Ministrstvo za izobraževanje Ruske federacije
Inštitut za strojništvo v Sankt Peterburgu
Referatv fiziki
na temo:
"Bistvo Maxwellove elektromagnetne teorije"
Izvedeno:
študent gr. 2801
Shkeneva Yu.A.
Saint Petersburg
Uvod 3
Vrtinsko električno polje 6
Prednapetostni tok 7
Maxwellova enačba za elektromagnetno polje 9
Seznam uporabljene literature 13
Uvod
James Clerk Maxwell se je rodil 13. junija 1831. v Edinburghu, v družini odvetnika - lastnika posestva na Škotskem. Fant je zgodaj pokazal ljubezen do tehnologije in željo po razumevanju sveta okoli sebe. Velik vpliv nanj je imel oče, visoko izobražen človek, ki so ga globoko zanimali problemi naravoslovja in tehnike. Na šoli se je Maxwell navduševal nad geometrijo in njegovo prvo znanstveno delo, ki ga je zaključil pri petnajstih letih, je bilo odkritje preprostega, a neznanega načina risanja ovalnih figur. Maxwell je prejel dobro izobrazbo, najprej v Edinburghu in nato na univerzah v Cambridgeu.
Leta 1856 je bil mlad, obetaven znanstvenik povabljen kot profesor na kolidž v škotskem mestu Aberdeen. Maxwell se tukaj z navdušenjem ukvarja s problemi teoretične in uporabne mehanike, optike, fiziologije barvnega vida. Briljantno reši uganko Saturnovih prstanov in matematično dokaže, da so sestavljeni iz ločenih delcev. Ime znanstvenika postane slavno in povabljen je na stol na King's College London. Londonsko obdobje (1860-1865) je bilo najbolj plodno v življenju znanstvenika. Nadaljuje in zaključuje teoretične študije elektrodinamike, objavlja temeljna dela o kinetični teoriji plinov.
Po selitvi iz Aberdeena je Maxwell nadaljeval svoje raziskave z neusmiljeno napetostjo, pri čemer je posebno pozornost namenil kinetični teoriji plinov. Pravijo, da je njegova žena (nekdanja Catherine Mary Dewar, hči vodje fakultete Marishal College) zakurila ogenj v kleti njihovega londonskega doma, da bi Maxwellu omogočila, da na podstrešju izvaja eksperimente za preučevanje toplotnih lastnosti plinov. Toda Maxwellov odločilni in zagotovo največji dosežek je bil ustvarjanje elektromagnetne teorije.
Zgodnje devetnajsto stoletje je bilo polno razburljivih odkritij. Kmalu po prejemu prvih stacionarnih tokov je Oersted pokazal, da tok, ki teče skozi prevodnik, ustvarja magnetne učinke, podobne tistim, ki jih povzroča običajen trajni magnet. Zato je bilo predlagano, da bi se dva prevodnika s tokom obnašala kot dva magneta, ki, kot veste, lahko privlačita ali odbijata. Dejansko so poskusi Ampera in drugih raziskovalcev potrdili prisotnost sil privlačnosti ali odbijanja med dvema prevodnikoma s tokom. Kmalu je bilo mogoče oblikovati zakon privlačnosti in odbijanja z enako natančnostjo, s katero je Newton oblikoval zakon gravitacijskega privlačenja med katerima koli materialnima telesoma.
Nato sta Faraday in Henry odkrila izjemen pojav elektromagnetne indukcije in s tem pokazala intimno razmerje med magnetizmom in elektriko.
Vendar pa je bila nujna potreba po oblikovanju enotne teorije, ki bi izpolnjevala potrebne zahteve, ki bi omogočila napovedovanje razvoja elektromagnetnih pojavov v času in prostoru v najbolj splošnem primeru, pod kakršnimi koli možnimi specifičnimi eksperimentalnimi pogoji.
Prav za to se je izkazala Maxwellova elektromagnetna teorija, ki jo je oblikoval v obliki sistema več enačb, ki opisujejo vso raznolikost lastnosti elektromagnetnih polj z uporabo dveh fizikalnih veličin - jakosti električnega polja E in jakosti elektromagnetnega polja. magnetno polje H. Izjemno je, da te Maxwellove enačbe v svoji končni obliki in do danes ostajajo temelj fizike, saj dajejo opis opaženih elektromagnetnih pojavov, ki ustrezajo realnosti.
Pri načrtovanju visokonapetostnega daljnovoda za prenos električne energije na velike razdalje Maxwellove enačbe pomagajo ustvariti sistem, ki minimizira izgube; pri izvajanju temeljnih poskusov v laboratoriju za preučevanje lastnosti kovin v visokofrekvenčnem električnem polju pri zelo nizkih temperaturah uporabljamo Maxwellove enačbe za ugotavljanje narave širjenja elektromagnetnega polja znotraj kovine; Če gradimo nov radijski teleskop, ki je sposoben zajemati elektromagnetni šum iz vesolja, potem pri načrtovanju anten in valovodov, ki prenašajo energijo od antene do radijskega sprejemnika, vedno uporabljamo Maxwellove enačbe.
