Caracteristici generale ale teoriei lui Maxwell pentru câmpul electromagnetic. curent de polarizare. Teoria lui Maxwell și caracteristicile sale Conceptul teoriei lui Maxwell pentru un câmp electromagnetic

Ministerul Educației al Federației Ruse

Institutul de Inginerie Mecanică din Sankt Petersburg

Referatîn Fizică

pe tema:

„Esența teoriei electromagnetice a lui Maxwell”

Efectuat:

student gr. 2801

Shkeneva Yu.A.

Saint Petersburg

Introducere 3

Câmp electric vortex 6

Curent de polarizare 7

Ecuația lui Maxwell pentru un câmp electromagnetic 9

Referințe 13

Introducere

James Clerk Maxwell s-a născut pe 13 iunie 1831. în Edinburgh, în familia unui avocat - proprietarul unei moșii din Scoția. Băiatul a arătat devreme dragostea pentru tehnologie și dorința de a înțelege lumea din jurul lui. Tatăl său a avut o mare influență asupra lui - o persoană foarte educată, care era profund interesată de problemele științelor naturale și ale tehnologiei. La școală, Maxwell a fost fascinat de geometrie, iar prima sa lucrare științifică, finalizată la vârsta de cincisprezece ani, a fost descoperirea unui mod simplu, dar necunoscut de a desena figuri ovale. Maxwell a primit o educație bună, mai întâi la Edinburgh și apoi la universitățile Cambridge.

În 1856, un tânăr și promițător om de știință a fost invitat să predea ca profesor la un colegiu din orașul scoțian Aberdeen. Aici Maxwell lucrează cu entuziasm la problemele de mecanică teoretică și aplicată, optică, fiziologia vederii culorilor. El rezolvă cu brio ghicitoarea inelelor lui Saturn, demonstrând matematic că acestea sunt formate din particule individuale. Numele omului de știință devine cunoscut, iar acesta este invitat să preia o catedra la King's College din Londra. Perioada londoneze (1860-1865) a fost cea mai fructuoasă din viața unui om de știință. Reia și aduce la bun sfârșit cercetările teoretice în electrodinamică, publică lucrări fundamentale despre teoria cinetică a gazelor.

După ce s-a mutat din Aberdeen, Maxwell și-a continuat cercetările cu o intensitate necruțătoare, acordând o atenție deosebită teoriei cinetice a gazelor. Se spune că soția sa (fosta Katherine Mary Dewar, fiica șefului Colegiului Marischal) a făcut un incendiu în subsolul casei lor din Londra pentru a-i permite lui Maxwell să efectueze experimente cu privire la proprietățile termice ale gazelor din pod. Dar cea mai decisivă și cu siguranță cea mai mare realizare a lui Maxwell a fost crearea teoriei sale electromagnetice.

La începutul secolului al XIX-lea a fost plin de descoperiri interesante. La scurt timp după primirea primilor curenți staționari, Oersted a arătat că curentul care trece prin conductor generează efecte magnetice similare cu cele cauzate de un magnet permanent obișnuit. Prin urmare, s-a presupus că doi conductori cu curent ar trebui să se comporte ca doi magneți, care, după cum știți, pot fie să atragă, fie să respingă. Într-adevăr, experimentele lui Ampère și ale altor cercetători au confirmat prezența forțelor de atracție sau de respingere între doi conductori purtători de curent. Curând a fost posibil să se formuleze legea atracției și respingerii cu aceeași acuratețe cu care Newton a formulat legea atracției gravitaționale între oricare două corpuri materiale.

Apoi Faraday și Henry au descoperit fenomenul remarcabil al inducției electromagnetice și au demonstrat astfel relația strânsă dintre magnetism și electricitate.

Cu toate acestea, era nevoie urgentă de a crea o teorie unificată care să îndeplinească cerințele necesare, care să permită prezicerea dezvoltării fenomenelor electromagnetice în timp și spațiu în cazul cel mai general, în orice condiții experimentale specifice imaginabile.

Este exact ceea ce s-a dovedit a fi teoria electromagnetică a lui Maxwell, formulată de el sub forma unui sistem de mai multe ecuații care descriu întreaga varietate de proprietăți ale câmpurilor electromagnetice folosind două mărimi fizice - intensitatea câmpului electric E și intensitatea câmpului magnetic H. Este remarcabil că aceste ecuații Maxwell, în forma lor finală și până în prezent, rămân piatra de temelie a fizicii, oferind o descriere a fenomenelor electromagnetice observate care corespund realității.

La proiectarea unei linii de înaltă tensiune pentru transportul energiei electrice pe distanțe lungi, ecuațiile lui Maxwell ajută la crearea unui sistem care să asigure un minim de pierderi; atunci când efectuăm experimente fundamentale în laborator pentru a studia proprietățile metalelor într-un câmp electric de înaltă frecvență la temperaturi foarte scăzute, folosim ecuațiile lui Maxwell pentru a determina natura propagării unui câmp electromagnetic în interiorul unui metal; dacă construim un nou radiotelescop capabil să capteze zgomotul electromagnetic al spațiului, atunci când proiectăm antene și ghiduri de undă care transmit energie de la antenă la receptorul radio, folosim invariabil ecuațiile lui Maxwell.

