Ministerstvo školstva Ruskej federácie
Inštitút strojného inžinierstva v Petrohrade
Referatvo fyzike
k téme:
"Podstata Maxwellovej elektromagnetickej teórie"
Vykonané:
študent gr. 2801
Shkeneva Yu.A.
St. Petersburg
Úvod 3
Vírivé elektrické pole 6
Predpätý prúd 7
Maxwellova rovnica pre elektromagnetické pole 9
Referencie 13
Úvod
James Clerk Maxwell sa narodil 13. júna 1831. v Edinburghu, v rodine právnika – majiteľa panstva v Škótsku. Chlapec prejavil lásku k technológii a túžbu pochopiť svet okolo seba. Veľký vplyv na neho mal jeho otec – vysoko vzdelaný človek, ktorý sa hlboko zaujímal o problémy prírodných vied a techniky. V škole bol Maxwell fascinovaný geometriou a jeho prvou vedeckou prácou, ktorú dokončil v pätnástich rokoch, bol objav jednoduchého, no neznámeho spôsobu kreslenia oválnych postáv. Maxwell získal dobré vzdelanie najskôr na univerzitách v Edinburghu a potom na univerzitách v Cambridge.
V roku 1856 bol pozvaný mladý, nádejný vedec, aby vyučoval ako profesor na vysokej škole v škótskom meste Aberdeen. Maxwell tu s nadšením pracuje na problémoch teoretickej a aplikovanej mechaniky, optiky, fyziológie farebného videnia. Bravúrne vyrieši hádanku Saturnových prstencov tým, že matematicky dokáže, že sú tvorené z jednotlivých častíc. Meno vedca sa stáva známym a je pozvaný, aby zaujal stoličku na King's College v Londýne. Londýnske obdobie (1860-1865) bolo v živote vedca najplodnejšie. Obnovuje a dokončuje teoretický výskum v elektrodynamike, publikuje základné práce o kinetickej teórii plynov.
Po presťahovaní z Aberdeenu pokračoval Maxwell vo svojom výskume s neutíchajúcou intenzitou, pričom venoval osobitnú pozornosť kinetickej teórii plynov. Hovorí sa, že jeho manželka (bývalá Katherine Mary Dewar, dcéra riaditeľa Marischal College) zapálila v pivnici ich londýnskeho domu, aby Maxwellovi umožnila vykonávať experimenty s tepelnými vlastnosťami plynov v podkroví. Ale rozhodujúcim a určite najväčším Maxwellovým úspechom bolo vytvorenie jeho elektromagnetickej teórie.
Začiatok devätnásteho storočia bol plný vzrušujúcich objavov. Krátko po prijatí prvých stacionárnych prúdov Oersted ukázal, že prúd pretekajúci vodičom vytvára magnetické efekty podobné tým, ktoré spôsobuje obyčajný permanentný magnet. Preto sa predpokladalo, že dva vodiče s prúdom by sa mali správať ako dva magnety, ktoré, ako viete, sa môžu priťahovať alebo odpudzovať. Experimenty Ampera a ďalších výskumníkov skutočne potvrdili prítomnosť príťažlivých alebo odpudivých síl medzi dvoma vodičmi s prúdom. Čoskoro bolo možné sformulovať zákon príťažlivosti a odpudivosti s rovnakou presnosťou, s akou Newton formuloval zákon gravitačnej príťažlivosti medzi akýmikoľvek dvoma hmotnými telesami.
Potom Faraday a Henry objavili pozoruhodný fenomén elektromagnetickej indukcie a tak demonštrovali úzky vzťah medzi magnetizmom a elektrinou.
Vznikla však naliehavá potreba vytvoriť jednotnú teóriu, ktorá by spĺňala potrebné požiadavky, ktorá by umožnila predpovedať vývoj elektromagnetických javov v čase a priestore v najvšeobecnejšom prípade za akýchkoľvek mysliteľných špecifických experimentálnych podmienok.
Presne taká bola Maxwellova elektromagnetická teória, ktorú sformuloval vo forme sústavy niekoľkých rovníc, ktoré pomocou dvoch fyzikálnych veličín opisujú celú škálu vlastností elektromagnetických polí – intenzitu elektrického poľa E a intenzitu magnetického poľa H. Je pozoruhodné, že tieto Maxwellove rovnice vo svojej konečnej podobe a dodnes zostávajú základným kameňom fyziky, poskytujúcim popis pozorovaných elektromagnetických javov zodpovedajúci realite.
Pri navrhovaní vysokonapäťového vedenia na prenos elektriny na veľké vzdialenosti pomáhajú Maxwellove rovnice vytvoriť systém, ktorý zaisťuje minimálne straty; pri uskutočňovaní základných experimentov v laboratóriu na štúdium vlastností kovov vo vysokofrekvenčnom elektrickom poli pri veľmi nízkych teplotách používame Maxwellove rovnice na určenie charakteru šírenia elektromagnetického poľa vo vnútri kovu; ak staviame nový rádioteleskop schopný zachytiť elektromagnetický šum vesmíru, potom pri navrhovaní antén a vlnovodov, ktoré prenášajú energiu z antény do rádiového prijímača, vždy používame Maxwellove rovnice.
