Физика

Статическое и вихревое поле

Как упоминалось в начале статьи, электрическое поле может возникать вокруг переменного магнитного поля. Оно даже создает ток, что может быть достигнуто двумя путями:

• изменением интенсивности магнитного поля, проходящего сквозь контур проводника в нем;
• изменением положения самого проводника.

При этом проводнику вовсе не обязательно быть замкнутым — ток в нем все равно будет течь.

Для иллюстрации отличий статического и вихревого поля можно составить таблицу.

Параметр	Электростатическое	Вихревое
форма силовых линий	разомкнутые	замкнутые
чем создается	неподвижным зарядом	переменным магнитным потоком
источник напряженности	заряд	отсутствует
работа по перемещению в замкнутом контуре	нулевая	создает ЭДС индукции

Нельзя сказать, что первое и второе поле никак между собой не связаны. Это не так. В реальности работает такая закономерность: неподвижный заряд создает электростатическое поле, которое движет заряд в проводнике; движущийся заряд порождает постоянное магнитное поле. Если заряд движется с непостоянной скоростью и направлением, то магнитное поле становится переменным и создает вторичное электрическое. Таким образом, электрическое поле и его характеристики влияют на возможность возникновения магнитного и его параметры.

Краткая история изучения электрического поля

Считается, что инженер и физик Шарль Кулон стал первым исследователем взаимодействия статичных зарядов. Именно он вывел принцип их взаимодействия. Фундаментом исследований Кулона стала теория гравитационного взаимодействия Исаака Ньютона.

Ганс Эрстед стал учёным, открывшим магнитные свойства электрического тока и поля, а благодаря Джеймсу Максвеллу мы знаем, что электрическое поле не может существовать без магнитного, которое и индуцирует его. Также Максвелл утвердил концепцию близкодействия электромагнитных взаимодействий.

Ганс Эрстед и Джеймс Максвелл

Тем не менее, электрическое поле стало объектом человеческих исследований задолго до последних веков. Ещё Фалес Милетский в 7 веке до нашей эры исследовал природу статического электричества.

В конце 19 века Джозефом Томсоном был открыт электрон – «живой» образец носителя электричества. Спустя годы Эрнст Резерфорд доказал место в структуре атомов, на котором располагаются электроны.

Ток смещения

Порождение электрического поля магнитным Максвелл усмотрел в явлении
электромагнитной индукции. Следующий, и последний, шаг в открытии основных
свойств электромагнитного поля был сделан им уже без какой-либо помощи
эксперимента.

Магнитное поле рождает электрическое. Не может ли существовать обратный
процесс, когда переменное электрическое поле, в свою очередь, порождает
магнитное? Максвелл допустил, что такого рода процесс должен реально происходить
в природе

Кроме соображений симметрии свойств полей для этого было еще
одно важное основание. На строгом языке математики оно выглядело весьма
убедительно

Замкнутость силовых линий магнитного поля требует (показать
это можно только с помощью сложной математики) замкнутости электрического
тока, который порождает магнитное поле.

Однако обычный электрический ток, или ток проводимости, как его часто
называют, не всегда замкнут. Пусть в цепь включен конденсатор: две пластины
на небольшом расстоянии друг от друга (рис. 21). Если приложенное напряжение
является переменным, то конденсатор будет попеременно заряжаться и разряжаться
и в цепи пойдет ток, хотя никакого движения зарядов между пластинками конденсатора
нет.

Рис. 21. Конденсатор в цепи переменного тока. Ток проводимости обрывается
на пластинах, между которыми переменное электрическое поле.

В пространстве между пластинками изменяющийся электрический заряд пластин
создает переменное электрическое поле. Вот это поле Максвелл и назвал током
смещения. Добавка «смещение» к слову «ток», с одной стороны, говорит
нам, что это не обычный ток, а нечто специфическое, а с другой стороны,
напоминает о том отдаленном времени, когда с изменением электрического
поля в пустоте связывалось механическое смещение частиц гипотетической
среды — мирового эфира, заполняющего все пространство. Гипотеза Максвелла
позволила рассматривать ток в цепи как замкнутый: между пластинками ток
смещения продолжает ток проводимости. Тем самым ликвидировалось противоречие
между замкнутостью силовых линий магнитного поля и незамкнутостью тока
проводимости в данном частном случае. Но суть гипотезы состояла, конечно,
не в придумывании нового термина. Переменное электрическое поле (по Максвеллу
— ток смещения) порождает магнитное поле по точно таким же законам, как
и обычный ток проводимости. Причем Максвелл не только высказал данную гипотезу,
но тут же нашел точный количественный закон, определяющий напряженность
магнитного поля в зависимости от скорости изменения поля электрического.