Există o lege conform căreia forța care acționează asupra unei sarcini care se mișcă într-un câmp magnetic este direct proporțională cu produsul dintre mărimea sarcinii și componenta vitezei perpendiculară pe direcția câmpului magnetic; această forță ne este cunoscută drept „forța Lorentz”. Cu toate acestea, cineva o numește „forța Laplace”.

În ceea ce privește ecuațiile lui Maxwell, nu există o astfel de incertitudine; onoarea acestei descoperiri îi aparține numai lui.

Trebuie remarcat faptul că în secolul trecut nu a fost în niciun caz singurul fizician care a încercat să creeze o teorie cuprinzătoare a electromagnetismului; alții, de asemenea, nu fără motiv, bănuiau existența unei legături profunde între lumină și fenomenele electrice.

Principalul merit al lui Maxwell este că el, în felul său, a ajuns la un sistem elegant și simplu de ecuații care descrie toate fenomenele electromagnetice.

Ecuațiile lui Maxwell nu numai că acoperă și descriu toate fenomenele electromagnetice cunoscute de noi; domeniul de aplicare a acestora nu este limitat nici măcar de fenomene electromagnetice imaginabile care apar în condiții locale specifice. Teoria lui Maxwell a prezis un efect complet nou observat într-un spațiu liber de corpuri materiale - radiația electromagnetică. Aceasta este cu siguranță o realizare unică, încununând triumful teoriei lui Maxwell.

Câmp electric vortex

Din legea lui Faraday e i = - d F / dt rezultă că orice modificare a fluxului de inducție magnetică cuplată la circuit duce la apariția unei forțe electromotoare de inducție și, ca urmare, apare un curent de inducție. Prin urmare, apariția emf. inducția electromagnetică este posibilă și într-un circuit fix situat într-un câmp magnetic alternativ. Cu toate acestea, emf. în orice circuit apare numai atunci când forțe externe acționează asupra purtătorilor de curent din acesta - forțe de origine neelectrostatică.

Experiența arată că aceste forțe străine nu sunt asociate nici cu procesele termice, nici cu procesele chimice din circuit; Apariția lor nu poate fi explicată nici de forțele Lorentz, deoarece acestea nu acționează asupra unor acuzații imobile. Maxwell, a emis ipoteza că orice câmp magnetic alternativ excită un câmp electric în spațiul înconjurător, care este cauza curentului de inducție în circuit. După ideile lui Maxwell, circuitul în care apare emf joacă un rol secundar, fiind un fel de unic „dispozitiv” care detectează acest câmp.

Deci, conform lui Maxwell, un câmp magnetic variabil în timp generează un câmp electric E B , a cărui circulație, conform formulei,

E B dl = E Bl dl = - d F/dt (1)

unde, proiecția vectorului E Bl este proiecția vectorului E pe direcția dl ; derivata parțială ¶Ф/¶t ține cont de dependența fluxului de inducție magnetică numai în timp.

Înlocuind expresia Ф = B dS în această formulă (1), obținem

E B dl = - ¶ / ¶ t B dS

Deoarece conturul și suprafața sunt fixe, operațiile de diferențiere și integrare pot fi schimbate. Prin urmare,

E B dl = - ¶ B/ ¶ t dS (2)

Conform E dl \u003d E l dl \u003d 0, circulația vectorului intensității câmpului electrostatic (să-l notăm E Q ) de-a lungul unei bucle închise este zero:

E Q dl = E Ql dl = 0 (3)

Comparând expresiile (1) și (3), observăm că există o diferență fundamentală între câmpurile considerate (E B și E Q ): circulația vectorului E B, spre deosebire de circulația vectorului E Q, nu este egală cu zero. Prin urmare, câmpul electric E B excitat de câmpul magnetic, ca și câmpul magnetic însuși, este vortex.

Curent de polarizare

Potrivit lui Maxwell, dacă orice câmp magnetic alternativ excită un câmp electric vortex în spațiul înconjurător, atunci trebuie să existe și fenomenul opus: orice modificare a câmpului electric trebuie să provoace apariția unui câmp magnetic vortex în spațiul înconjurător. Întrucât câmpul magnetic este întotdeauna asociat cu un curent electric, Maxwell a numit câmpul electric alternativ care excită câmpul magnetic curent de deplasare, spre deosebire de curentul de conducere datorat mișcării ordonate a sarcinilor. Pentru apariția unui curent de deplasare, după Maxwell, este necesară doar existența unui câmp electric alternativ.

Luați în considerare un circuit de curent alternativ care conține un condensator (Fig. 1). Există un câmp electric alternativ între plăcile unui condensator de încărcare și descărcare, prin urmare, potrivit lui Maxwell, curenții de deplasare „curg” prin condensator și în acele zone în care nu există conductori. Prin urmare, deoarece există un câmp electric alternativ (curent de polarizare) între plăcile condensatorului, un câmp magnetic este de asemenea excitat între ele.