Existuje zákon, podľa ktorého sila pôsobiaca na náboj pohybujúci sa v magnetickom poli je priamo úmerná súčinu veľkosti náboja a zložky rýchlosti kolmej na smer magnetického poľa; táto sila je nám známa ako "Lorentzova sila". Niekto to však nazýva „Laplaceova sila“.
Pokiaľ ide o Maxwellove rovnice, takáto neistota neexistuje, česť tomuto objavu patrí jedine jemu.
Treba poznamenať, že v minulom storočí nebol ani zďaleka jediným fyzikom, ktorý sa pokúsil vytvoriť komplexnú teóriu elektromagnetizmu, iní tiež, nie bezdôvodne, predpokladali existenciu hlbokého spojenia medzi svetlom a elektrickými javmi.
Hlavnou zásluhou Maxwella je, že svojim spôsobom dospel k elegantnému a jednoduchému systému rovníc, ktorý popisuje všetky elektromagnetické javy.
Maxwellove rovnice nielen pokrývajú a opisujú všetky nám známe elektromagnetické javy; rozsah ich aplikácie nie je obmedzený ani akýmikoľvek mysliteľnými elektromagnetickými javmi vyskytujúcimi sa v špecifických miestnych podmienkach. Maxwellova teória predpovedala úplne nový efekt pozorovaný v priestore bez hmotných telies – elektromagnetické žiarenie. Toto je určite jedinečný úspech, ktorý korunuje triumf Maxwellovej teórie.
Vírivé elektrické pole
Z Faradayovho zákona e i = - d F / dt vyplýva, že akákoľvek zmena toku magnetickej indukcie viazanej na obvod vedie k vzniku elektromotorickej sily indukcie a v dôsledku toho sa objaví indukčný prúd. Preto výskyt emf. elektromagnetická indukcia je možná aj v pevnom obvode umiestnenom v striedavom magnetickom poli. Avšak emf. v akomkoľvek obvode nastáva len vtedy, keď na nosiče prúdu v ňom pôsobia vonkajšie sily - sily neelektrostatického pôvodu.
Skúsenosti ukazujú, že tieto vonkajšie sily nie sú spojené s tepelnými ani chemickými procesmi v okruhu; ich výskyt tiež nie je možné vysvetliť Lorentzovými silami, keďže nepôsobia na nepohyblivé nálože. Maxwell, predpokladal, že akékoľvek striedavé magnetické pole vybudí v okolitom priestore elektrické pole, ktoré je príčinou indukčného prúdu v obvode. Podľa Maxwellových predstáv obvod, v ktorom sa emf objavuje, hrá sekundárnu úlohu, keďže je akýmsi jediným „zariadením“, ktoré toto pole deteguje.
Takže podľa Maxwella generuje časovo premenné magnetické pole elektrické pole E B, ktorého cirkulácia podľa vzorca
E B dl = E Bl dl = - d F/dt (1)
kde priemet vektora E Bl je priemet vektora E do smeru dl; parciálna derivácia ¶Ф/¶t zohľadňuje závislosť magnetického indukčného toku len od času.
Dosadením výrazu Ф = B dS do tohto vzorca (1) dostaneme
E B dl = - ¶ / ¶ t B dS
Keďže obrys a povrch sú pevné, operácie diferenciácie a integrácie môžu byť zamenené. v dôsledku toho
E B dl = - ¶ B / ¶ t dS (2)
Podľa E dl \u003d E l dl \u003d 0 je cirkulácia vektora intenzity elektrostatického poľa (označme ho EQ) pozdĺž uzavretej slučky nula:
E Q dl = E Ql dl = 0 (3)
Pri porovnaní výrazov (1) a (3) vidíme, že medzi uvažovanými poľami (E B a E Q ) je zásadný rozdiel: cirkulácia vektora E B sa na rozdiel od cirkulácie vektora E Q nerovná nule. Preto je elektrické pole E B excitované magnetickým poľom, podobne ako samotné magnetické pole, vírové.
Predpätý prúd
Podľa Maxwella, ak akékoľvek striedavé magnetické pole vybudí vírivé elektrické pole v okolitom priestore, potom musí existovať aj opačný jav: akákoľvek zmena elektrického poľa musí spôsobiť výskyt vírivého magnetického poľa v okolitom priestore. Keďže magnetické pole je vždy spojené s elektrickým prúdom, Maxwell nazval striedavé elektrické pole, ktoré budí magnetické pole, posuvný prúd, na rozdiel od vodivého prúdu v dôsledku usporiadaného pohybu nábojov. Pre vznik posuvného prúdu je podľa Maxwella nevyhnutná len existencia striedavého elektrického poľa.
Uvažujme striedavý obvod obsahujúci kondenzátor (obr. 1). Medzi doskami nabíjacieho a vybíjacieho kondenzátora je striedavé elektrické pole, preto podľa Maxwella „tečú“ výtlačné prúdy cez kondenzátor a v tých oblastiach, kde nie sú žiadne vodiče. Pretože medzi doskami kondenzátora existuje striedavé elektrické pole (predpätý prúd), medzi doskami kondenzátora je tiež excitované magnetické pole.
