metais sukurta elektromagnetinio lauko teorija... Anot jos, kintantis magnetinis laukas generuoja kintantį elektrinį lauką, o kintamasis – kintamąjį magnetinį lauką. Žinoma, pradžioje vieną iš laukų sukuria krūvių ar srovių šaltinis. Tačiau ateityje šie laukai jau gali egzistuoti nepriklausomai nuo tokių šaltinių, todėl atsiranda vienas kito. Tai yra, elektriniai ir magnetiniai laukai yra vieno elektromagnetinio lauko komponentai... Ir bet koks vieno iš jų pasikeitimas sukelia kito atsiradimą. Ši hipotezė sudaro Maksvelo teorijos pagrindą. Magnetinio lauko sukuriamas elektrinis laukas yra sūkurys. Jo jėgos linijos uždaros.
Ši teorija yra fenomenologinė. Tai reiškia, kad jis buvo sukurtas remiantis prielaidomis ir stebėjimais ir neatsižvelgiama į elektrinių ir magnetinių laukų atsiradimo priežastį.
Elektromagnetinio lauko savybės
Elektromagnetinis laukas yra elektrinio ir magnetinio laukų derinys, todėl kiekviename jo erdvės taške jis apibūdinamas dviem pagrindiniais dydžiais: elektrinio lauko stiprumu. E ir magnetinė indukcija V .
Kadangi elektromagnetinis laukas yra elektrinio lauko pavertimo magnetiniu, o magnetinio lauko elektriniu procesas, jo būsena nuolat kinta. Skleisdamas erdvėje ir laike, formuoja elektromagnetines bangas. Priklausomai nuo dažnio ir ilgio šios bangos skirstomos į radijo bangos, terahercinė spinduliuotė, infraraudonoji spinduliuotė, matoma šviesa, ultravioletinė spinduliuotė, rentgeno ir gama spinduliuotė.
Elektromagnetinio lauko intensyvumo ir indukcijos vektoriai yra vienas kitą statmeni, o plokštuma, kurioje jie yra, statmena bangos sklidimo krypčiai.
Tolimojo veikimo teorijoje elektromagnetinių bangų sklidimo greitis buvo laikomas be galo dideliu. Tačiau Maxwellas įrodė, kad taip nėra. Medžiagoje elektromagnetinės bangos sklinda baigtiniu greičiu, kuris priklauso nuo medžiagos dielektrinio ir magnetinio pralaidumo. Todėl Maksvelo teorija vadinama trumpojo nuotolio veiksmų teorija.
Eksperimentiškai Maksvelo teoriją 1888 metais patvirtino vokiečių fizikas Heinrichas Rudolfas Hercas. Jis įrodė, kad elektromagnetinės bangos egzistuoja. Be to, jis išmatavo elektromagnetinių bangų sklidimo vakuume greitį, kuris pasirodė lygus šviesos greičiui.
Integruota forma šis įstatymas atrodo taip:
Gauso dėsnis magnetiniam laukui
Magnetinės indukcijos srautas per uždarą paviršių lygus nuliui.
Fizinė šio dėsnio prasmė ta, kad gamtoje nėra magnetinių krūvių. Magneto polių negalima atskirti. Magnetinio lauko linijos uždarytos.
Faradėjaus indukcijos dėsnis
Magnetinės indukcijos pasikeitimas sukelia sūkurinio elektrinio lauko atsiradimą.
,
Magnetinio lauko cirkuliacijos teorema
Ši teorema apibūdina magnetinio lauko šaltinius, taip pat pačius jų sukurtus laukus.
Elektros srovė ir elektros indukcijos pasikeitimas sukuria sūkurinį magnetinį lauką.
,
,
E- elektrinio lauko stiprumas;
N- magnetinio lauko stiprumas;
V- magnetinė indukcija. Tai vektorinis dydis, parodantis, kokia jėga magnetinis laukas veikia q vertės krūvį, judantį greičiu v;
D- elektrinė indukcija arba elektrinis poslinkis. Tai vektorinis dydis, lygus intensyvumo vektoriaus ir poliarizacijos vektoriaus sumai. Poliarizaciją sukelia elektros krūvių poslinkis veikiant išoriniam elektriniam laukui, palyginti su jų padėtimi, kai tokio lauko nėra.