Să găsim o relație cantitativă între câmpurile electrice și magnetice în schimbare cauzate de acesta. Potrivit lui Maxwell, un câmp electric alternativ într-un condensator în fiecare moment creează un astfel de câmp magnetic, ca și cum ar exista un curent de conducere între plăcile condensatorului cu o forță care este egală cu puterea curenților din alimentare. fire. Atunci se poate susține că densitățile de curent de conducere (j) și deplasările (j cm) sunt egale: j cm = j.

Densitatea curentului de conducere în apropierea plăcilor condensatorului j = = = ()= d s /dt , s este densitatea de sarcină la suprafață, S este aria plăcilor condensatorului. Prin urmare, j cm = d s /dt (4). Dacă deplasarea electrică în condensator este D, atunci densitatea de sarcină a suprafeței pe plăci este s = D. Ținând cont de acest lucru, expresia (4) poate fi scrisă ca: j cm = ¶ D /¶ t , unde semnul derivatei parțiale indică faptul că câmpul magnetic este determinat doar de viteza de modificare a deplasării electrice în timp.

Deoarece curentul de deplasare apare la orice modificare a câmpului electric, el există nu numai în vid sau dielectrici, ci și în interiorul conductorilor prin care trece curentul alternativ. Cu toate acestea, în acest caz, este neglijabil în comparație cu curentul de conducție. Prezența curenților de deplasare a fost confirmată experimental de fizicianul sovietic A. A. Eikhenvald, care a studiat câmpul magnetic al curentului de polarizare, care face parte din curentul de deplasare.

În cazul general, curenții de conducere și deplasările în spațiu nu sunt separate, sunt în același volum. Prin urmare, Maxwell a introdus conceptul de curent total, care este egal cu suma curenților de conducție (precum și curenții de convecție) și deplasarea. Densitatea totală de curent:

j total = j + ¶ D /¶ t .

Introducând conceptul de curent de deplasare și curent total, Maxwell a adoptat o nouă abordare pentru a lua în considerare închiderea circuitelor de curent alternativ. Curentul total din ele este întotdeauna închis, adică doar curentul de conducere se întrerupe la capetele conductorului, iar în dielectricul (vid) dintre capetele conductorului există un curent de deplasare care închide curentul de conducție.

Maxwell a generalizat teorema asupra circulaţiei vectorului H , introducând în partea dreaptă a acestuia curentul total I total = j total dS , acoperit de o buclă închisă L . Atunci teorema de circulație generalizată pentru vectorul H poate fi scrisă ca:

H dl = (j + ¶ D/ ¶ t) dS (5)

Expresia (5) este întotdeauna adevărată, ceea ce este evidențiat de corespondența completă dintre teorie și experiență.

Ecuația lui Maxwell pentru un câmp electromagnetic

Introducerea conceptului de curent de deplasare de către Maxwell l-a condus la finalizarea teoriei macroscopice unificate a câmpului electromagnetic pe care a creat-o, ceea ce a făcut posibilă dintr-un punct de vedere unitar nu numai explicarea fenomenelor electrice și magnetice, ci și predicția. altele noi, a căror existență a fost ulterior confirmată.

Teoria lui Maxwell se bazează pe cele patru ecuații discutate mai sus:

Câmpul electric poate fi atât potențial (E Q ) cât și vortex (E B ), deci puterea totală a câmpului E = E Q + E B . Deoarece circulația vectorului E Q este egală cu zero, iar circulația vectorului E B este determinată de expresia (2), atunci circulația vectorului intensității câmpului total

E dl = - ¶B/¶t dS.

Această ecuație arată că sursa câmpului electric poate fi nu numai sarcini electrice, ci și câmpuri magnetice care variază în timp.

Teorema de circulație generalizată pentru vectorul H:

H dl = (j + ¶D/¶t) dS.

Această ecuație arată că câmpurile magnetice pot fi excitate fie prin sarcini în mișcare (curenți electrici), fie prin câmpuri electrice alternative.

Teorema lui Gauss pentru un câmp electrostatic într-un dielectric:

Dacă sarcina este distribuită continuu în interiorul unei suprafețe închise cu densitate în vrac ρ, atunci formula (6) se va scrie ca:

D dS = ρ dV.

Teorema lui Gauss pentru câmpul B:

B dS = 0.

Deci, sistemul complet de ecuații lui Maxwell în formă integrală:

E dl = - ¶ B/ ¶ t dS; D dS = ρ dV;

H dl = (j + ¶D/¶t) dS; B dS = 0.

Mărimile incluse în ecuațiile lui Maxwell nu sunt independente și există următoarea relație între ele:

B = m0 mH;

J = g E;

unde e 0 și m 0 sunt constantele electrice și, respectiv, magnetice, e și m sunt permeabilitățile dielectrice și respectiv magnetice, g este conductivitatea specifică a substanței.