Nájdite kvantitatívny vzťah medzi meniacimi sa elektrickými a magnetickými poľami, ktoré to spôsobuje. Podľa Maxwella striedavé elektrické pole v kondenzátore v každom okamihu vytvára také magnetické pole, ako keby medzi doskami kondenzátora existoval vodivý prúd so silou, ktorá sa rovná sile prúdov v napájacom zdroji. drôty. Potom možno tvrdiť, že hustoty vodivých prúdov (j) a posuny (j cm) sú rovnaké: j cm = j.
Hustota vodivého prúdu v blízkosti dosiek kondenzátora j = = = ()= d s / dt , s je hustota povrchového náboja, S je plocha dosiek kondenzátora. Preto j cm = d s /dt (4). Ak je elektrický posun v kondenzátore D, potom hustota povrchového náboja na doskách je s = D. Ak to vezmeme do úvahy, výraz (4) môžeme zapísať ako: j cm = ¶ D /¶ t , kde znamienko parciálnej derivácie udáva, že magnetické pole je určené iba rýchlosťou zmeny elektrického posunu v čase.
Keďže posuvný prúd nastáva pri akejkoľvek zmene elektrického poľa, existuje nielen vo vákuu alebo v dielektrikách, ale aj vo vodičoch, ktorými preteká striedavý prúd. V tomto prípade je však v porovnaní s vodivým prúdom zanedbateľný. Prítomnosť posuvných prúdov experimentálne potvrdil sovietsky fyzik A. A. Eikhenvald, ktorý študoval magnetické pole polarizačného prúdu, ktorý je súčasťou posuvného prúdu.
Vo všeobecnosti nie sú vodivé prúdy a posuny v priestore oddelené, sú v rovnakom objeme. Maxwell preto zaviedol koncept celkového prúdu, ktorý sa rovná súčtu kondukčných prúdov (rovnako ako konvekčných prúdov) a posunu. Celková prúdová hustota:
j celkom = j + ¶ D /¶ t .
Zavedením konceptu posuvného prúdu a celkového prúdu Maxwell zaujal nový prístup k zvažovaniu uzavretia obvodov striedavého prúdu. Celkový prúd v nich je vždy uzavretý, to znamená, že na koncoch vodiča sa preruší iba vodivý prúd a v dielektriku (vákuum) medzi koncami vodiča je posuvný prúd, ktorý uzatvára vodivý prúd.
Maxwell zovšeobecnil vetu o cirkulácii vektora H, pričom do jeho pravej strany zaviedol celkový prúd I total = j total dS, pokrytý uzavretou slučkou L. Potom možno zovšeobecnenú cirkulačnú vetu pre vektor H zapísať ako:
H dl = (j + ¶ D/ ¶ t) dS (5)
Výraz (5) je vždy pravdivý, čo dokazuje úplná zhoda medzi teóriou a skúsenosťou.
Maxwellova rovnica pre elektromagnetické pole
Zavedenie konceptu posuvného prúdu Maxwellom ho priviedlo k dokončeniu ním vytvorenej jednotnej makroskopickej teórie elektromagnetického poľa, ktorá umožnila z jednotného hľadiska nielen vysvetliť elektrické a magnetické javy, ale aj predpovedať nových, ktorých existencia bola následne potvrdená.
Maxwellova teória je založená na štyroch vyššie uvedených rovniciach:
Elektrické pole môže byť potenciálne (E Q ) aj vírové (E B ), takže celková intenzita poľa E = E Q + E B . Pretože cirkulácia vektora E Q je rovná nule a cirkulácia vektora E B je určená výrazom (2), potom cirkulácia vektora celkovej intenzity poľa
E dl = - ¶B/¶t dS.
Táto rovnica ukazuje, že zdrojom elektrického poľa môžu byť nielen elektrické náboje, ale aj časovo premenné magnetické polia.
Zovšeobecnená cirkulačná veta pre vektor H:
Hdl = (j + ¶D/¶t) dS.
Táto rovnica ukazuje, že magnetické polia môžu byť excitované buď pohyblivými nábojmi (elektrické prúdy) alebo striedavými elektrickými poľami.
Gaussova veta pre elektrostatické pole v dielektriku:
Ak je náboj distribuovaný súvisle vo vnútri uzavretého povrchu s objemovou hmotnosťou ρ, potom vzorec (6) bude napísaný ako:
D dS = ρ dV.
Gaussova veta pre pole B:
BdS = 0.
Kompletný systém Maxwellových rovníc v integrálnom tvare:
Edl = -¶ B/¶ t dS; D dS = p dV;
Hdl = (j + ^D/^t) dS; BdS = 0.
Veličiny zahrnuté v Maxwellových rovniciach nie sú nezávislé a existuje medzi nimi nasledujúci vzťah:
B = mO mH;
J = gE;
kde e 0 a m 0 sú elektrické a magnetické konštanty, e a m sú dielektrická a magnetická permeabilita, g je špecifická vodivosť látky.
Z Maxwellovej rovnice vyplýva, že zdrojom elektrického poľa môžu byť buď elektrické náboje, alebo časovo premenné magnetické polia a magnetické polia môžu byť vybudené buď pohyblivými elektrickými nábojmi (elektrické prúdy) alebo striedavými elektrickými poľami. Maxwellove rovnice nie sú symetrické vzhľadom na elektrické a magnetické polia. Je to spôsobené tým, že v prírode existujú elektrické náboje, ale neexistujú žiadne magnetické náboje.
