Взаимосвязь электрического и магнитного полей. Электрическое и магнитное поле

Электрические и магнитные поля - Легкое дело

Электрические и магнитные поля

В этой статье постараемся дать общее представление об этих явлениях и коротко рассказать о каждом из них. Несмотря на то, что про существование электрических и магнитных полей (ЭиМП) известно многим смертным и уже давно, их истинная сущность остается большой загадкой и сегодня. Они скрывают в себе много забытых технологий, артефактов и возможностей, надеемся, что в недалеком будущем наука все же сможет разгадать или расшифровать их сущность.

Электрические и магнитные поля сравнение

В основе всего существующего на этой планете лежит материя, которая проявляет себя в многообразии различных форм и состояний. Материю можно сконцентрировать в пределах какого-то ограниченного пространства т.е вещества, а можно и, делокализовать, тогда это будет уже «поле». Но в обоих этих состояниях имеется множество сходных общих характеристик.

Материя имеет бесконечное количество свойств и проявлений, ну а процесс ее изучения для науки не имеет границ. Например, сегодня физика не устанавливает строгой границу между веществом и полем, в отличие от классического школьного курса. В которой вещество и поле неразрывно связаны и постоянно переходят из одного в другое.

Сегодня в отдельные физические поля выделяет четыре разновидности: поля сильнейших взаимодействий - ядерные и слабых взаимодействий, гравитационные и ЭиМП.

Если нет особого желания вникать в квантовую теорию, любые поля можно представить в виде модели: имеется некоторый материальный объект, с наиболее идеальной формой - шар, вокруг его центра на определенном расстоянии в окружающем пространстве существует невидимая энергия, которая может осуществлять взаимодействие с подобного рода энергией другого объекта. Причём характер этого взаимодействия определяется многими условиями (вид поля, размеры системы, геометрическая форма и др.).

Можно сделать приближенный вывод о том, что любой материальный объект (элементарная частица или планета в какой либо солнечной системе.) обладает одинаковыми разновидностями полей одновременно. Только их проявление определяется конкретными условиями и факторами. Например, гравитационное поле планеты зависит от внутренних процессов, происходящих в его ядре. Или интенсивность магнитного поля в проводнике, будет определяться в зависимости от скорости и количества заряженных элементарных частиц (электронов), что двигаются вдоль этого проводника.

Благодаря имеющимся свойствам ЭиМП, проявляет себя так, как мы это готовы понимать на данный момент развития цивилизации. Абсолютно все созданные человеком механизмы, системы, приборы работают на основе тех внутренних принципах и законов, которые работают благодаря существованию электромагнитных полей их сил взаимодействия, за исключением некоторого количества артефактов оставшихся от прошлых циклов.

Рассмотрим любой электродвигатель с внутренней обмоткой. По ней бежит ток и вокруг её существует в этот момент магнитное поле. Именно оно отталкивает ротор от статора, тем самым приводя электромотор в движение. Или при процессе генерации электричества, магнитное поле, проходя сквозь обмотку электрогенератора, приводит в движение электроны, тем самым создавая разность потенциалов на выводах электрогенерирующих систем.

Следует четко понимать, что электрическое и магнитное поле, это совсем разные физические проявления. Но у них обоих, первоначальными носителями являются элементарные частицы электроны и протоны. Любая частица обладает обоими полями одновременно но, проявление видимой составляющей (интенсивности) каждого из них зависит от определённых факторов.

Интенсивность электрического поля (ЭП) зависит, от имеющегося количества положительных и отрицательных зарядов элементарных частиц. То есть, чем выше концентрация зарядов одного знака на одной части, и противоположного, на другой, следовательно, тем сильнее будет ЭП между этими двумя частями (например, пластины конденсатора ). Расстояние между этими пластинами мы пока не будим учитывать.

Магнитное поле активно проявляет себя при движении электрических зарядов. То есть, чем интенсивнее движение, тем сильнее уровень магнитного поля. Ну, а вторичным фактором, является количество движущихся заряженных элементарных частиц. При их движении в одном направлении, магнитное поле растет за счет суммирования.