Din ecuația Maxwell rezultă că sursele unui câmp electric pot fi fie sarcini electrice, fie câmpuri magnetice care variază în timp, iar câmpurile magnetice pot fi excitate fie prin sarcini electrice în mișcare (curenți electrici), fie prin câmpuri electrice alternative. Ecuațiile lui Maxwell nu sunt simetrice în raport cu câmpurile electrice și magnetice. Acest lucru se datorează faptului că în natură există sarcini electrice, dar nu există sarcini magnetice.

Pentru câmpurile staționare (E = const și B = const ) ecuațiile lui Maxwell iau forma:

E dl = 0; D dS = Q;

H dl = I; B dS = 0.

În acest caz, câmpurile electrice și magnetice sunt independente unul de celălalt, ceea ce face posibilă studierea separată a câmpurilor electrice și magnetice constante.

Folosind teoremele Stokes și Gauss cunoscute din analiza vectorială:

A dl = putregaiul A dS;

A dS = div A dV,

este posibil să se reprezinte sistemul complet de ecuații lui Maxwell sub formă diferențială:

rot E = - ¶ B/ ¶ t; div D = p;

rot H = j + ¶ D/ ¶ t; div B = 0.

Dacă sarcinile și curenții sunt distribuiti continuu în spațiu, atunci ambele forme ale ecuațiilor lui Maxwell - integrale și diferențiale - sunt echivalente. Totuși, când există suprafețe de discontinuitate - suprafețe pe care proprietățile mediului sau câmpurilor se modifică brusc, atunci forma integrală a ecuațiilor este mai generală.

Ecuațiile lui Maxwell sunt cele mai generale ecuații pentru câmpurile electrice și magnetice din medii în repaus. Ei joacă același rol în teoria electromagnetismului ca legile lui Newton în mecanică. Din ecuațiile lui Maxwell rezultă că un câmp magnetic alternativ este întotdeauna asociat cu câmpul electric generat de acesta, iar un câmp electric alternativ este întotdeauna asociat cu câmpul magnetic generat de acesta, adică câmpurile electrice și magnetice sunt indisolubil legate între ele - ele formează un singur câmp electromagnetic.

Teoria lui Maxwell este macroscopică, deoarece ia în considerare câmpurile electrice și magnetice create de sarcini și curenți macroscopici. Prin urmare, această teorie nu a putut dezvălui mecanismul intern al fenomenelor care apar în mediu și conduc la apariția câmpurilor electrice și magnetice. O dezvoltare ulterioară a teoriei lui Maxwell a câmpului electromagnetic a fost teoria electronică a lui Lorentz, iar teoria Maxwell-Lorentz a fost dezvoltată în continuare în fizica cuantică.

Teoria lui Maxwell, fiind o generalizare a legilor de bază ale fenomenelor electrice și magnetice, a fost capabilă să explice nu numai fapte experimentale deja cunoscute, ceea ce este și o consecință importantă a acesteia, ci și a prezis fenomene noi. Una dintre concluziile importante ale acestei teorii a fost existența unui câmp magnetic de curenți de deplasare, existența undelor electromagnetice - un câmp electromagnetic alternativ care se propagă în spațiu cu o viteză finită. Ulterior s-a dovedit că viteza de propagare a unui câmp electromagnetic liber (neconectat prin curenți) în vid este egală cu viteza luminii c = 3 · 10 8 m/s. Această concluzie și studiul teoretic al proprietăților undelor electromagnetice l-au determinat pe Maxwell să creeze teoria electromagnetică a luminii, conform căreia lumina este și unde electromagnetice. Undele electromagnetice au fost obţinute experimental de G. Hertz (1857 - 1894), care a demonstrat că legile excitaţiei şi propagării lor sunt complet descrise de ecuaţiile lui Maxwell. Astfel, teoria lui Maxwell a primit o strălucită confirmare experimentală.

Mai târziu, A. Einstein a stabilit că principiul relativității lui Galileo pentru fenomenele mecanice se extinde la toate celelalte fenomene fizice.

Conform principiului relativității lui Einstein, fenomenele mecanice, optice și electromagnetice se desfășoară în același mod în toate cadrele de referință inerțiale, i.e. descrise prin aceleași ecuații. Din acest principiu rezultă că o luare în considerare separată a câmpurilor electrice și magnetice are un sens relativ. Deci, dacă câmpul electric este creat de un sistem de sarcini fixe, atunci aceste sarcini, fiind fixe față de un cadru de referință inerțial, se deplasează față de altul și, prin urmare, vor genera nu numai un câmp electric, ci și un câmp magnetic. . În mod similar, un conductor cu curent continuu, care este nemișcat în raport cu un cadru de referință inerțial, excitând un câmp magnetic constant în fiecare punct al spațiului, se mișcă în raport cu alte cadre inerțiale, iar câmpul magnetic alternativ creat de acesta excită un vortex electric. camp.

Astfel, teoria lui Maxwell, confirmarea sa experimentală, precum și principiul relativității lui Einstein conduc la o teorie unificată a fenomenelor electrice, magnetice și optice bazată pe ideea unui câmp electromagnetic.