Obstaja zakon, po katerem je sila, ki deluje na naboj, ki se giblje v magnetnem polju, neposredno sorazmerna zmnožku velikosti naboja s komponento hitrosti, pravokotne na smer magnetnega polja; ta sila nam je znana kot "Lorentzova sila". Vendar jo nekdo imenuje "Laplaceova sila".
Glede Maxwellovih enačb ni takšne negotovosti; čast tega odkritja pripada le njemu.
Treba je opozoriti, da v prejšnjem stoletju nikakor ni bil edini fizik, ki je poskušal ustvariti vseobsegajočo teorijo elektromagnetizma, tudi drugi so ne brez razloga sumili na obstoj globoke povezave med svetlobo in električnimi pojavi.
Maxwellova glavna zasluga je, da je na svoj način prišel do elegantnega in preprostega sistema enačb, ki opisuje vse elektromagnetne pojave.
Maxwellove enačbe ne zajemajo in opisujejo le vseh nam poznanih elektromagnetnih pojavov; področje njihove uporabe niti ni omejeno na kakršne koli možne elektromagnetne pojave, ki se pojavljajo v posebnih lokalnih razmerah. Maxwellova teorija je napovedala povsem nov učinek, opažen v prostoru brez materialnih teles – elektromagnetno sevanje. To je nedvomno edinstven dosežek, ki krona zmagoslavje Maxwellove teorije.
Vortex električno polje
Iz Faradayevega zakona e i = - d Ф / dt sledi, da vsaka sprememba magnetnega indukcijskega toka, povezanega z vezjem, vodi do nastanka elektromotorne sile indukcije in posledično se pojavi indukcijski tok. Posledično je pojav emf elektromagnetna indukcija je možna tudi v stacionarnem krogu, ki se nahaja v izmeničnem magnetnem polju. Vendar pa e.m.f. v katerem koli vezju nastane le, ko zunanje sile delujejo na tokovne nosilce - sile neelektrostatičnega izvora.
Izkušnje kažejo, da te zunanje sile niso povezane ne s toplotnimi ne s kemičnimi procesi v vezju; njihovega pojava prav tako ni mogoče razložiti z Lorentzovimi silami, saj ne delujejo na stacionarne naboje. Maxwell, je domneval, da vsako izmenično magnetno polje vzbudi električno polje v okoliškem prostoru, kar je vzrok za indukcijski tok v vezju. Po Maxwellovih zamislih ima kontura, v kateri se pojavi emf, sekundarno vlogo, saj je nekakšna edina "naprava", ki zazna to polje.
Torej, po Maxwellu, časovno spremenljivo magnetno polje ustvarja električno polje E B, katerega kroženje po formuli
E B dl = E Bl dl = - d Ф / dt (1)
kjer je projekcija vektorja E Bl projekcija vektorja E na smer dl; delni odvod ¶Ф / ¶t upošteva odvisnost pretoka magnetne indukcije samo od časa.
Če v to formulo (1) nadomestimo izraz Ф = B dS, dobimo
E B dl = - ¶ / ¶ t B dS
Ker sta kontura in površina stacionarni, je mogoče operaciji diferenciacije in integracije obrniti. zato
E B dl = - ¶ B / ¶ t dS (2)
Glede na E dl = E l dl = 0 je kroženje vektorja jakosti elektrostatičnega polja (označujemo ga z E Q) vzdolž zaprte zanke enaka nič:
E Q dl = E Ql dl = 0 (3)
Če primerjamo izraza (1) in (3), vidimo, da obstaja bistvena razlika med obravnavanima polji (EB in EQ): kroženje vektorja EB v nasprotju s kroženjem vektorja EQ ni enako nič . Posledično je električno polje E B, ki ga vzbuja magnetno polje, tako kot samo magnetno polje, vrtinčno.
Pristranski tok
Po Maxwellu, če katero koli izmenično magnetno polje vzbudi vrtinčno električno polje v okoliškem prostoru, bi moral obstajati tudi nasprotni pojav: vsaka sprememba električnega polja bi morala povzročiti, da se v okoliškem prostoru pojavi vrtinčno magnetno polje. Ker je magnetno polje vedno povezano z električnim tokom, je Maxwell imenoval izmenično električno polje, ki vzbuja magnetno polje, premični tok, v nasprotju s prevodnim tokom, zaradi urejenega gibanja nabojev. Za nastanek potisnega toka je po Maxwellu potreben le obstoj izmeničnega električnega polja.
Razmislite o izmeničnem vezju, ki vsebuje kondenzator (slika 1). Med ploščami kondenzatorja za polnjenje in praznjenje obstaja izmenično električno polje, zato po Maxwellu premični tokovi "tečejo" skozi kondenzator in na tistih območjih, kjer ni prevodnikov. Posledično, ker med ploščama kondenzatorja obstaja izmenično električno polje (premični tok), se med njima vzbudi tudi magnetno polje.