Электрические и магнитные поля движущихся зарядов

http://www.texnic.ru

legkoe-delo.ru

1.8. Электромагнитная индукция. Взаимосвязь электрических и магнитных полей.

Электрические и магнитные поля порождаются одними и теми же источниками — электрическими зарядами. Поэтому можно было предположить, что между этими полями существует определенная связь. Это предположение нашло экспериментальное подтверждение.

Когда в 1820 г. Эрстед впервые обнаружил, что магнетизм может быть получен электрическим током, вдохновлённый новизнойидеи Майкл Фарадей задумался об обратном процессе — превращении магнетизма в электрический ток. Поставленную задачу превращения магнетизма в электричество Фарадей зафиксировал в своем дневнике в 1821 г. С тех пор он, не переставая, думал об этом.

Как часто бывает в истории науки, новые идеи приходят не только к одному ученому. Так было и с идеей получения электричества с помощью магнетизма. Практически одновременно над проблемой бились Фарадей и другие ученые. Швейцарский физик Жан-Даниэль Колладон (1802-1893 гг.) также пытался получить электрический ток с помощью магнита. При работе он пользовался гальванометром. Чтобы магнит не оказывал непосредственного влияния на стрелку гальванометра, концы катушки, в которую Колладон вдвигал магнит, надеясь получить в ней ток, были выведены в соседнюю комнату. Вдвинув магнит в катушку, Колладон направлялся в комнату, где находился гальванометр, и с огорчением отмечал, что стрелка гальванометра стояла на нуле, т.е. ток в катушке не возникал. Стоило ему все время наблюдать за гальванометром или попросить кого-либо заняться магнитом, замечательное открытие было бы сделано Колладоном. Но этого не случилось. Покоящийся относительно катушки магнит мог лежать преспокойно внутри нее сколь угодно долго, не вызывая в катушке тока.

! Лишь движущийся магнит, создающий изменяющееся магнитное поле, является причиной появления электрического тока.

Вто же время за океаном другой ученый — американецДжозеф Генри (1799-1878 гг.), родившийся, как и Фарадей, в бедной семье и также вынужденный заниматься самообразованием, экспериментальным путем пришел к открытию нового явления. Случилось это за год до открытия Фарадея, но в силу жизненных обстоятельств результатов своих Генри не опубликовал.

29 августа 1831 г., ничего не зная об открытии Генри, Фарадей фиксирует появление индукционного тока в замкнутом проводнике, помещенном в переменное магнитное поле. Данное явление Фарадей назвал индукцией тока. (По-русски слово «индукция» означает наведение). Первоначально была открыта индукция неподвижных друг относительно друга токов.

!В замкнутом контуре возникает индукционный ток при изменении числа силовых линий магнитного поля, пронизывающих площадь, ограниченную этим контуром.

!Чем быстрее меняется число линий магнитного поля, тем больше электрический ток.

Причина изменения силовых линий безразлична: это может быть и изменение силы тока, и сближение катушек, и движение магнита.

Возникающий индукционный ток немедленно начинает взаимодействовать с породившим его током или магнитом. Направление индукционного тока определяется с помощью правила Ленца:

Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через площадь, ограниченную контуром, стремится компенсировать то изменение магнитного потока, которым вызывается данный ток.

Истинный смысл электромагнитной индукции был найден Дж. Максвеллом (1831-1879 гг.). Максвелл развил идеи М. Фарадея, создал теорию электромагнитного поля. Основная часть теории - это уравнения, описывающие законы электромагнетизма, так называемые уравнения Максвелла. Их изучение не входит в рамки нашего курса, следует только заметить, что известные нам законы — Кулона, Ампера являются частными случаями этих уравнений. Уравнения имеют лаконичную форму, на языке высшей математики описывают поведение электрических и магнитных полей. Одно из уравнений имеет такой смысл: изменяясь во времени, переменное магнитное поле порождает вокруг себя электрическое.

Согласно теории Максвелла: переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле; переменное электрическое поле порождает переменное магнитное.