Pre stacionárne polia (E = const a B = const ) majú Maxwellove rovnice tvar:
Edl = 0; DdS = Q;
Hdl = I; BdS = 0.
V tomto prípade sú elektrické a magnetické polia navzájom nezávislé, čo umožňuje oddelene študovať konštantné elektrické a magnetické polia.
Pomocou Stokesovej a Gaussovej vety známe z vektorovej analýzy:
A dl = rot A dS;
A dS = div A dV,
je možné reprezentovať úplný systém Maxwellových rovníc v diferenciálnom tvare:
rot E = - ¶ B/ ¶ t; div D = p;
rot H = j + ¶ D/ ¶ t; div B = 0.
Ak sú náboje a prúdy súvisle rozložené v priestore, potom sú obe formy Maxwellových rovníc – integrálna aj diferenciálna – ekvivalentné. Ak však existujú plochy diskontinuity - plochy, na ktorých sa vlastnosti média alebo polí náhle menia, potom je integrálny tvar rovníc všeobecnejší.
Maxwellove rovnice sú najvšeobecnejšími rovnicami pre elektrické a magnetické polia v prostredí v pokoji. V teórii elektromagnetizmu zohrávajú rovnakú úlohu ako Newtonove zákony v mechanike. Z Maxwellových rovníc vyplýva, že striedavé magnetické pole je vždy spojené s ním generovaným elektrickým poľom a striedavé elektrické pole je vždy spojené s magnetickým poľom ním generovaným, tj Elektrické a magnetické polia sú navzájom neoddeliteľne spojené - sú tvoria jediné elektromagnetické pole.
Maxwellova teória je makroskopická, pretože uvažuje elektrické a magnetické polia vytvorené makroskopickými nábojmi a prúdmi. Preto táto teória nemohla odhaliť vnútorný mechanizmus javov, ktoré sa vyskytujú v prostredí a vedú k vzniku elektrických a magnetických polí. Ďalším vývojom Maxwellovej teórie elektromagnetického poľa bola elektrónová teória Lorentza a Maxwell-Lorentzova teória bola ďalej rozvinutá v kvantovej fyzike.
Maxwellova teória, ktorá je zovšeobecnením základných zákonov elektrických a magnetických javov, dokázala vysvetliť nielen už známe experimentálne fakty, čo je aj jej dôležitým dôsledkom, ale aj predpovedať javy nové. Jedným z dôležitých záverov tejto teórie bola existencia magnetického poľa posuvných prúdov, existencia elektromagnetických vĺn – striedavého elektromagnetického poľa šíriaceho sa v priestore konečnou rýchlosťou. Neskôr sa dokázalo, že rýchlosť šírenia voľného elektromagnetického poľa (neprepojeného prúdmi) vo vákuu sa rovná rýchlosti svetla c = 3 · 10 8 m/s. Tento záver a teoretické štúdium vlastností elektromagnetického vlnenia viedli Maxwella k vytvoreniu elektromagnetickej teórie svetla, podľa ktorej je aj svetlo elektromagnetické vlnenie. Elektromagnetické vlny experimentálne získal G. Hertz (1857 - 1894), ktorý dokázal, že zákony ich budenia a šírenia sú úplne opísané Maxwellovými rovnicami. Maxwellova teória tak získala vynikajúce experimentálne potvrdenie.
Neskôr A. Einstein zistil, že Galileov princíp relativity pre mechanické javy sa vzťahuje na všetky ostatné fyzikálne javy.
Podľa Einsteinovho princípu relativity prebiehajú mechanické, optické a elektromagnetické javy vo všetkých inerciálnych vzťažných sústavách rovnako, t.j. popísané rovnakými rovnicami. Z tohto princípu vyplýva, že samostatné uvažovanie o elektrických a magnetických poliach má relatívny význam. Ak je teda elektrické pole vytvorené systémom pevných nábojov, potom tieto náboje, ktoré sú fixné vzhľadom na jednu inerciálnu referenčnú sústavu, sa pohybujú relatívne k druhej, a preto vytvoria nielen elektrické, ale aj magnetické pole. . Podobne vodič s jednosmerným prúdom, ktorý je nehybný vzhľadom na jednu inerciálnu referenčnú sústavu, budí konštantné magnetické pole v každom bode v priestore, pohybuje sa vzhľadom na ostatné inerciálne sústavy a ním vytvorené striedavé magnetické pole budí vírivé elektrické pole. .
Maxwellova teória, jej experimentálne potvrdenie, ako aj Einsteinov princíp relativity teda vedú k jednotnej teórii elektrických, magnetických a optických javov založenej na myšlienke elektromagnetického poľa.
Bibliografia
P. S. Kudrjavcev. "Maxwell", M., 1976
D. McDonald. "Faraday", Maxwell a Kelvin", M., 1967
T. I. Trofimová. "Kurz fyziky", M., 1983
G.M. Golin, S.R. Filonovič. Klasici fyzikálnych vied. "Stredná škola". M., 1989.
Koncept siločiar, ktorý navrhol Faraday, iní vedci dlho nebrali vážne. Faktom je, že Faraday, ktorý dostatočne nepoznal matematický aparát, svoje závery v jazyku vzorcov presvedčivo neodôvodnil. („Bola to myseľ, ktorá nikdy neuviazla vo vzorcoch,“ povedal o tom A. Einstein).