Bibliografie

P. S. Kudryavtsev. „Maxwell”, M., 1976

D. McDonald. „Faraday”, Maxwell și Kelvin”, M., 1967

T. I. Trofimova. „Curs de fizică”, M., 1983

G.M. Golin, S.R. Filonovici. Clasici ale științelor fizice. "Facultate". M., 1989.

Conceptul de linii de forță propus de Faraday nu a fost luat în serios de alți oameni de știință multă vreme. Cert este că Faraday, necunoscând suficient de bine aparatul matematic, nu a dat o justificare convingătoare concluziilor sale în limbajul formulelor. („A fost o minte care nu s-a blocat niciodată în formule”, a spus A. Einstein despre asta).

Genialul matematician și fizician James Maxwell apără metoda lui Faraday, ideea sa de acțiune și câmp pe distanță scurtă, susținând că ideile lui Faraday pot fi exprimate sub forma unor formule matematice obișnuite, iar aceste formule sunt comparabile cu cele ale matematicienilor profesioniști.

D. Maxwell dezvoltă teoria câmpului în lucrările sale „On the physical lines of force” (1861-1865) și „Dynamic field theory (1864-1865). În ultima lucrare a fost dat un sistem de ecuații celebre, care (după Hertz) constituie esența teoriei lui Maxwell.

Esența asta era astaun câmp magnetic în schimbare creează nu numai în corpurile înconjurătoare, ci și în vid un câmp electric vortex, care, la rândul său, provoacă apariția unui câmp magnetic. Astfel, în fizică a fost introdusă o nouă realitate - câmpul electromagnetic. Aceasta a marcat începutul unei noi etape în fizică - etapa în care câmpul electromagnetic a devenit realitate, purtător material al interacțiunii.

Lumea a început să apară ca un sistem electrodinamic construit din particule încărcate electric care interacționează printr-un câmp electromagnetic. (Într-adevăr, reamintim că în MCM a dominat principiul acțiunii pe distanță lungă, conform căruia acțiunea diferitelor tipuri de forțe se transmite instantaneu, fără participarea mediului.)

Sistemul de ecuații pentru câmpurile electrice și magnetice, dezvoltat de Maxwell, este format din 4 ecuații, care sunt echivalente cu 4 afirmații.

Analizând ecuațiile sale, Maxwell a ajuns la concluzia că undele electromagnetice trebuie să existe, iar viteza de propagare a acestora trebuie să fie egală cu viteza luminii. De aici concluzia: lumina este un fel de unde electromagnetice. Pe baza teoriei sale, Maxwell a prezis existența presiunii exercitate de o undă electromagnetică și, în consecință, de lumină, ceea ce a fost demonstrat cu brio experimental în 1906 de către P.N. Lebedev.

Punctul culminant al lucrării științifice a lui Maxwell a fost Tratatul de electricitate și magnetism.

Dezvoltarea reprezentărilor corpuscular-continuum în lucrările lui Maxwell. Dezvoltând teoria câmpului electromagnetic, Maxwell nu a respins caracterul discret al materiei. El a scris: „Chiar și un atom, atunci când îi atribuim capacitatea de a se roti, poate fi reprezentat ca fiind format din multe particule elementare”. Acest lucru a fost spus în 1873 cu mult înainte de descoperirea electronului. Astfel, Maxwell nu a dat preferință nici discretității, nici continuității materiei, permițând posibilitatea ambelor.

După ce a dezvoltat EMCM, Maxwell a completat imaginea lumii fizicii clasice („începutul sfârșitului fizicii clasice”). Teoria lui Maxwell este precursorul teoriei electronice a lui Lorentz și al teoriei relativității speciale a lui A. Einstein.

Înapoi la începutul documentului

Subiect: inducția electromagnetică

Lecția: Electromagneticăcamp.TeorieMaxwell

Luați în considerare diagrama de mai sus și cazul când este conectată o sursă de curent continuu (Fig. 1).

Orez. 1. Schema

Elementele principale ale circuitului includ un bec, un conductor obișnuit, un condensator - atunci când circuitul este închis, pe plăcile condensatorului apare o tensiune egală cu tensiunea de la bornele sursei.

Un condensator este format din două plăci metalice paralele cu un dielectric între ele. Când se aplică o diferență de potențial plăcilor condensatorului, acestea sunt încărcate și în interiorul dielectricului apare un câmp electrostatic. În acest caz, nu poate exista curent în interiorul dielectricului la tensiuni joase.

Când înlocuiți curentul continuu cu curent alternativ, proprietățile dielectricilor din condensator nu se schimbă și practic nu există încă încărcături gratuite în dielectric, dar observăm că becul este aprins. Apare întrebarea: ce se întâmplă? Maxwell a numit curentul care apare în acest caz curent de deplasare.

Știm că atunci când un circuit purtător de curent este plasat într-un câmp magnetic alternativ, în el apare un EMF de inducție. Acest lucru se datorează faptului că apare un câmp electric vortex.

Dar ce se întâmplă dacă apare o imagine similară când câmpul electric se modifică?

Ipoteza lui Maxwell: câmpul electric care variază în timp determină apariția unui câmp magnetic vortex.