Переменное электрическое и переменное магнитные поля — это две составляющие единого электромагнитного поля. Распространяется электромагнитное поле в пространстве в виде электромагнитных волн со скоростью, равной скорости света в вакууме (3 • 108м/с).

!Источником электромагнитных волн являются электрические заряды, движущиеся с ускорением.

При ускоренном движениивозникающее электромагнитное поле «отрывается» от частицы и начинает существовать самостоятельно в виде электромагнитных волн. Электромагнитные волны могут распространяться не только в среде, но и в вакууме. Векторы напря­женности электрического поля и магнитной индукции в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и вектору скорости распространения волны (рис. 9).

Первоначально существование электромагнитных волн было предсказано теоретически. Примерно через полтора десятка лет немецкий физикГ. Герц (1857-1894 гг.) экспериментально доказал существование электромагнитных волн. Началось изучение свойств электромагнитных волн. Ещё через десяток лет нашлись первые пути их практического применения: была осуществлена беспроводная радиосвязь.

studfiles.net

Электрические токи и магнитные поля

Физика > Электрические токи и магнитные поля

Электрический ток формирует магнитное поле, которое можно передать в качестве серии круговых полевых линий вокруг проволочного сегмента.

Задача обучения

• Охарактеризовать форму магнитного поля, сформированного из-за действия тока.

Основные пункты

• Магнитное поле с закрытыми линиями формируется наполненным током проводом.
• Правило правой руки помогает вычислить направленность магнитного поля.
• Закон Био-Савара применяют для вычисления напряженности в поле. Для простой ситуации: 
• Более фундаментальным выступает Закон Ампера, связывающий магнитное поле и поток: ∮B ⋅ dl = μ0Ienc, где Ienc (замкнутый ток, а μ0 – постоянная).
• Проводящая ток проволока воспринимает силу при наличии внешнего магнитного поля: F = Bilsinθ (ℓ – длина провода, i – ток, а θ – угол между направлением тока и магнитным полем).

Термины

• Закон Био-Савара – уравнение, характеризующее созданное током магнитное поле. Связывает магнитное поле с величиной, направлением, длиной и близостью электрического тока.
• Закон Ампера – уравнение, связывающее магнитное поле с электрическим током. С его помощью можно определить конкретное магнитное поле.

Электрический ток и магнитные поля

Магнитное поле создается из-за влияния электрического тока, и его можно визуализировать в виде круговых полевых линий вокруг провода. Среди методов изучения используют компас, чтобы определить направленность поля. Есть также правило правой руки, где большой палец показывает на направление тока, а пальцы зажаты в сторону созданных петель магнитного поля.

(а) – Компасы, расположенные возле длинной прямой токопроводящей проволоки. Они демонстрируют, что полевые линии создают круговые петли. (b) – Правило правой руки: если большой палец направлен в сторону тока, то пальцы отображают направленность поля

Величина магнитного поля

Для напряженности магнитного поля, созданного длинной прямой токопроводящей проволокой, используют формулу: 

Для длинного прямого провода, где I – ток, r – кратчайшая дистанция к проводу, а постоянная 0 = 4π10-7 T⋅m/A – проницаемость свободного пространства. Провод очень длинный, поэтому величина будет основываться только на дистанции от провода.

Каждый сегмент тока формирует магнитное поле, а полное отображает векторную сумму полей всех сегментов. Формальное утверждение направления и величины поля, с учетом каждого сегмента, именуют законом Био-Савара. Чтобы прибавить поля для произвольного тока, нужно провести интегральный расчет. Полная форма закона:

(вектор dℓ – направление тока; R – дистанция между позицией dℓ и местом, в котором вычисляется магнитное поле; R – единичный вектор в направлении r).

Закон Ампера

Он считается более фундаментальным законом и связывает магнитное поле и поток. В единицах интегральная форма выступает линейным интегралом вокруг замкнутой кривой С (ограничивается как поверхность S, через которую проходит электрический ток).