Рис. 22. Силовые линии магнитного поля Н, возникающие при изменении
электрического поля Е. Электрическое поле растет.

Справедливость этого утверждения Максвелла была доказана экспериментально
лишь спустя почти 10 лет после его смерти, когда были обнаружены электромагнитные
волны. Электромагнитная индукция и ток смещения полностью определяют возможность
существования электромагнитных волн. Таким образом, еще одно фундаментальное,
не подлежащее разложению на более элементарные, свойство электромагнитного
поля было обнаружено. Переменное электрическое поле порождает в пустом
пространстве магнитное поле с замкнутыми силовыми линиями. Причем в растущем
электрическом поле силовые линии магнитного поля образуют правый винт с
полем (рис. 22), в отличие от левого винта для поля в явлении электромагнитной
индукции (рис. 20). Глубокий смысл этого мы выясним немного позднее.

Сама возможность появления гипотезы Максвелла возникла лишь после объяснения
электромагнитной индукции на основе представлений о поле. В то время когда
большинство известных ученых не придавало самому понятию поля серьезного
значения и когда до момента экспериментального доказательства его существования
оставалось более десяти лет, Максвелл смело положил в основу количественной
теории представление о поле. И далее, идя шаг за шагом, опираясь на установленные
опытным путем закономерности, он пришел к конечной цели. Предположение
о существовании токов смещения было последним важным звеном. Здесь Максвелл
наделил предполагаемый объект (поле) новым предполагаемым свойством, не
имея на то, в отличие от предыдущих случаев, прямых экспериментальных указаний.

Что является основной характеристикой магнитного поля

Магнитное поле – это векторное поле, которое образуется из-за движения электрически заряженных частиц, токов или магнитных моментов элементарных частиц. Одной из главных характеристик магнитного поля является его направленность. Магнитное поле всегда направлено от севера к югу магнитной стрелки. Это свойство рассматривается как правило правого винта.

Другой важной характеристикой магнитного поля является магнитная индукция. Магнитная индукция – это физическая величина, которая характеризует силу, с которой магнитное поле действует на движущийся заряд или на магнитный момент элемента

Магнитная индукция измеряется в теслах и направлена перпендикулярно к направлению электрического тока и к плоскости, которая проходит через электрический ток.

Кроме того, магнитное поле может оказывать влияние на движущиеся заряды. Например, магнитное поле может создавать силу Лоренца, которая описывает силу, с которой заряд движется в магнитном поле. Это свойство магнитного поля играет важную роль в различных процессах, в том числе в электромеханических устройствах, электронике и многих других сферах.

Потенциальная энергия электрического заряда и потенциальность полей

Заряды наполняют электрическое поле. Они двигаются по некоторым замкнутым траекториям. Величины работы их сил равняются нулю, и потому эти силы (или силовые поля) именуют потенциальными. Считается, что некоторые виды электрических полей, в частности, электростатическое поле, обладает свойством потенциальности изначально. Это доказанная теория, и она не требует новых исследований.

Потенциальная энергия

Благодаря свойству потенциальности физики могут судить о том, что потенциальная энергия присуща каждому электрическому заряду в конкретном поле. Наглядно проиллюстрировать этот принцип можно так: в пространстве имеется конкретная точка, в которую может быть перемещён конкретный заряд, величина потенциальной энергии которого будет равна нулю.

Силовые линии

Из закона потенциальности полей вытекает концепция его силовых линий. В действительности подобных объектов в вещественном виде не существует. Это графический инструмент, который позволяет изобразить электрическое поле для визуального схематического наблюдения и исследования. Через представление густоты и числа линий можно проиллюстрировать направление напряжённости поля, а также его величину.