Δ - operatorė Nabla. Šio operatoriaus veiksmas konkrečiame lauke vadinamas šio lauko rotoriumi.
Δ x E = puvinys E
ρ - išorinio elektros krūvio tankis;
j- srovės tankis – reikšmė, rodanti srovės, tekančios per ploto vienetą, stiprumą;
Su- šviesos greitis vakuume.
Elektromagnetinio lauko tyrimas yra susijęs su mokslu, vadinamu elektrodinamika... Ji svarsto jo sąveiką su kūnais, turinčiais elektros krūvį. Ši sąveika vadinama elektromagnetinis... Klasikinė elektrodinamika aprašo tik nuolatines elektromagnetinio lauko savybes, naudodama Maksvelo lygtis. Šiuolaikinė kvantinė elektrodinamika mano, kad elektromagnetinis laukas taip pat turi diskrečių (nepertraukiamų) savybių. Ir tokia elektromagnetinė sąveika vyksta nedalomų kvantinių dalelių, kurios neturi masės ir krūvio, pagalba. Elektromagnetinio lauko kvantas vadinamas fotonas .
Mus supantis elektromagnetinis laukas
Aplink bet kurį kintamosios srovės laidininką sukuriamas elektromagnetinis laukas. Elektromagnetinių laukų šaltiniai yra elektros linijos, elektros varikliai, transformatoriai, miesto elektrinis transportas, geležinkelių transportas, elektrinė ir elektroninė buitinė technika – televizoriai, kompiuteriai, šaldytuvai, lygintuvai, dulkių siurbliai, belaidžiai telefonai, mobilieji telefonai, elektrinės skutimosi priemonės – trumpai tariant, viskas. susijusių su elektros energijos vartojimu ar perdavimu. Galingi elektromagnetinių laukų šaltiniai yra televizijos siųstuvai, korinio telefono stočių antenos, radiolokacinės stotys, mikrobangų krosnelės ir tt O kadangi aplink mus yra nemažai tokių įrenginių, elektromagnetiniai laukai supa mus visur. Šie laukai veikia aplinką ir žmones. Tai nereiškia, kad ši įtaka visada yra neigiama. Elektriniai ir magnetiniai laukai aplink žmones egzistavo jau seniai, tačiau jų spinduliuotės galia prieš kelis dešimtmečius buvo šimtus kartų mažesnė už dabartinę.
Iki tam tikro lygio elektromagnetinė spinduliuotė gali būti nekenksminga žmonėms. Taigi medicinoje, naudojant mažo intensyvumo elektromagnetinę spinduliuotę, audiniai gyja, pašalina uždegiminius procesus, turi analgetinį poveikį. UHF aparatai malšina žarnyno ir skrandžio lygiųjų raumenų spazmus, gerina medžiagų apykaitos procesus organizmo ląstelėse, mažina kapiliarų tonusą, mažina kraujospūdį.
Tačiau stiprūs elektromagnetiniai laukai sutrikdo žmogaus širdies ir kraujagyslių, imuninės, endokrininės ir nervų sistemos darbą, gali sukelti nemigą, galvos skausmą, stresą. Pavojus yra tas, kad jų poveikis žmonėms beveik nepastebimas, o pažeidimai atsiranda palaipsniui.
Kaip apsisaugoti nuo mus supančios elektromagnetinės spinduliuotės? Visiškai to padaryti neįmanoma, todėl reikia stengtis sumažinti jo poveikį. Visų pirma, reikia sutvarkyti buitinę techniką taip, kad ji būtų toliau nuo tų vietų, kur dažniausiai būname. Pavyzdžiui, nereikia sėdėti per arti televizoriaus. Juk kuo toliau nuo elektromagnetinio lauko šaltinio, tuo jis silpnesnis. Labai dažnai prietaisą paliekame įjungtą. Bet elektromagnetinis laukas išnyksta tik atjungus įrenginį nuo elektros tinklo.