Poiščimo kvantitativno razmerje med spreminjajočimi se električnimi in magnetnimi polji, ki jih povzroča. Po Maxwellu izmenično električno polje v kondenzatorju v vsakem trenutku ustvari takšno magnetno polje, kot da bi med ploščami kondenzatorja obstajal prevodni tok s silo, podobno jakosti tokov v napajalnih žicah. Potem je mogoče trditi, da sta tokovni gostoti prevodnosti (j) in premika (j cm) enaki: j cm = j.
Gostota prevodnega toka v bližini kondenzatorskih plošč j = = = () = d s / dt, s je površinska gostota naboja, S je površina kondenzatorskih plošč. Zato je j cm = d s / dt (4). Če je električni premik v kondenzatorju D, potem je površinska gostota naboja na ploščah s = D. Ob upoštevanju tega lahko izraz (4) zapišemo v obliki: j cm = ¶ D / ¶ t, kjer predznak delnega izvoda kaže, da je magnetno polje določeno samo s hitrostjo spremembe električnega premika po čas.
Ker se premični tok pojavi s kakršno koli spremembo električnega polja, ne obstaja samo v vakuumu ali dielektrikih, ampak tudi znotraj prevodnikov, skozi katere teče izmenični tok. Vendar je v tem primeru zanemarljiv v primerjavi s prevodnim tokom. Prisotnost premičnih tokov je eksperimentalno potrdil sovjetski fizik A. A. Eikhenwald, ki je preučeval magnetno polje polarizacijskega toka, ki je del toka premika.
V splošnem primeru prevodni in premični tok v prostoru nista ločena, sta v istem volumnu. Maxwell je zato uvedel koncept skupnega toka, ki je enak vsoti prevodnih tokov (kot tudi konvekcijskih) in premikov. Skupna gostota toka:
j poln = j + ¶ D / ¶ t.
Po uvedbi koncepta potisnega toka in skupnega toka se je Maxwell na nov način lotil obravnavanja zaprtosti tokokrogov izmeničnega toka. Celoten tok v njih je vedno zaprt, to pomeni, da se na koncih prevodnika prekine le prevodni tok, v dielektriku (vakumu) pa med konci prevodnika nastane premični tok, ki zapre prevodni tok .
Maxwell je posplošil izrek o kroženju vektorja H tako, da je v njegovo desno stran vnesel celoten tok I popoln = j popoln dS, ki ga pokriva zaprta zanka L. Potem lahko posplošen izrek o kroženju za vektor H zapišemo v obliki:
H dl = (j + ¶ D / ¶ t) dS (5)
Izraz (5) je vedno resničen, kar dokazuje popolno soglasje med teorijo in izkušnjo.
Maxwellova enačba za elektromagnetno polje
Maxwellova uvedba koncepta potisnega toka ga je pripeljala do dokončanja enotne makroskopske teorije elektromagnetnega polja, ki jo je ustvaril, kar je omogočilo z enotnega vidika ne le razlago električnih in magnetnih pojavov, ampak tudi napovedujejo nove, katerih obstoj je bil kasneje potrjen.
Maxwellova teorija temelji na štirih zgoraj obravnavanih enačbah:
Električno polje je lahko tako potencialno (E Q) kot vrtinčno (E B), zato je skupna poljska jakost E = E Q + E B. Ker je kroženje vektorja E Q enaka nič in je kroženje vektorja E B določeno z izrazom (2), potem je kroženje vektorja celotne poljske jakosti
E dl = - ¶B / ¶t dS.
Ta enačba kaže, da so vir električnega polja lahko ne le električni naboji, ampak tudi magnetna polja, ki se spreminjajo v času.
Splošni izrek o cirkulaciji za vektor H:
H dl = (j + ¶D / ¶t) dS.
Ta enačba kaže, da se magnetna polja lahko vzbujajo bodisi s premikajočimi se naboji (električni tokovi) bodisi z izmeničnimi električnimi polji.
Gaussov izrek za elektrostatično polje v dielektriku:
Če se naboj neprekinjeno porazdeli znotraj zaprte površine z nasipno gostoto ρ, bo formula (6) zapisana v obliki:
D dS = ρ dV.
Gaussov izrek za polje B:
B dS = 0.
Torej, celoten sistem Maxwellovih enačb v integralni obliki:
E dl = - ¶ B / ¶ t dS; D dS = ρ dV;
H dl = (j + ¶D / ¶t) dS; B dS = 0.
Količine, vključene v Maxwellove enačbe, niso neodvisne in med njimi obstaja naslednja povezava:
B = m 0 m H;
J = g E;
kjer sta e 0 in m 0 električna in magnetna konstanta, e in m dielektrična in magnetna permeabilnost, g je specifična prevodnost snovi.
Iz Maxwellove enačbe izhaja, da so viri električnega polja lahko električni naboji ali magnetna polja, ki se spreminjajo v času, magnetna polja pa se lahko vzbujajo bodisi s premikajočimi se električnimi naboji (električni tokovi) bodisi z izmeničnimi električnimi polji. Maxwellove enačbe niso simetrične glede na električna in magnetna polja. To je posledica dejstva, da v naravi obstajajo električni naboji, magnetnih pa ni.