Изображение силового поля

Колебательный контур

Получение электромагнитных колебаний

На основе двух рассмотренных устройств – соленоида и конденсатора – работает система, названная колебательным контуром. Она лежит в основе многих процессов, таких как радиовещание или телевидение. Но прежде чем рассматривать колебательный контур, необходимо понять, о каких колебаниях идет речь.

В технике для передачи информации зачастую используют электромагнитные волны. Например, радиовещание осуществляется с помощью электромагнитных волн, источником которых служит передающее устройство, а приемником – антенна. Электромагнитные волны порождаются ускоренно движущимися заряженными частицами (в случае антенны – это будут свободные электроны).Двигаться постоянно ускоренно частицы будут при колебательных движениях. То есть необходимо устройство, способное заставить электроны в антенне колебаться.

Еще важно отметить, что зафиксировать электромагнитную волну можно только если ее частота будет больше 105 кГц (это очень высокая частота). То есть заряженные частицы должны колебаться с высокой частотой

Такие колебания свободных электронов называются электромагнитными (потому что служат источником электромагнитных волн).

Получается, что источником волны должно быть устройство, которое способно совершать высокочастотные электромагнитные колебания. Одним из таких устройств является колебательный контур (см. рисунок 10).

Рисунок 10 – Колебательный контур

Колебательный контур – это система, состоящая из конденсатора (или нескольких конденсаторов) и катушки индуктивности. В этой системе могут существовать электромагнитные колебания.

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из колебательного контура, источника тока и ключа (рисунок 11), который может быть замкнут в положении 1 (на источник) и 2 (на катушку индуктивности).

Рисунок 11 – Электрическая цепь с колебательным контуром

Сначала ключ необходимо замкнуть на источник тока – в положение 1, чтобы конденсатор в колебательном контуре зарядился. Когда на обкладках конденсатора скопится максимально возможный для данного конденсатора заряд q, внутри конденсатора образуется электростатическое поле с максимальной (для данной системы) энергией.

Далее ключ замыкают в положение 2. Конденсатор начинает отдавать заряд, а по катушке начинает течь ток. Из-за явления электромагнитной самоиндукции ток возникает не мгновенно, а постепенно нарастает. Пока идет нарастание тока, энергия электростатического поля внутри конденсатора превращается в энергию магнитного поля. Когда ток достигнет своего максимального значения, энергия электрического поля полностью перейдет в энергию магнитного, а конденсатор полностью разрядится.

Так как конденсатор разряжен, отдавать заряд больше нечему, и ток должен прекратиться, но в катушке колебательного контура снова возникает самоиндукция, препятствующая изменению тока. Индукционный ток будет сонаправлен с исходным (так как он сопротивляется уменьшению исходного), и конденсатор снова начнет заряжаться, только знак заряда на обкладках поменяется – там, где был положительный заряд, скопится отрицательный и наоборот.

Когда конденсатор полностью зарядится, энергия магнитного поля снова превратиться в энергию электрического, и процесс начнется заново. Таким образом возникнут электромагнитные колебания.

Период электромагнитных колебания можно посчитать по формуле Томсона:

Естественно, в реальных системах происходят потери энергии и эти колебания постепенно будут затухать. Для получения незатухающих электромагнитных колебаний необходимо подпитывать контур от источника.

Электризация тел

Электризация – процесс сообщения телу электрического заряда, т. е. нарушение его электрической нейтральности. Процесс электризации представляет собой перенесение с одного тела на другое электронов или ионов. В результате электризации тело получает возможность участвовать в электромагнитном взаимодействии.

Способы электризации:

• трением, – например, электризация эбонитовой палочки при трении о мех. При тесном соприкосновении двух тел часть электронов переходит с одного тела на другое; в результате этого на поверхности у одного из тел создается недостаток электронов и тело получает положительный заряд, а у другого – избыток, и тело заряжается отрицательно. Величины зарядов тел одинаковы;
• через влияние (электростатическая индукция) – тело остается электрически нейтральным, электрические заряды внутри него перераспределяются так, что разные части тела приобретают разные по знаку заряды;
• при соприкосновении заряженного и незаряженного тела – заряд при этом распределяется между этими телами пропорционально их размерам. Если размеры тел одинаковы, то заряд распределяется между ними поровну;
• при ударе;
• под действием излучения – под действием света с поверхности проводника могут вырываться электроны, при этом проводник приобретает положительный заряд.