Conform acestei ipoteze, câmpul magnetic după închiderea circuitului se formează nu numai datorită fluxului de curent în conductor, ci și datorită prezenței unui câmp electric alternativ între plăcile condensatorului. Acest câmp electric alternativ generează un câmp magnetic în aceeași zonă dintre plăcile condensatorului. Mai mult, acest câmp magnetic este exact același, ca și cum un curent curgea între plăcile condensatorului, egal cu curentul din restul circuitului. Teoria se bazează pe patru ecuații Maxwell, din care rezultă că modificarea câmpurilor electrice și magnetice în spațiu și timp are loc într-o manieră consistentă. Astfel, câmpurile electrice și magnetice formează un singur întreg. Undele electromagnetice se propagă în spațiu sub formă de unde transversale cu o viteză finită.

Relația indicată dintre un câmp magnetic alternativ și un câmp electric alternativ sugerează că acestea nu pot exista separat unul de celălalt. Se pune întrebarea: această afirmație se aplică câmpurilor statice (electrostatice, create de sarcini constante și magnetostatice, create de curenți continui)? Această relație există și pentru câmpurile statice. Dar este important să înțelegem că aceste câmpuri pot exista în raport cu un anumit cadru de referință.

O sarcină în repaus creează un câmp electrostatic în spațiu (Fig. 2) în raport cu un anumit cadru de referință. Față de alte sisteme de referință, se poate mișca și, prin urmare, în aceste sisteme aceeași sarcină va crea un câmp magnetic.

Câmp electromagnetic- aceasta este o formă specială a existenței materiei, care este creată de corpuri încărcate și se manifestă prin acțiunea asupra corpurilor încărcate. În timpul acestei acțiuni, starea lor energetică se poate schimba, prin urmare, câmpul electromagnetic are energie.

1. Studiul fenomenelor de inducție electromagnetică duce la concluzia că un câmp magnetic alternant generează un câmp electric vortex în jurul său.

2. Analizând trecerea curentului alternativ prin circuite ce conţin dielectrice, Maxwell a ajuns la concluzia că un câmp electric alternativ poate genera un câmp magnetic datorită curentului de deplasare.

3. Câmpurile electrice și magnetice sunt componente ale unui singur câmp electromagnetic care se propagă în spațiu sub formă de unde transversale cu o viteză finită.

Bukhovtsev B.B., Myakishev G.Ya., Charugin V.M. Fizica Clasa 11: Manual. pentru învăţământul general instituţiilor. - Ed. a XVII-a, Convertit. si suplimentare - M.: Educație, 2008.
Gendenstein L.E., Dick Yu.I., Fizica 11. - M .: Mnemosyne.
Tikhomirova S.A., Yarovsky B.M., Fizica 11. - M.: Mnemosyne.

Znate.ru ().
Cuvântul ().
Fizică().

Ce câmp electric se formează când câmpul magnetic se modifică?
Ce curent provoacă strălucirea unui bec într-un circuit de curent alternativ cu un condensator?
Care dintre ecuațiile lui Maxwell indică dependența inducției magnetice de curentul de conducție și deplasare?

Detalii Categorie: Electricitate si magnetism Postat pe 05.06.2015 20:46 Vizualizari: 13220

Câmpurile electrice și magnetice variabile în anumite condiții pot da naștere reciproc. Ele formează un câmp electromagnetic, care nu este deloc totalitatea lor. Acesta este un întreg unic în care aceste două câmpuri nu pot exista unul fără celălalt.

Din istorie

Experimentul omului de știință danez Hans Christian Oersted, realizat în 1821, a arătat că un curent electric generează un câmp magnetic. La rândul său, un câmp magnetic în schimbare este capabil să genereze un curent electric. Acest lucru a fost dovedit de fizicianul englez Michael Faraday, care a descoperit fenomenul inducției electromagnetice în 1831. El este și autorul termenului „câmp electromagnetic”.

În acele zile, conceptul lui Newton de acțiune pe distanță lungă a fost acceptat în fizică. Se credea că toate corpurile acționează unul asupra celuilalt prin vid cu o viteză infinit de mare (aproape instantanee) și la orice distanță. S-a presupus că sarcinile electrice interacționează într-un mod similar. Faraday, pe de altă parte, credea că vidul nu există în natură, iar interacțiunea are loc cu o viteză finită printr-un anumit mediu material. Acest mediu pentru sarcini electrice este câmp electromagnetic. Și se propagă cu o viteză egală cu viteza luminii.

teoria lui Maxwell

Combinând rezultatele studiilor anterioare, Fizicianul englez James Clerk Maxwellîn 1864 creat teoria câmpului electromagnetic. Potrivit acestuia, un câmp magnetic în schimbare generează un câmp electric în schimbare, iar un câmp electric alternativ generează un câmp magnetic alternativ. Desigur, la început unul dintre câmpuri este creat de o sursă de sarcini sau curenți. Dar în viitor, aceste câmpuri pot exista deja independent de astfel de surse, provocând apariția reciprocă. Acesta este, câmpurile electrice și magnetice sunt componente ale unui singur câmp electromagnetic. Și fiecare schimbare a unuia dintre ele provoacă apariția altuia. Această ipoteză stă la baza teoriei lui Maxwell. Câmpul electric generat de câmpul magnetic este vortex. Liniile lui de forță sunt închise.