Brilantný matematik a fyzik James Maxwell obhajuje Faradayovu metódu, svoju myšlienku akcie a poľa krátkeho dosahu, argumentujúc, že Faradayove myšlienky môžu byť vyjadrené vo forme bežných matematických vzorcov a tieto vzorce sú porovnateľné so vzorcami profesionálnych matematikov.
D. Maxwell rozvíja teóriu poľa vo svojich prácach „O fyzikálnych siločiarach“ (1861-1865) a „Dynamická teória poľa (1864-1865). V poslednom diele bol daný systém slávnych rovníc, ktoré (podľa Hertza) tvoria podstatu Maxwellovej teórie.
Táto podstata bola takámeniace sa magnetické pole vytvára nielen v okolitých telesách, ale aj vo vákuu vírivé elektrické pole, ktoré zase spôsobuje vznik magnetického poľa. Do fyziky sa tak dostala nová realita – elektromagnetické pole. Toto znamenalo začiatok novej etapy vo fyzike - etapy, v ktorej sa elektromagnetické pole stalo skutočnosťou, materiálny nosič interakcie.
Svet sa začal javiť ako elektrodynamický systém vytvorený z elektricky nabitých častíc interagujúcich prostredníctvom elektromagnetického poľa. (Skutočne si pripomíname, že v MCM dominoval princíp pôsobenia na veľké vzdialenosti, podľa ktorého sa pôsobenie rôznych druhov síl prenáša okamžite, bez účasti média.)
Systém rovníc pre elektrické a magnetické polia, ktorý vyvinul Maxwell, pozostáva zo 4 rovníc, ktoré sú ekvivalentné 4 výrokom.
Analýzou svojich rovníc Maxwell dospel k záveru, že elektromagnetické vlny musia existovať a rýchlosť ich šírenia sa musí rovnať rýchlosti svetla. Z toho vyplýva záver: svetlo je druh elektromagnetického vlnenia. Maxwell na základe svojej teórie predpovedal existenciu tlaku vyvíjaného elektromagnetickou vlnou, a teda aj svetlom, čo v roku 1906 vynikajúco experimentálne dokázal P. N. Lebedev.
Vrcholom Maxwellovej vedeckej práce bolo Treatise on Electricity and Magnetism.
Vývoj reprezentácií korpuskulárneho kontinua v Maxwellových dielach. Maxwell, ktorý rozvíjal teóriu elektromagnetického poľa, neodmietol diskrétnosť hmoty. Napísal: "Dokonca aj atóm, keď mu prisúdime schopnosť rotovať, môže byť reprezentovaný ako pozostávajúci z mnohých elementárnych častíc." Toto bolo povedané v roku 1873 dávno pred objavom elektrónu. Maxwell teda neuprednostňoval ani diskrétnosť, ani kontinuitu hmoty, pripúšťajúc možnosť oboch.
Po vyvinutí EMCM Maxwell dokončil obraz sveta klasickej fyziky („začiatok konca klasickej fyziky“). Maxwellova teória je predchodcom Lorentzovej elektronickej teórie a špeciálnej teórie relativity A. Einsteina.
Späť na začiatok dokumentu
Téma: Elektromagnetická indukcia
Lekcia: Elektromagnetickálúka.teóriaMaxwell
Zvážte vyššie uvedenú schému a prípad, keď je pripojený zdroj jednosmerného prúdu (obr. 1).
Ryža. 1. Schéma
Medzi hlavné prvky obvodu patrí žiarovka, obyčajný vodič, kondenzátor - keď je obvod uzavretý, na doskách kondenzátora sa objaví napätie rovnajúce sa napätiu na svorkách zdroja.
Kondenzátor pozostáva z dvoch rovnobežných kovových dosiek s dielektrikom medzi nimi. Keď sa na dosky kondenzátora aplikuje potenciálny rozdiel, tieto sa nabijú a vo vnútri dielektrika vzniká elektrostatické pole. V tomto prípade nemôže byť vo vnútri dielektrika pri nízkych napätiach žiadny prúd.
Pri výmene jednosmerného prúdu za striedavý sa vlastnosti dielektrika v kondenzátore nemenia a v dielektriku stále prakticky nie sú žiadne voľné náboje, ale pozorujeme, že žiarovka svieti. Vynára sa otázka: čo sa deje? Maxwell nazval vznikajúci prúd v tomto prípade posuvný prúd.
Vieme, že keď je obvod s prúdom umiestnený v striedavom magnetickom poli, vzniká v ňom EMF indukcie. Je to spôsobené tým, že vzniká vírivé elektrické pole.
Čo ak však podobný obraz nastane pri zmene elektrického poľa?
Maxwellova hypotéza: časovo premenné elektrické pole spôsobuje vznik vírivého magnetického poľa.