Za stacionarna polja (E = const in B = const) imajo Maxwellove enačbe obliko:
E dl = 0; D dS = Q;
H dl = I; B dS = 0.
V tem primeru sta električna in magnetna polja neodvisna drug od drugega, kar omogoča ločeno preučevanje konstantnih električnih in magnetnih polj.
Z uporabo dobro znanih Stokesovih in Gaussovih izrekov iz vektorske analize:
A dl = gniloba A dS;
A dS = div A dV,
celoten sistem Maxwellovih enačb lahko predstavimo v diferencialni obliki:
gniloba E = - ¶ B / ¶ t; div D = ρ;
gniloba H = j + ¶ D / ¶ t; div B = 0.
Če so naboji in tokovi neprekinjeno porazdeljeni v prostoru, sta obe obliki Maxwellovih enačb – integralna in diferencialna – enakovredni. Kadar pa obstajajo diskontinuitetne površine – površine, na katerih se lastnosti medija ali polj nenadoma spremenijo, je integralna oblika enačb bolj splošna.
Maxwellove enačbe so najbolj splošne enačbe za električna in magnetna polja v mirujočih medijih. V teoriji elektromagnetizma imajo enako vlogo kot Newtonovi zakoni v mehaniki. Iz Maxwellovih enačb izhaja, da je izmenično magnetno polje vedno povezano z električnim poljem, ki ga ustvari, in izmenično električno polje je vedno povezano z magnetnim poljem, ki ga ustvari, to pomeni, da sta električno in magnetno polje neločljivo povezana z vsakim drugo - tvorijo eno samo elektromagnetno polje.
Maxwellova teorija je makroskopska, saj upošteva električna in magnetna polja, ki jih ustvarjajo makroskopski naboji in tokovi. Zato ta teorija ni mogla razkriti notranjega mehanizma pojavov, ki se pojavljajo v okolju in vodijo do pojava električnih in magnetnih polj. Nadaljnji razvoj Maxwellove teorije elektromagnetnega polja je bila elektronska Lorentzova teorija, Maxwell-Lorentzova teorija pa je bila nadalje razvita v kvantni fiziki.
Maxwellova teorija, ki je posplošitev osnovnih zakonov električnih in magnetnih pojavov, je lahko razložila ne le že znana eksperimentalna dejstva, kar je tudi pomembna posledica tega, ampak je tudi napovedala nove pojave. Eden od pomembnih zaključkov te teorije je bil obstoj magnetnega polja premikajočih se tokov, obstoj elektromagnetnih valov - izmeničnega elektromagnetnega polja, ki se širi v prostoru s končno hitrostjo. Kasneje je bilo dokazano, da je hitrost širjenja prostega elektromagnetnega polja (ki ni vezanega na tokove) v vakuumu enaka hitrosti svetlobe c = 3 · 10 8 m / s. Ta sklep in teoretična študija lastnosti elektromagnetnih valov sta Maxwella pripeljala do nastanka elektromagnetne teorije svetlobe, po kateri je svetloba tudi elektromagnetno valovanje. Elektromagnetne valove je eksperimentalno pridobil G. Hertz (1857 - 1894), ki je dokazal, da zakone njihovega vzbujanja in širjenja v celoti opisujejo Maxwellove enačbe. Tako je Maxwellova teorija dobila briljantno eksperimentalno potrditev.
Kasneje je A. Einstein ugotovil, da Galilejevo načelo relativnosti za mehanske pojave velja za vse druge fizikalne pojave.
Po Einsteinovem principu relativnosti mehanski, optični in elektromagnetni pojavi v vseh inercialnih referenčnih okvirih potekajo na enak način, t.j. so opisane z istimi enačbami. Iz tega načela izhaja, da ima ločeno obravnavanje električnih in magnetnih polj sorazmeren pomen. Torej, če električno polje ustvari sistem stacionarnih nabojev, se ti naboji, ki so nepremični glede na en inercialni referenčni okvir, premikajo glede na drugega in zato ne bodo ustvarili le električnega, temveč tudi magnetnega polja. Podobno se prevodnik konstantnega toka, ki miruje glede na en inercialni referenčni okvir in vzbuja konstantno magnetno polje na vsaki točki v prostoru, premika glede na druge inercialne sisteme, izmenično magnetno polje, ki ga ustvari, pa vzbuja vrtinčno električno polje.
Tako Maxwellova teorija, njena eksperimentalna potrditev, pa tudi Einsteinovo načelo relativnosti vodijo do enotne teorije električnih, magnetnih in optičnih pojavov, ki temelji na konceptu elektromagnetnega polja.
Bibliografija
P. S. Kudryavtsev. "Maxwell", M., 1976
D. McDonald. "Faraday", Maxwell in Kelvin", M., 1967
T. I. Trofimova. "Tečaj fizike", M., 1983
G.M. Golin, S.R. Filonovič. Klasika fizike. "Podiplomska šola". M., 1989.