Această teorie este fenomenologică. Aceasta înseamnă că se bazează pe ipoteze și observații și nu ia în considerare cauza care provoacă apariția câmpurilor electrice și magnetice.

Proprietățile câmpului electromagnetic

Câmpul electromagnetic este o combinație de câmpuri electrice și magnetice, prin urmare, în fiecare punct din spațiul său, este descris prin două marimi principale: puterea câmpului electric E și inducerea câmpului magnetic ÎN .

Deoarece câmpul electromagnetic este un proces de transformare a unui câmp electric într-un câmp magnetic și apoi a unui câmp magnetic într-unul electric, starea lui se schimbă constant. Răspândindu-se în spațiu și timp, formează unde electromagnetice. În funcție de frecvență și lungime, aceste unde sunt împărțite în unde radio, radiații terahertzi, radiații infraroșii, lumină vizibilă, radiații ultraviolete, raze X și radiații gamma.

Vectorii de intensitate și de inducție ai câmpului electromagnetic sunt reciproc perpendiculari, iar planul în care se află este perpendicular pe direcția de propagare a undei.

În teoria acțiunii la distanță lungă, viteza de propagare a undelor electromagnetice a fost considerată a fi infinit de mare. Cu toate acestea, Maxwell a demonstrat că nu a fost cazul. Într-o substanță, undele electromagnetice se propagă cu o viteză finită, care depinde de permeabilitatea dielectrică și magnetică a substanței. Prin urmare, teoria lui Maxwell se numește teoria cu rază scurtă.

Teoria lui Maxwell a fost confirmată experimental în 1888 de către fizicianul german Heinrich Rudolf Hertz. El a demonstrat că undele electromagnetice există. Mai mult, el a măsurat viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid, care s-a dovedit a fi egală cu viteza luminii.

În formă integrală, această lege arată astfel:

Legea lui Gauss pentru un câmp magnetic

Fluxul inducției magnetice printr-o suprafață închisă este zero.

Sensul fizic al acestei legi este că nu există sarcini magnetice în natură. Polii unui magnet nu pot fi separați. Liniile de forță ale câmpului magnetic sunt închise.

Legea inducției lui Faraday

O modificare a inducției magnetice determină apariția unui câmp electric vortex.

Teorema circulației câmpului magnetic

Această teoremă descrie sursele câmpului magnetic, precum și câmpurile în sine create de acestea.

Curentul electric și schimbarea inducției electrice generează un câmp magnetic vortex.

E este intensitatea câmpului electric;

H este puterea câmpului magnetic;

ÎN- inductie magnetica. Aceasta este o mărime vectorială care arată cât de puternic acționează câmpul magnetic asupra unei sarcini a lui q care se mișcă cu viteza v;

D- inducție electrică, sau deplasare electrică. Este o mărime vectorială egală cu suma vectorului intensitate și a vectorului de polarizare. Polarizarea este cauzată de deplasarea sarcinilor electrice sub acțiunea unui câmp electric extern față de poziția lor atunci când un astfel de câmp este absent.

Δ este operatorul Nabla. Acțiunea acestui operator asupra unui anumit câmp se numește rotorul acestui câmp.

Δ x E = putregaiul E

ρ - densitatea sarcinii electrice externe;

j- densitatea curentului - o valoare care arată puterea curentului care curge printr-o unitate de suprafață;

Cu este viteza luminii în vid.

Știința care studiază câmpul electromagnetic se numește electrodinamică. Ea ia în considerare interacțiunea sa cu corpurile care au o sarcină electrică. O astfel de interacțiune se numește electromagnetic. Electrodinamica clasică descrie numai proprietățile continue ale unui câmp electromagnetic folosind ecuațiile lui Maxwell. Electrodinamica cuantică modernă consideră că câmpul electromagnetic are și proprietăți discrete (discontinue). Și o astfel de interacțiune electromagnetică are loc cu ajutorul particulelor-cuante indivizibile care nu au masă și sarcină. Cuantumul câmpului electromagnetic se numește foton .

Câmpul electromagnetic din jurul nostru

În jurul oricărui conductor cu curent alternativ se formează un câmp electromagnetic. Sursele câmpurilor electromagnetice sunt liniile electrice, motoarele electrice, transformatoarele, transportul electric urban, transportul feroviar, aparatele electrocasnice și electronice - televizoare, calculatoare, frigidere, fiare de călcat, aspiratoare, telefoane fără fir, telefoane mobile, aparate de ras electric - într-un cuvânt , tot ce ține de consumul sau transportul de energie electrică. Sursele puternice de câmpuri electromagnetice sunt transmițătoarele de televiziune, antenele stațiilor de telefonie celulară, stațiile radar, cuptoarele cu microunde etc. Și deoarece există destul de multe astfel de dispozitive în jurul nostru, câmpurile electromagnetice ne înconjoară peste tot. Aceste câmpuri afectează mediul și oamenii. Nu se poate spune că această influență este întotdeauna negativă. Câmpurile electrice și magnetice au existat în jurul unei persoane de mult timp, dar puterea radiației acestora cu câteva decenii în urmă a fost de sute de ori mai mică decât în prezent.