Žmogaus sveikatą veikia ir natūralūs elektromagnetiniai laukai – kosminė spinduliuotė, Žemės magnetinis laukas.
Faradėjaus lauko linijų koncepcijos kiti mokslininkai ilgą laiką rimtai nežiūrėjo. Faktas yra tas, kad Faradėjus, neturėdamas pakankamai gero matematinio aparato, nepateikė įtikinamų savo išvadų pagrindimo formulių kalba. („Tai buvo protas, kuris niekada neįklimpo į formules“ – apie tai kalbėjo A. Einšteinas).
Genialus matematikas ir fizikas Jamesas Maxwellas gynė Faradėjaus metodą, savo artimo nuotolio ir lauko idėjas, teigdamas, kad Faradėjaus idėjas galima išreikšti įprastų matematinių formulių pavidalu, o šios formulės yra palyginamos su profesionalių matematikų formulėmis.
D. Maksvelas lauko teoriją plėtoja darbuose „Apie fizikines jėgos linijas“ (1861–1865) ir „Dinaminio lauko teorija“ (1864–1865). Pastarajame darbe buvo pateikta garsių lygčių sistema, kuri, pasak Hertzo, yra Maksvelo teorijos esmė.
Ši esmė susivedė į tai, kad kintantis magnetinis laukas ne tik aplinkiniuose kūnuose, bet ir vakuume sukuria sūkurinį elektrinį lauką, kuris savo ruožtu sukelia magnetinio lauko atsiradimą. Taip į fiziką buvo įvesta nauja realybė – elektromagnetinis laukas. Taip prasidėjo naujas fizikos etapas – etapas, kai elektromagnetinis laukas tapo realybe, materialiu sąveikos nešikliu.
Pasaulis buvo pradėtas pristatyti kaip elektrodinaminė sistema, sukurta iš elektriškai įkrautų dalelių, sąveikaujančių per elektromagnetinį lauką.
Maxwello sukurta elektrinių ir magnetinių laukų lygčių sistema susideda iš 4 lygčių, kurios atitinka keturis teiginius:
Analizuodamas savo lygtis Maksvelas priėjo prie išvados, kad elektromagnetinės bangos turi būti, o jų sklidimo greitis turi būti lygus šviesos greičiui. Tai leido daryti išvadą, kad šviesa yra tam tikros elektromagnetinės bangos. Remdamasis savo teorija, Maksvelas numatė elektromagnetinės bangos, taigi ir šviesos, daromo slėgio egzistavimą, kurį 1906 m. eksperimentiškai puikiai įrodė P. N. Lebedevas.
Maksvelo mokslinės kūrybos viršūnė buvo „Traktatas apie elektrą ir magnetizmą“.
Sukūręs elektromagnetinį pasaulio vaizdą, Maxwellas užbaigė klasikinės fizikos pasaulio paveikslą („klasikinės fizikos pabaigos pradžia“). Maksvelo teorija yra Lorenco elektronų teorijos ir A. Einšteino specialiosios reliatyvumo teorijos pirmtakas.
Kiti straipsniai:
Mokslo kilmė, pagrindinės jo raidos kryptys
Mokslo atsiradimo istorija siekia daugybę tūkstančių metų. Pirmieji mokslų elementai atsirado senovės pasaulyje, susiję su socialinės praktikos poreikiais ir buvo grynai praktinio pobūdžio. Apskritai (mokslo istorijos požiūriu) žmonija...
išvadas
Lėtinio pankreatito dažnis bendroje populiacijoje svyruoja nuo 0,16 iki 2,8%. Pankreatito klinikinė įvairovė priklauso nuo kasos nepakankamumo sunkumo, ligos trukmės, atkryčių dažnumo ir žalos dydžio...
Rasinės savybės. Rasinių savybių prisitaikymas
Asmens atskiro rasinio bruožo formavimosi mechanizmas yra biologinis, o atskirų bruožų susijungimo į rasinius kompleksus istorija nurodo socialinį žmogaus gyvenimą. Taigi, Vengrijos gyvenvietės istorija gali paaiškinti ...