Podľa tejto hypotézy sa magnetické pole po uzavretí obvodu vytvára nielen v dôsledku toku prúdu vo vodiči, ale aj v dôsledku prítomnosti striedavého elektrického poľa medzi doskami kondenzátora. Toto striedavé elektrické pole vytvára magnetické pole v rovnakej oblasti medzi doskami kondenzátora. Navyše, toto magnetické pole je úplne rovnaké, ako keby medzi doskami kondenzátora tiekol prúd, ktorý sa rovná prúdu vo zvyšku obvodu. Teória je založená na štyroch Maxwellových rovniciach, z ktorých vyplýva, že k zmenám elektrických a magnetických polí v priestore a čase dochádza konzistentným spôsobom. Elektrické a magnetické polia teda tvoria jeden celok. Elektromagnetické vlny sa šíria v priestore vo forme priečnych vĺn s konečnou rýchlosťou.
Naznačený vzťah medzi striedavým magnetickým a striedavým elektrickým poľom naznačuje, že nemôžu existovať oddelene od seba. Vzniká otázka: platí toto tvrdenie pre statické polia (elektrostatické, vytvorené konštantnými nábojmi a magnetostatické, vytvorené jednosmernými prúdmi)? Tento vzťah existuje aj pre statické polia. Je však dôležité pochopiť, že tieto polia môžu existovať vo vzťahu k určitému referenčnému rámcu.
Pokojový náboj vytvára elektrostatické pole v priestore (obr. 2) vzhľadom na určitú referenčnú sústavu. V porovnaní s inými referenčnými systémami sa môže pohybovať, a preto v týchto systémoch rovnaký náboj vytvorí magnetické pole.
Elektromagnetické pole- ide o zvláštnu formu existencie hmoty, ktorú vytvárajú nabité telesá a prejavuje sa pôsobením na nabité telesá. Počas tohto pôsobenia sa ich energetický stav môže meniť, preto má elektromagnetické pole energiu.
1. Štúdium javov elektromagnetickej indukcie vedie k záveru, že striedavé magnetické pole okolo seba vytvára vírivé elektrické pole.
2. Analýzou prechodu striedavého prúdu cez obvody obsahujúce dielektrikum dospel Maxwell k záveru, že striedavé elektrické pole môže generovať magnetické pole v dôsledku posuvného prúdu.
3. Elektrické a magnetické polia sú zložky jedného elektromagnetického poľa, ktoré sa šíri v priestore vo forme priečnych vĺn s konečnou rýchlosťou.
- Bukhovtsev B.B., Myakishev G.Ya., Charugin V.M. 11. ročník fyziky: Učebnica. pre všeobecné vzdelanie inštitúcií. - 17. vyd., Prevedené. a dodatočné - M.: Vzdelávanie, 2008.
- Gendenstein L.E., Dick Yu.I., Fyzika 11. - M.: Mnemosyne.
- Tikhomirova S.A., Yarovsky B.M., Fyzika 11. - M.: Mnemosyne.
- Znate.ru ().
- Slovo ().
- Fyzika ().
- Aké elektrické pole vzniká pri zmene magnetického poľa?
- Aký prúd spôsobuje žiaru žiarovky v obvode striedavého prúdu s kondenzátorom?
- Ktorá z Maxwellových rovníc udáva závislosť magnetickej indukcie od vodivého prúdu a posuvu?
Premenlivé elektrické a magnetické polia sa za určitých podmienok môžu navzájom spájať. Tvoria elektromagnetické pole, ktoré vôbec nie je ich totalitou. Toto je jeden celok, v ktorom tieto dve polia nemôžu existovať jedna bez druhej.
Z histórie
Experiment dánskeho vedca Hansa Christiana Oersteda uskutočnený v roku 1821 ukázal, že elektrický prúd vytvára magnetické pole. Meniace sa magnetické pole je zase schopné generovať elektrický prúd. Dokázal to anglický fyzik Michael Faraday, ktorý v roku 1831 objavil fenomén elektromagnetickej indukcie. Je tiež autorom pojmu „elektromagnetické pole“.
V tých časoch bol vo fyzike akceptovaný Newtonov koncept pôsobenia na veľké vzdialenosti. Verilo sa, že všetky telesá na seba pôsobia cez prázdnotu nekonečne vysokou rýchlosťou (takmer okamžite) a na akúkoľvek vzdialenosť. Predpokladalo sa, že elektrické náboje interagujú podobným spôsobom. Faraday, na druhej strane, veril, že prázdnota v prírode neexistuje a interakcia prebieha konečnou rýchlosťou cez určité materiálne médium. Toto médium pre elektrické náboje je elektromagnetického poľa. A šíri sa rýchlosťou rovnajúcou sa rýchlosti svetla.
Maxwellova teória
Kombináciou výsledkov predchádzajúcich štúdií, Anglický fyzik James Clerk Maxwell v roku 1864 vytvorený teória elektromagnetického poľa. Podľa nej meniace sa magnetické pole generuje meniace sa elektrické pole a striedavé elektrické pole generuje striedavé magnetické pole. Samozrejme, najprv je jedno z polí vytvorené zdrojom nábojov alebo prúdov. Ale v budúcnosti môžu tieto polia už existovať nezávisle od takýchto zdrojov, čo spôsobí, že sa budú navzájom objavovať. t.j. elektrické a magnetické polia sú súčasťou jedného elektromagnetického poľa. A každá zmena v jednom z nich spôsobuje vzhľad iného. Táto hypotéza tvorí základ Maxwellovej teórie. Elektrické pole generované magnetickým poľom je vírové. Jeho siločiary sú uzavreté.