Faradayevega koncepta poljske linije drugi znanstveniki dolgo niso jemali resno. Dejstvo je, da Faraday, ki ni imel dovolj dobrega matematičnega aparata, ni dal prepričljive utemeljitve za svoje zaključke v jeziku formul. (»To je bil um, ki se nikoli ni zataknil v formule - o tem je dejal A. Einstein).
Briljantni matematik in fizik James Maxwell pod svojo zaščito vzame Faradayjevo metodo, njegovo idejo o bližnjem dosegu in polju, pri čemer trdi, da je Faradayeve ideje mogoče izraziti v obliki navadnih matematičnih formul, te formule pa so primerljive s formulami poklicni matematiki.
Teorijo polja D. Maxwell razvija v svojih delih "O fizičnih linijah sile" (1861-1865) in "Teorija dinamičnega polja (1864-1865). V slednjem delu je bil podan sistem znamenitih enačb, ki (po Hertzu) predstavljajo bistvo Maxwellove teorije.
Ta točka se je sklicevala na dejstvo, daspreminjajoče se magnetno polje ne ustvarja le v okoliških telesih, ampak tudi v vakuumu, vrtinčno električno polje, ki posledično povzroči pojav magnetnega polja. Tako je bila v fiziko uvedena nova realnost – elektromagnetno polje. To je pomenilo začetek nove stopnje v fiziki - stopnje, ko je elektromagnetno polje postalo resničnost, materialni medij interakcije.
Svet se je začel predstavljati kot elektrodinamični sistem, zgrajen iz električno nabitih delcev, ki medsebojno delujejo skozi elektromagnetno polje. (Dejansko naj spomnimo, da je v MCM prevladoval princip dolgotrajnega delovanja, po katerem se delovanje različnih vrst sil prenaša takoj, brez sodelovanja okolja.)
Sistem enačb za električna in magnetna polja, ki ga je razvil Maxwell, je sestavljen iz 4 enačb, ki so enakovredne 4 trditvam.
Z analizo svojih enačb je Maxwell prišel do zaključka, da morajo obstajati elektromagnetni valovi in da mora biti hitrost njihovega širjenja enaka hitrosti svetlobe. Od tod sklep: svetloba je neke vrste elektromagnetno valovanje. Maxwell je na podlagi svoje teorije napovedal obstoj pritiska, ki ga povzroča elektromagnetno valovanje in posledično svetloba, kar je leta 1906 eksperimentalno dokazal P.N. Lebedev.
Vrhunec Maxwellove znanstvene ustvarjalnosti je bil "Treatise on Electricity and Magnetism".
Razvoj korpuskularno-kontinualnih reprezentacij v Maxwellovih delih. Maxwell, ki je razvijal teorijo elektromagnetnega polja, tudi ni zavrnil diskretnosti snovi. Zapisal je: "Tudi atom, ko mu pripišemo sposobnost vrtenja, lahko predstavimo kot sestavljen iz številnih elementarnih delcev." To je bilo rečeno leta 1873, veliko pred odkritjem elektrona. Tako Maxwell ni dajal prednosti niti diskretnosti niti kontinuiteti materije, saj je dopuščal možnost obojega.
Z razvojem EMCM je Maxwell dopolnil sliko sveta klasične fizike (»začetek konca klasične fizike«). Maxwellova teorija je predhodnica Lorentzove elektronske teorije in posebne teorije relativnosti A. Einsteina.
Na začetek dokumenta
Tema: Elektromagnetna indukcija
Lekcija: Elektromagnetnopolje.teorijaMaxwell
Upoštevajte zgornji diagram in primer, ko je priključen vir konstantnega toka (slika 1).
riž. 1. Shema
Glavni elementi vezja vključujejo žarnico, navaden prevodnik, kondenzator - ko je vezje zaprto, se na kondenzatorskih ploščah pojavi napetost, enaka napetosti na izvornih sponkah.
Kondenzator je sestavljen iz dveh vzporednih kovinskih plošč, med katerima je dielektrik. Ko se na kondenzatorske plošče nanese potencialna razlika, se te napolnijo in znotraj dielektrika nastane elektrostatično polje. V tem primeru pri nizkih napetostih znotraj dielektrika ne more biti toka.
Pri zamenjavi enosmernega toka z izmeničnim se lastnosti dielektrikov v kondenzatorju ne spremenijo in v dielektriku praktično ni prostih nabojev, vendar opazimo, da žarnica sveti. Postavlja se vprašanje: kaj se dogaja? Maxwell je tok, ki nastane v tem primeru, imenoval premični tok.
Vemo, da ko prevodno vezje postavimo v izmenično magnetno polje, v njem nastane EMF indukcije. To je posledica dejstva, da nastane vrtinčno električno polje.
Kaj pa, če se podobna slika pojavi, ko se električno polje spremeni?
Maxwellova hipoteza: časovno spremenljivo električno polje povzroči pojav vrtinčnega magnetnega polja.