Билет №18

Из теории электромагнитного поля, разработанной Дж. Максвеллом,
следовало: электромагнитные волны распространяются со скоростью света — 300 000
км/с, что эти волны поперечны, так же как и световые волны. Максвелл
предположил, что свет — это электромагнитная волна. В дальнейшем это
предсказание нашло экспериментальное подтверждение.

Как и электромагнитные волны, распространение света подчиняется тем же
законам:

Закон прямолинейного распространения света. В прозрачной однородной
среде свет распространяется по прямым линиям. Этот закон позволяет объяснить,
как возникают солнечные и лунные затмения.

При падении света на границу раздела двух сред часть света отражается в
первую среду, а часть проходит во вторую среду, если она прозрачна, изменяя при
этом направление своего распространения, т. е. преломляется.

Закон отражения. Угол падения равен углу отражения (). Падающий
луч АО, отраженный луч ОБ и перпендикуляр ОС, восставленный в точке падения,
лежат в одной плоскости. Закон преломления. Луч падающий АО и преломленный ОБ
лежат в одной плоскости с перпендикуляром CD, проведенным в точке падения луча
к плоскости раздела двух сред. Отношение синусов угла падения а и угла
преломления у постоянно для данных двух сред и называется показателем
преломления второй среды по отношению к первой: .

Законы отражения света учитываются при построении изображения предмета в
зеркалах (плоском, вогнутом и выпуклом) и проявляются в зеркальном отражении в
перископах, в прожекторах, автомобильных фарах и во многих других технических
устройствах.

Законы преломления света учитываются при построении изображения во
всевозможных линзах, призмах и их совокупности (микроскоп, телескоп), а также в
оптических приборах (бинокли, спектральные аппараты, фотоаппараты и
проекционные аппараты).

Электрический заряд

Понятие электрического заряда занимает центральное место в классической теории электромагнетизма. Электрическим зарядом в физике называется величина, которая характеризует способность объектов входить в электрические взаимодействия. Следует подчеркнуть, что тела с одноимёнными зарядами всегда отталкиваются, а тела с разноимёнными – притягиваются друг к другу.

Электрический заряд

Фундаментальная характеристика заряда заключается в его двойственной природе: заряды бывают и положительными, и отрицательными. Так, все заряженные тела условно делятся физиками на два подтипа, при этом все тела одного из подтипа отталкивают друг друга, но притягивают тела из второго подтипа. Например, если частица А отталкивает частицу В, но частица А притягивает частицу С, то частица В тоже будет притягивать частицу С.

Физики до сих пор не выяснили, почему тела обладают этим глобальным, универсальным и, при ближайшем рассмотрении, элементарным свойством. Тем не менее, термины «отрицательный заряд» и «положительный заряд» являются противоположными проявлениями одного и того же качества.

Заряженная частица всегда рождается в паре с частицей противоположного заряда. Например, пара положительно и отрицательно заряженных электронов (позитрон и негатрон) появляется на свет посредством распадения фотона. При этом процессе изменения заряда не происходит, другими словами, изменение заряда равно нулю до и после «превращения» фотона.

Чтобы понять, в чём заключается сущность данной скалярной величины и из чего состоит электрическое вещество, следует изучить два фундаментальных свойства электрического заряда: квантование и сохранение заряда.

Принцип квантования заряда

Даже начинающий физик знает: в природе электрические заряды состоят из дискретных зарядов, имеющих постоянную величину, которая характеризуется как заряд электрона и обозначается символом е. Например, положительный заряд позитрона и отрицательный заряд негатрона равны по своей величине. Квантование заряда – это и есть природное уравнивание величин зарядов двух разноимённо заряженных частиц

Важное понятие в терминологии квантования – дискретность заряда. Согласно новейшим физическим теориям, заряд квантуется, то есть обладает свойством дискретности: один заряд состоит из минимальных порций зарядов, которые далее разделить невозможно

Принцип сохранения заряда

Этот принцип следует из природы «рождения» двух миркотел, имеющих разноимённые заряды. Это фундаментальный эмпирический закон, не имеющий противоречий ни в одном из сделанных до сегодняшнего дня исследований. Дословно принцип сохранения гласит: в закрытой системе электрический заряд, носящий и другое название – алгебраическая сумма двух разноимённых зарядов, –остаётся постоянным.