Táto teória je fenomenologická. To znamená, že je vytvorený na základe predpokladov a pozorovaní a nezohľadňuje príčinu, ktorá spôsobuje výskyt elektrických a magnetických polí.
Vlastnosti elektromagnetického poľa
Elektromagnetické pole je kombináciou elektrických a magnetických polí, preto je v každom bode v jeho priestore popísané dvoma hlavnými veličinami: sila elektrického poľa E a indukcia magnetického poľa IN .
Keďže elektromagnetické pole je procesom premeny elektrického poľa na magnetické pole a následne magnetického poľa na elektrické, jeho stav sa neustále mení. Šíri sa v priestore a čase a vytvára elektromagnetické vlny. V závislosti od frekvencie a dĺžky sa tieto vlny delia na rádiové vlny, terahertzové žiarenie, infračervené žiarenie, viditeľné svetlo, ultrafialové žiarenie, röntgenové a gama žiarenie.
Vektory intenzity a indukcie elektromagnetického poľa sú navzájom kolmé a rovina, v ktorej ležia, je kolmá na smer šírenia vlny.
V teórii pôsobenia na veľké vzdialenosti bola rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn považovaná za nekonečne veľkú. Maxwell však dokázal, že to tak nebolo. V látke sa elektromagnetické vlny šíria konečnou rýchlosťou, ktorá závisí od dielektrickej a magnetickej permeability látky. Preto sa Maxwellova teória nazýva teória krátkeho dosahu.
Maxwellovu teóriu experimentálne potvrdil v roku 1888 nemecký fyzik Heinrich Rudolf Hertz. Dokázal, že elektromagnetické vlny existujú. Okrem toho zmeral rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn vo vákuu, ktorá sa ukázala byť rovná rýchlosti svetla.
V integrálnej forme tento zákon vyzerá takto:
Gaussov zákon pre magnetické pole
Tok magnetickej indukcie cez uzavretý povrch je nulový.
Fyzikálny význam tohto zákona je, že v prírode neexistujú žiadne magnetické náboje. Póly magnetu nemožno oddeliť. Siločiary magnetického poľa sú uzavreté.
Faradayov indukčný zákon
Zmena magnetickej indukcie spôsobuje vznik vírivého elektrického poľa.
,
Veta o cirkulácii magnetického poľa
Táto veta popisuje zdroje magnetického poľa, ako aj samotné polia nimi vytvorené.
Elektrický prúd a zmena elektrickej indukcie vytvárajú vírivé magnetické pole.
,
,
E je intenzita elektrického poľa;
H je sila magnetického poľa;
IN- magnetická indukcia. Toto je vektorová veličina ukazujúca, ako silne pôsobí magnetické pole na náboj q pohybujúci sa rýchlosťou v;
D- elektrická indukcia alebo elektrický posun. Je to vektorová veličina rovnajúca sa súčtu vektora intenzity a vektora polarizácie. Polarizácia je spôsobená premiestnením elektrických nábojov pôsobením vonkajšieho elektrického poľa vzhľadom na ich polohu, keď takéto pole chýba.
Δ je operátor Nabla. Pôsobenie tohto operátora na konkrétne pole sa nazýva rotor tohto poľa.
Δ x E = hniloba E
ρ - hustota vonkajšieho elektrického náboja;
j- prúdová hustota - hodnota znázorňujúca silu prúdu pretekajúceho jednotkovou plochou;
od je rýchlosť svetla vo vákuu.
Veda, ktorá študuje elektromagnetické pole, sa nazýva elektrodynamika. Uvažuje o jeho interakcii s telesami, ktoré majú elektrický náboj. Takáto interakcia je tzv elektromagnetické. Klasická elektrodynamika popisuje iba spojité vlastnosti elektromagnetického poľa pomocou Maxwellových rovníc. Moderná kvantová elektrodynamika predpokladá, že elektromagnetické pole má tiež diskrétne (nespojité) vlastnosti. A k takejto elektromagnetickej interakcii dochádza pomocou nedeliteľných častíc-kván, ktoré nemajú hmotnosť a náboj. Kvantum elektromagnetického poľa je tzv fotón .
Elektromagnetické pole okolo nás
Okolo akéhokoľvek vodiča so striedavým prúdom sa vytvára elektromagnetické pole. Zdrojmi elektromagnetických polí sú elektrické vedenia, elektromotory, transformátory, mestská elektrická doprava, železničná doprava, elektrické a elektronické domáce spotrebiče - televízory, počítače, chladničky, žehličky, vysávače, bezdrôtové telefóny, mobilné telefóny, elektrické holiace strojčeky - jedným slovom , všetko, čo súvisí so spotrebou alebo prenosom elektriny. Silnými zdrojmi elektromagnetických polí sú televízne vysielače, antény mobilných telefónnych staníc, radarové stanice, mikrovlnné rúry atď. A keďže takýchto zariadení je okolo nás pomerne veľa, elektromagnetické polia nás obklopujú všade. Tieto polia ovplyvňujú životné prostredie a ľudí. Nedá sa povedať, že tento vplyv je vždy negatívny. Elektrické a magnetické polia existujú okolo človeka už dlho, ale sila ich žiarenia bola pred niekoľkými desaťročiami stokrát nižšia ako dnes.