Po tej hipotezi se magnetno polje po zaprtju vezja tvori ne le zaradi toka v prevodniku, ampak tudi zaradi prisotnosti izmeničnega električnega polja med ploščami kondenzatorja. To izmenično električno polje ustvarja magnetno polje na istem območju med ploščama kondenzatorja. Poleg tega je to magnetno polje popolnoma enako, kot če bi med ploščami kondenzatorja tekel tok, enak toku v preostalem delu vezja. Teorija temelji na štirih Maxwellovih enačbah, iz katerih izhaja, da se spremembe v električnem in magnetnem polju v prostoru in času pojavljajo na konsistenten način. Torej, električno in magnetno polje tvorita eno celoto. Elektromagnetno valovanje se širi v prostoru v obliki prečnih valov s končno hitrostjo.
Določeno razmerje med izmeničnim magnetnim in izmeničnim električnim polji nakazuje, da ne moreta obstajati drug od drugega. Postavlja se vprašanje: ali ta izjava velja za statična polja (elektrostatična, ki jih ustvarjajo stalni naboji, in magnetostatična, ki jih ustvarjajo enosmerni tokovi)? Ta odnos obstaja tudi za statična polja. Vendar je pomembno razumeti, da ta polja lahko obstajajo v zvezi z določenim referenčnim okvirom.
Naboj v mirovanju ustvari elektrostatično polje v prostoru (slika 2) glede na določen referenčni okvir. Lahko se premika glede na druge referenčne okvire in zato bo v teh okvirih enak naboj ustvaril magnetno polje.
Elektromagnetno polje- To je posebna oblika obstoja materije, ki jo ustvarjajo nabita telesa in se manifestira v delovanju na nabitih telesih. Med tem dejanjem se lahko njihovo energijsko stanje spremeni, zato ima elektromagnetno polje energijo.
1. Raziskovanje pojavov elektromagnetne indukcije vodi do zaključka, da izmenično magnetno polje generira okoli sebe električni vrtinec.
2. Z analizo prehoda izmeničnega toka skozi vezja, ki vsebujejo dielektrike, je Maxwell prišel do zaključka, da lahko izmenično električno polje zaradi potisnega toka ustvari magnetno polje.
3. Električno in magnetno polje - komponente enega samega elektromagnetnega polja, ki se v prostoru širi v obliki prečnih valov s končno hitrostjo.
- Bukhovtsev B.B., Myakishev G.Ya., Charugin V.M. Fizika 11. razred: Učbenik. za splošno izobraževanje. institucije. - 17. izd., prev. in dodaj. - M .: Izobraževanje, 2008.
- Gendenshtein L.E., Dick Yu.I., Fizika 11. - M.: Mnemosyne.
- Tikhomirova S.A., Yarovsky B.M., Fizika 11. - M.: Mnemosina.
- Znate.ru ().
- Beseda ().
- Fizika ().
- Kakšno električno polje nastane, ko se magnetno polje spremeni?
- Kakšen tok pojasnjuje sij žarnice v tokokrogu z izmeničnim tokom s kondenzatorjem?
- Katera od Maxwellovih enačb kaže odvisnost magnetne indukcije od prevodnega toka in premika?
Izmenična električna in magnetna polja pod določenimi pogoji lahko generirajo drug drugega. Tvorijo elektromagnetno polje, ki sploh ni njihova kombinacija. To je ena sama celota, v kateri ti dve področji drug brez drugega ne moreta obstajati.
Iz zgodovine
Izkušnje danskega znanstvenika Hansa Christiana Oersteda, izvedene leta 1821, so pokazale, da električni tok ustvarja magnetno polje. Po drugi strani pa je spreminjajoče se magnetno polje sposobno ustvariti električni tok. To je dokazal angleški fizik Michael Faraday, ki je leta 1831 odkril pojav elektromagnetne indukcije. Je tudi avtor izraza "elektromagnetno polje".
Takrat je bil v fiziki sprejet koncept Newtonovega delovanja na dolge razdalje. Veljalo je, da vsa telesa delujejo drug na drugega skozi praznino z neskončno veliko hitrostjo (skoraj v trenutku) in na kateri koli razdalji. Domnevali so, da električni naboji medsebojno delujejo na podoben način. Faraday je po drugi strani verjel, da praznina v naravi ne obstaja in da se interakcija dogaja s končno hitrostjo skozi določeno materialno okolje. Ta medij za električne naboje je elektromagnetno polje... In širi se s hitrostjo, ki je enaka hitrosti svetlobe.
Maxwellova teorija
Z združevanjem rezultatov prejšnjih študij, Angleški fizik James Clerk Maxwell leta 1864 nastal teorija elektromagnetnega polja... Po njenem mnenju spreminjajoče se magnetno polje generira spreminjajoče se električno polje, izmenično električno polje pa izmenično magnetno polje. Seveda na začetku eno od polj ustvari vir nabojev ali tokov. Toda v prihodnosti lahko ta polja že obstajajo neodvisno od takšnih virov, zaradi česar se pojavljajo druga druga. to je, električno in magnetno polje sta sestavni deli enega samega elektromagnetnega polja... In vsaka sprememba v enem od njih povzroči pojav drugega. Ta hipoteza je osnova Maxwellove teorije. Električno polje, ki ga ustvarja magnetno polje, je vrtinčno. Njegove črte sile so zaprte.