Природа явления

Глазами электрическое поле увидеть невозможно: его можно обнаружить по его действию на заряженные тела. При этом такое воздействие не требует прямого касания носителей потенциала, но имеет силовую природу. Так, наэлектризованные волосы будут тянуться к другим предметам.

Наблюдение за электрическими полями показывает, что они работают аналогично гравитационным. Описывается это законом Кулона, который в общем виде выглядит так:

F = q₁ q₂ / 4 π ε ε₀ r ²,

где q₁ и q₂ — величины зарядов в кулонах, ε — диэлектрическая проницаемость среды, ε₀ — электрическая постоянная, равная 8,854*10⁻¹² Ф/м, r — расстояние между зарядами в метрах, а F — сила, с которой заряды взаимодействуют, в ньютонах.

Таким образом, чем дальше от центра, тем меньше будет ощущаться воздействие поля.

Отобразить поле графически можно в виде силовых линий. Их расположение будет зависеть от геометрических характеристик носителя. Различают два вида полей:

1. Однородное, когда силовые линии расположены параллельно друг другу. Идеальный случай — это бесконечные параллельные заряженные пластины.
2. Неоднородное, частный случай которого — поле вокруг точечного или сферического заряда; его силовые линии расходятся радиально от центра, если он положительный, и к центру, если отрицательный.

Таковы основные свойства электрического поля. Чтобы ознакомиться с его характеристиками, стоит рассмотреть простейший вариант — электростатическое, которое формируется постоянными и неподвижными зарядами. Для удобства они будут точечными, чтобы их контуры не усложняли расчеты. Пробный заряд, который тоже будет фигурировать в дальнейшем, тоже будет точечным и бесконечно малым.

https://youtube.com/watch?v=kD-6e7fgvmY

Напряжённость электрического поля

Напряжённость электрического поля – второй по значимости термин в теории об электричестве после электрического заряда. Если естествоиспытатель знает всё хотя бы об этих двух понятиях, он сможет проводить простейшие опыты с электричеством и подкреплять их знаниями из элементарного курса физики.

Напряжённость – это сила, воздействующая на отдельный статичный заряд. Исходя из общепринятых норм можно сказать, что напряжённость электрического поля обозначается символом Е. Стоит отметить, что напряжённость является векторной величиной, а электрический заряд – скалярной.

Напряжённость электрического поля

Экспериментальные исследования вихревого электрического поля

В последние годы исследование вихревых электрических полей стало активной областью научных исследований. Эксперименты, проведенные в этой области, позволяют нам более глубоко понять свойства и потенциальные применения вихревого электрического поля.

Одним из ключевых экспериментов, проведенных в этой области, является исследование вихревых структур в плазме. Этот эксперимент позволяет нам наблюдать, как вихревое электрическое поле влияет на трехмерные структуры плазмы и их движение. В результате исследования было обнаружено, что вихревое поле может создавать стабильные структуры, которые могут быть использованы для управления плазменными процессами.

Другим важным экспериментом в этой области является исследование влияния вихревого электрического поля на электронные системы. В этом эксперименте исследуются электрические свойства различных материалов при наличии вихревого поля. Результаты исследования позволяют нам лучше понять, как вихревое поле влияет на проводимость и цепочечные структуры электронных материалов.

Другие эксперименты в этой области включают исследование вихревых электрических полей в жидкостях и различных физических системах. Эти исследования позволяют нам понять, как вихревое поле влияет на течение жидкости и поведение различных физических объектов.

Исследования вихревого электрического поля имеют потенциальные применения в различных областях, включая плазменные технологии, электронику, физику плазмы и многие другие. Накопленные знания и результаты экспериментов помогают развивать новые технологии и методы исследования, открывая новые возможности для применения вихревого электрического поля в различных областях науки и техники.