Până la un anumit nivel, radiațiile electromagnetice pot fi sigure pentru oameni. Deci, în medicină, cu ajutorul radiațiilor electromagnetice de intensitate scăzută, țesuturile se vindecă, elimină procesele inflamatorii și au un efect analgezic. Dispozitivele UHF ameliorează spasmele mușchilor netezi ai intestinelor și stomacului, îmbunătățesc procesele metabolice din celulele corpului, reducând tonusul capilarelor și scad tensiunea arterială.

Dar câmpurile electromagnetice puternice provoacă defecțiuni în funcționarea sistemului cardiovascular, imunitar, endocrin și nervos ale unei persoane, pot provoca insomnie, dureri de cap și stres. Pericolul este că impactul lor este aproape imperceptibil pentru oameni, iar încălcările apar treptat.

Cum ne putem proteja de radiațiile electromagnetice din jurul nostru? Este imposibil să faceți acest lucru complet, așa că trebuie să încercați să minimizați impactul acestuia. În primul rând, trebuie să aranjați electrocasnicele în așa fel încât să fie departe de acele locuri în care ne aflăm cel mai des. De exemplu, nu stați prea aproape de televizor. La urma urmei, cu cât distanța de la sursa câmpului electromagnetic este mai mare, cu atât devine mai slabă. De foarte multe ori lăsăm dispozitivul conectat. Dar câmpul electromagnetic dispare doar atunci când dispozitivul este deconectat de la rețea.

Sănătatea umană este afectată și de câmpurile electromagnetice naturale - radiația cosmică, câmpul magnetic al Pământului.

Genialul matematician și fizician James Maxwell apără metoda lui Faraday, ideile sale de acțiune și câmp cu rază scurtă de acțiune, argumentând că ideile lui Faraday pot fi exprimate sub forma unor formule matematice obișnuite, iar aceste formule sunt comparabile cu cele ale matematicienilor profesioniști.

D. Maxwell dezvoltă teoria câmpului în lucrările sale „On the physical lines of force” (1861-1865) și „Dynamic field theory” (1864-1865). În ultima lucrare a fost dat un sistem de ecuații celebre, care, după G. Hertz, constituie esența teoriei lui Maxwell.

Această esență s-a rezumat la faptul că un câmp magnetic în schimbare creează nu numai în corpurile înconjurătoare, ci și în vid un câmp electric vortex, care, la rândul său, provoacă apariția unui câmp magnetic. Astfel, în fizică a fost introdusă o nouă realitate - câmpul electromagnetic. Aceasta a marcat începutul unei noi etape în fizică, etapa în care câmpul electromagnetic a devenit realitate, un purtător material de interacțiune.

Lumea a început să apară ca un sistem electrodinamic construit din particule încărcate electric care interacționează printr-un câmp electromagnetic.

Sistemul de ecuații pentru câmpurile electrice și magnetice dezvoltat de Maxwell este format din 4 ecuații, care sunt echivalente cu patru afirmații:

Analizând ecuațiile sale, Maxwell a ajuns la concluzia că undele electromagnetice trebuie să existe, iar viteza de propagare a acestora trebuie să fie egală cu viteza luminii. Acest lucru a condus la concluzia că lumina este un fel de unde electromagnetice. Pe baza teoriei sale, Maxwell a prezis existența presiunii exercitate de o undă electromagnetică și, în consecință, de lumină, ceea ce a fost demonstrat cu brio experimental în 1906 de către P.N. Lebedev.

Punctul culminant al lucrării științifice a lui Maxwell a fost Tratatul de electricitate și magnetism.

După ce a dezvoltat imaginea electromagnetică a lumii, Maxwell a completat tabloul lumii fizicii clasice („începutul sfârșitului fizicii clasice”). Teoria lui Maxwell este precursorul teoriei electronice a lui Lorentz și al teoriei relativității speciale a lui A. Einstein.

Alte articole:

Originea științei, principalele tendințe în dezvoltarea ei
Istoria originii științei datează de multe mii de ani. Primele elemente ale științelor au apărut în lumea antică în legătură cu nevoile practicii sociale și au fost de natură pur practică. În total (din punct de vedere al istoriei științei) uman...

concluzii
Frecvența pancreatitei cronice în populația generală variază de la 0,16 la 2,8%. Diversitatea clinică a pancreatitei depinde de severitatea insuficienței pancreatice, de durata bolii, de frecvența recăderilor și de cantitatea de afectare ...

Semne rasiale. Adaptabilitatea trăsăturilor rasiale
Mecanismul de formare a unei trăsături rasiale separate a unei persoane este biologic, în timp ce istoria combinării trăsăturilor individuale în complexe rasiale se referă la viața socială a unei persoane. Deci, istoria așezării Ungariei poate explica...