Ta teorija je fenomenološka. To pomeni, da je nastal na podlagi predpostavk in opazovanj in ne upošteva vzroka za nastanek električnih in magnetnih polj.
Lastnosti elektromagnetnega polja
Elektromagnetno polje je kombinacija električnega in magnetnega polja, zato ga na vsaki točki svojega prostora opisujeta dve glavni količini: moč električnega polja E in magnetna indukcija V .
Ker je elektromagnetno polje proces pretvorbe električnega polja v magnetno in nato magnetnega polja v električno, se njegovo stanje nenehno spreminja. Širi se v prostoru in času, tvori elektromagnetno valovanje. Glede na frekvenco in dolžino se ti valovi delijo na radijski valovi, terahercno sevanje, infrardeče sevanje, vidna svetloba, ultravijolično sevanje, rentgensko in gama sevanje.
Vektorja jakosti in indukcije elektromagnetnega polja sta medsebojno pravokotna, ravnina v kateri ležita pa je pravokotna na smer širjenja valovanja.
V teoriji delovanja na dolge razdalje je veljala, da je hitrost širjenja elektromagnetnih valov neskončno velika. Vendar je Maxwell dokazal, da temu ni tako. V snovi se elektromagnetno valovanje širi s končno hitrostjo, ki je odvisna od dielektrične in magnetne prepustnosti snovi. Zato se Maxwellova teorija imenuje teorija delovanja kratkega dosega.
Eksperimentalno je Maxwellovo teorijo leta 1888 potrdil nemški fizik Heinrich Rudolf Hertz. Dokazal je, da elektromagnetno valovanje obstaja. Poleg tega je izmeril hitrost širjenja elektromagnetnih valov v vakuumu, za katero se je izkazalo, da je enaka hitrosti svetlobe.
V integralni obliki je ta zakon videti takole:
Gaussov zakon za magnetno polje
Pretok magnetne indukcije skozi zaprto površino je nič.
Fizični pomen tega zakona je, da v naravi ni magnetnih nabojev. Polov magneta ni mogoče ločiti. Linije magnetnega polja so zaprte.
Faradayev zakon indukcije
Sprememba magnetne indukcije povzroči pojav vrtinčnega električnega polja.
,
Izrek o kroženju magnetnega polja
Ta izrek opisuje vire magnetnega polja, pa tudi polja, ki jih ustvarijo.
Električni tok in sprememba električne indukcije ustvarjata vrtinčno magnetno polje.
,
,
E- jakost električnega polja;
N- jakost magnetnega polja;
V- magnetna indukcija. To je vektorska količina, ki kaže, s kakšno silo deluje magnetno polje na naboj z vrednostjo q, ki se giblje s hitrostjo v;
D- električna indukcija ali električni premik. Je vektorska količina, ki je enaka vsoti vektorja intenzivnosti in vektorja polarizacije. Polarizacijo povzroči premik električnih nabojev pod delovanjem zunanjega električnega polja glede na njihov položaj, ko takega polja ni.
Δ - operater Nabla. Delovanje tega operaterja na določenem polju se imenuje rotor tega polja.
Δ x E = gniloba E
ρ - gostota zunanjega električnega naboja;
j- gostota toka - vrednost, ki kaže jakost toka, ki teče skozi enoto površine;
Z- hitrost svetlobe v vakuumu.
Preučevanje elektromagnetnega polja se ukvarja z znanostjo, imenovano elektrodinamika... Razmišlja o njegovi interakciji s telesi, ki imajo električni naboj. Ta interakcija se imenuje elektromagnetno... Klasična elektrodinamika opisuje samo neprekinjene lastnosti elektromagnetnega polja z uporabo Maxwellovih enačb. Sodobna kvantna elektrodinamika meni, da ima elektromagnetno polje tudi diskretne (diskontinuirane) lastnosti. In taka elektromagnetna interakcija se zgodi s pomočjo nedeljivih kvantnih delcev, ki nimajo mase in naboja. Kvant elektromagnetnega polja se imenuje foton .
Elektromagnetno polje okoli nas
Okoli katerega koli prevodnika izmeničnega toka nastane elektromagnetno polje. Viri elektromagnetnih polj so daljnovodi, elektromotorji, transformatorji, mestni električni promet, železniški promet, električni in elektronski gospodinjski aparati – televizorji, računalniki, hladilniki, likalniki, sesalniki, brezžični telefoni, mobilni telefoni, električni brivniki – skratka, vse povezane s porabo ali prenosom električne energije. Močni viri elektromagnetnih polj so televizijski oddajniki, antene mobilnih telefonskih postaj, radarske postaje, mikrovalovne pečice itd. In ker je okoli nas kar nekaj takšnih naprav, nas elektromagnetna polja obdajajo povsod. Ta polja vplivajo na okolje in ljudi. To ne pomeni, da je ta vpliv vedno negativen. Električna in magnetna polja obstajajo okoli človeka že dolgo, vendar je bila moč njihovega sevanja pred nekaj desetletji stokrat manjša od sedanje.