§ 13. Вихревое электрическое поле

В неподвижных проводниках возникновение индукционного тока обусловлено тем, что изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Силовые линии вихревого электрического поля замкнуты. Поэтому такое поле вызывает индукционный ток в замкнутом контуре.

В ихревое электрическое поле в отличии от электростатического не является потенциальным.

Вихревое электрическое поле может вызывать индукционные токи и в сплошных проводниках. Такие токи называются вихревыми или токами Фуко.

Таким образом, подводя итоги вышесказанного можно заключить.

Переменное магнитное поле вызывает появление индуцированного вихревого электрического поля. Это фундаментальное положение электродинамики установлено Максвеллом как обобщение закона электромагнитной индукции Фарадея.

Е сли к неподвижному замкнутому проводящему контуру приближается постоянный магнит, то в контуре возникает индукционный ток . Причиной, вызывающей упорядоченное перемещение зарядов является индуцированное электрическое поле, в котором на заряды проводящего контура действуют силы, приводящие к их разделению и появлению ЭДС индукции.

Свойства индуцированного электрического поля:

Индуцированное электрическое поле не является кулоновским. Оно создается не зарядами, распределенными в пространстве, а переменным магнитным полем.

Индуцированное электрическое поле подобно магнитному полю является вихревым и не потенциальным полем. Работа , совершаемая в этом поле при перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи не равна нулю и численно равна ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле.

Вихревые токи появляющиеся в сердечнике трансформатора или в якоре электродвигателя вредны, так как они вызывают большие потери электрической энергии и могут привести к перегреву, что может быть причиной аварии. Для борьбы с вредным влиянием вихревых токов сердечники трансформаторов и якоря электродвигателей набирают из отдельных пластин, изолированных друг от друга, чтобы увеличить сопротивление сердечника в направлении вихревых токов.

Появление ферритов – магнитных материалов с большим электрическим сопротивлением, сделало возможным изготовление сплошных сердечников.

В ихревые токи имеют так же и полезные применения.

Между полюсами магнита (или электромагнита) расположен медный маятник, прикрепленный к стрелке прибора. При колебаниях стрелки маятник пересекает линии индукции магнитного поля, и в нём возникают вихревые токи. Согласно правилу Ленца вихревые токи, возникающие в маятнике, имеют такое направление, что взаимодействие их магнитных полей с полем магнита препятствует движению маятника. Такая система часто применяется для быстрого электромагнитного гашения или демпфирования механических колебаний различных приборов.

Быстропеременные магнитные поля и вызванные ими вихревые токи применяются в индукционных печах для термической обработки и плавки металлов. Такая печь представляет собой катушку, питаемую высокочастотными токами большой силы. Если поместить внутри катушки проводящее тело в нем возникнут интенсивные вихревые токи, которые могут разогреть тело до плавления. Подобным образом осуществляется плавление металлов в вакууме что позволяет получать металлы очень высокой чистоты.

Вихревые токи, возникающие в проводах, по которым текут переменные токи, ослабляют их внутри провода или вблизи поверхности. Это явление называется скин-эффектом или поверхностным эффектом . Из-за скин-эффекта внутренняя часть проводника в высокочастотных цепях оказывается бесполезной, и поэтому проводники изготавливают в виде трубок.

Вихревые индукционные токи высокой частоты используются и для поверхностной закалки деталей машин. В мощном переменном поле поверхностные слои металла разогреваются очень быстро. Основная же масса металла остается холодной. Затем производится быстрое охлаждение металла, например погружением в воду или масло. Закаленная деталь имеет твердую поверхность, но не становится хрупкой, так как остальной металл не утратил свою вязкость. Изменяя частоту переменного магнитного поля можно производить закалку на любую глубину сечения металла.

Электрический диполь

Данный термин обозначает элементарную совокупность точечных зарядов, которые имеют системные признаки. Диполем называется сумма зарядов, противозначных, но равных по величине, и сдвинутых один от другого на определённое расстояние.

Диполи бывают разные, но наибольшее внимание физическая наука уделяет точечным диполям. Так называются диполи, которые характеризуются пренебрежимо маленьким расстоянием от отрицательного заряда до положительного

Если в теории совокупность зарядов разделить на множество частей, её можно будет рассматривать как систему электрических диполей.

Электрический дипольный момент