Do určitej miery môže byť elektromagnetické žiarenie pre ľudí bezpečné. Takže v medicíne sa pomocou elektromagnetického žiarenia s nízkou intenzitou liečia tkanivá, odstraňujú zápalové procesy a majú analgetický účinok. Zariadenia UHF zmierňujú kŕče hladkých svalov čriev a žalúdka, zlepšujú metabolické procesy v bunkách tela, znižujú tonus kapilár a znižujú krvný tlak.
Ale silné elektromagnetické polia spôsobujú poruchy v práci kardiovaskulárneho, imunitného, endokrinného a nervového systému človeka, môžu spôsobiť nespavosť, bolesti hlavy a stres. Nebezpečenstvo spočíva v tom, že ich vplyv je pre človeka takmer nepostrehnuteľný a k porušovaniu dochádza postupne.
Ako sa môžeme chrániť pred elektromagnetickým žiarením okolo nás? Je nemožné to urobiť úplne, takže sa musíte pokúsiť minimalizovať jeho vplyv. Po prvé, musíte usporiadať domáce spotrebiče tak, aby boli ďaleko od miest, kde sa najčastejšie nachádzame. Neseďte napríklad príliš blízko k televízoru. Koniec koncov, čím väčšia je vzdialenosť od zdroja elektromagnetického poľa, tým je slabšie. Veľmi často nechávame zariadenie zapojené. Ale elektromagnetické pole zmizne až po odpojení zariadenia od siete.
Na zdravie človeka vplývajú aj prirodzené elektromagnetické polia – kozmické žiarenie, magnetické pole Zeme.
Koncept siločiar, ktorý navrhol Faraday, iní vedci dlho nebrali vážne. Faktom je, že Faraday, ktorý dostatočne nepoznal matematický aparát, svoje závery v jazyku vzorcov presvedčivo neodôvodnil. („Bola to myseľ, ktorá nikdy neuviazla vo vzorcoch,“ povedal o ňom A. Einstein).
Brilantný matematik a fyzik James Maxwell obhajuje Faradayovu metódu, svoje myšlienky o pôsobení a polia s krátkym dosahom a tvrdí, že Faradayove myšlienky môžu byť vyjadrené vo forme bežných matematických vzorcov a tieto vzorce sú porovnateľné so vzorcami profesionálnych matematikov.
D. Maxwell rozvíja teóriu poľa vo svojich prácach „O fyzikálnych siločiarach“ (1861-1865) a „Dynamická teória poľa“ (1864-1865). V poslednom diele bol daný systém slávnych rovníc, ktoré podľa G. Hertza tvoria podstatu Maxwellovej teórie.
Táto podstata sa scvrkla do skutočnosti, že meniace sa magnetické pole vytvára nielen v okolitých telesách, ale aj vo vákuu vírivé elektrické pole, ktoré zase spôsobuje vznik magnetického poľa. Do fyziky sa tak dostala nová realita – elektromagnetické pole. Toto znamenalo začiatok novej etapy vo fyzike, etapy, v ktorej sa elektromagnetické pole stalo skutočnosťou, materiálnym nosičom interakcie.
Svet sa začal javiť ako elektrodynamický systém vytvorený z elektricky nabitých častíc interagujúcich prostredníctvom elektromagnetického poľa.
Systém rovníc pre elektrické a magnetické polia vyvinutý Maxwellom pozostáva zo 4 rovníc, ktoré sú ekvivalentné štyrom tvrdeniam:
Analýzou svojich rovníc Maxwell dospel k záveru, že elektromagnetické vlny musia existovať a rýchlosť ich šírenia sa musí rovnať rýchlosti svetla. To viedlo k záveru, že svetlo je druh elektromagnetického vlnenia. Maxwell na základe svojej teórie predpovedal existenciu tlaku vyvíjaného elektromagnetickou vlnou, a teda aj svetlom, čo v roku 1906 vynikajúco experimentálne dokázal P. N. Lebedev.
Vrcholom Maxwellovej vedeckej práce bolo Treatise on Electricity and Magnetism.
Po rozvinutí elektromagnetického obrazu sveta Maxwell dokončil obraz sveta klasickej fyziky („začiatok konca klasickej fyziky“). Maxwellova teória je predchodcom Lorentzovej elektronickej teórie a špeciálnej teórie relativity A. Einsteina.
Ďalšie články:
Vznik vedy, hlavné trendy v jej vývoji
História vzniku vedy siaha mnoho tisíc rokov dozadu. Prvé prvky vied sa objavovali v antickom svete v súvislosti s potrebami spoločenskej praxe a mali čisto praktický charakter. Celkovo (z hľadiska histórie vedy) ľudská ...
závery
Frekvencia chronickej pankreatitídy v bežnej populácii sa pohybuje od 0,16 do 2,8 %. Klinická rozmanitosť pankreatitídy závisí od závažnosti pankreatickej insuficiencie, trvania ochorenia, frekvencie recidív a rozsahu poškodenia ...
Rasové znaky. Adaptabilita rasových vlastností
Mechanizmus formovania samostatnej rasovej črty človeka je biologický, pričom história spájania jednotlivých čŕt do rasových komplexov sa vzťahuje na spoločenský život človeka. História osídlenia Maďarska teda môže vysvetliť ...