Do določene ravni je lahko elektromagnetno sevanje za ljudi neškodljivo. Tako se v medicini s pomočjo nizkointenzivnega elektromagnetnega sevanja tkiva zdravijo, odpravljajo vnetne procese in imajo analgetični učinek. UHF naprave lajšajo krče gladkih mišic črevesja in želodca, izboljšujejo presnovne procese v celicah telesa, znižujejo tonus kapilar in znižujejo krvni tlak.
Toda močna elektromagnetna polja povzročajo motnje v delovanju srčno-žilnega, imunskega, endokrinega in živčnega sistema osebe, lahko povzročijo nespečnost, glavobole, stres. Nevarnost je, da je njihov učinek za ljudi skoraj neopazen, kršitve pa nastanejo postopoma.
Kako se lahko zaščitimo pred elektromagnetnim sevanjem, ki nas obdaja? To je nemogoče narediti v celoti, zato morate poskusiti zmanjšati njegov vpliv. Najprej morate urediti gospodinjske aparate tako, da so stran od krajev, kjer smo najpogosteje. Na primer, ni vam treba sedeti preblizu televizorja. Konec koncev, dlje kot je oddaljenost od vira elektromagnetnega polja, šibkejše postaja. Zelo pogosto pustimo aparat priklopljen. Toda elektromagnetno polje izgine šele, ko je naprava odklopljena iz električnega omrežja.
Na zdravje ljudi vplivajo tudi naravna elektromagnetna polja – kozmično sevanje, zemeljsko magnetno polje.
Faradayevega koncepta poljske linije drugi znanstveniki dolgo niso jemali resno. Dejstvo je, da Faraday, ki ni imel dovolj dobrega matematičnega aparata, ni dal prepričljive utemeljitve za svoje zaključke v jeziku formul. ("To je bil um, ki se nikoli ni zataknil v formule" - je o tem dejal A. Einstein).
Briljantni matematik in fizik James Maxwell je zagovarjal Faradayjevo metodo, svoje ideje bližine in polja, pri čemer je trdil, da je Faradayeve ideje mogoče izraziti v obliki navadnih matematičnih formul, te formule pa so primerljive s formulami poklicnih matematikov.
D. Maxwell razvija teorijo polja v svojih delih "O fizikalnih linijah sile" (1861-1865) in "Dinamična teorija polja" (1864-1865). V slednjem delu je bil podan sistem znamenitih enačb, ki po Hertzu predstavljajo bistvo Maxwellove teorije.
To bistvo se je zvedlo na dejstvo, da spreminjajoče se magnetno polje ne ustvarja le v okoliških telesih, ampak tudi v vakuumu vrtinčno električno polje, ki posledično povzroči pojav magnetnega polja. Tako je bila v fiziko uvedena nova realnost – elektromagnetno polje. To je pomenilo začetek nove stopnje v fiziki, stopnje, na kateri je elektromagnetno polje postalo realnost, materialni nosilec interakcije.
Svet se je začel predstavljati kot elektrodinamični sistem, zgrajen iz električno nabitih delcev, ki medsebojno delujejo skozi elektromagnetno polje.
Sistem enačb za električna in magnetna polja, ki ga je razvil Maxwell, je sestavljen iz 4 enačb, ki so enakovredne štirim izjavam:
Z analizo svojih enačb je Maxwell prišel do zaključka, da morajo obstajati elektromagnetni valovi in da mora biti hitrost njihovega širjenja enaka hitrosti svetlobe. To je privedlo do zaključka, da je svetloba neke vrste elektromagnetno valovanje. Maxwell je na podlagi svoje teorije napovedal obstoj pritiska, ki ga povzroča elektromagnetno valovanje in posledično svetloba, kar je leta 1906 eksperimentalno dokazal P.N. Lebedev.
Vrhunec Maxwellove znanstvene ustvarjalnosti je bil "Treatise on Electricity and Magnetism".
Ko je razvil elektromagnetno sliko sveta, je Maxwell dokončal sliko sveta klasične fizike (»začetek konca klasične fizike«). Maxwellova teorija je predhodnica Lorentzove elektronske teorije in posebne teorije relativnosti A. Einsteina.
Drugi članki:
Izvor znanosti, glavni trendi v njenem razvoju
Zgodovina nastanka znanosti sega več tisoč let nazaj. Prvi elementi znanosti so se pojavili v antičnem svetu v povezavi s potrebami družbene prakse in so bili povsem praktične narave. Vse skupaj (z vidika zgodovine znanosti) človeštvo ...
sklepi
Incidenca kroničnega pankreatitisa v splošni populaciji se giblje od 0,16 do 2,8 %. Klinična raznolikost pankreatitisa je odvisna od resnosti insuficience trebušne slinavke, trajanja bolezni, pogostosti recidivov in obsega škode ...
Rasne značilnosti. Prilagodljivost rasnih značilnosti
Mehanizem za nastanek ločene rasne lastnosti osebe je biološki, medtem ko se zgodovina združevanja posameznih lastnosti v rasne komplekse nanaša na družbeno življenje osebe. Torej lahko zgodovina naselja Madžarske razloži ...