Полное магнитное поле вокруг определенного пути выступает в прямой пропорциональности току, проходящему сквозь него. В виде формулы:

Здесь магнитное поле интегрируется по кривой и эквивалентно плотности потока. Закон Ампера всегда работает для стационарных токов и его можно использовать для определения B-поля в некоторые высокосимметричных ситуаций, вроде бесконечного провода или соленоида.

Сила на проводнике

Сила на токопроводящей проволоке совпадает с силой перемещающегося заряда. Возьмем проводник с длиной ℓ, сечением A и зарядом q, который обусловлен электрическим током i. Если проводник опустить в магнитное поле с величиной В, то действующая сила на заряд равна:

Правило правой руки определяет направление силы на токопроводящей проволоке, погруженной во внешнее магнитное поле.

F = qvBsinθ

Для N зарядов, где N = nLA, влияющая на проводник сила: F = FN = qvBnlAsinθ = Bilsinθ (i = nqvA). Правило правой руки указывает направленность силы на проводе, как показано на рисунке. Не забывайте, что поле B выступает внешним.

Электрические токи и магнитные поля

v-kosmose.com

Персональный сайт - Электрические, магнитные и электромагнитные поля.

Об электричестве, магнетизме и электромагнетизме. 

В современной физике  признается существование постоянных во времени, однородных и неоднородных в пространстве: электрического, магнитного полей. А также электромагнитного поля, которое, согласно классической электродинамике, является субстанцией взаимопревращаемых, переменных во времени электрического и магнитного полей. Утверждается, что одно времяпеременное поле без другого существовать не может. Максимальная скорость распространения э/м поля (э.м волны)- скорость света. Э/м волны различаются по интенсивности, частоте, поляризации.

В квантовой электродинамике носитель э/м поля, фотон, рассматривается как цуг волн определенной частоты и поляризации. Постоянная Планка, определяющая энергию фотона, выражается через массу электрона, квант электрического заряда и квант магнитного момента (магнетон Бора). Электрическая и магнитная энергии, заключенные в фотоне, полагаются равными. Вопрос о структуре фотона остается открытым.

Содержание: 

1. Электрическое поле. 
2. Магнитное поле.
3. Электромагнитное поле.
4. Электрические, магнитные и смешанные волны в среде.
5. Скин- эффект.
6. Источники и приёмники э, м, э/м волн.
7. Скорость света.
8. Применение новой концепции электромагнетизма в народном хозяйстве.
9. Литература.

Электрическое  поле. 

Рассмотрим область переменного электрического поля:

 Рис. 1. Область переменного электрического поля. Линии E направлены на нас. В центральной части области поле E однородно, ближе к краям спадает до 0..

При разбиении этой области на части, вокруг каждой, согласно четвертому уравнению Максвелла,

rotB = j + ∂E/∂t,

имеется кольцевое переменное магнитное поле. Токи проводимости отсутствуют, т.е. j = 0. Магнитные поля соседних кусочков в области однородного поля оказываются равны и противоположно направлены, в результате чего суммарное магнитное поле 0. Т.о., переменное магнитное поле может наблюдаться только вблизи границ области. Резкой границы области электрического поля добиться невозможно, оно всегда будет плавно спадать. Максимальное магнитное поле должно наблюдаться в области максимума градиента электрического поля- отмечено большой окружностью на рисунке. Описанная картина электрического поля наблюдается, например, в плоском конденсаторе.

Однако, существование магнитного поля у токов смещения плоского конденсатора экспериментально не доказано. Регистрируемое магнитное поле между обкладками объясняется сложением магнитных полей радиальных токов по обкладкам- см. рис. 2.

Рис. 2. Магнитное поле плоского конденсатора

Т.о., 4-е уравнение Максвелла тут не применимо. Это не удивительно, т.к., согласно закону Био-Савара-Лапласа, магнитное поле прямо пропорционально реальному току заряженных частиц, а не искуственно введенному "току смещения". Последний был введен для упрощения имевшейся электродинамической теории, для того, чтобы связать токи и заряды уравнением непрерывности и обосновать гипотезу о существовании э/м волн. 

В статье Максвелла 1864 г «A dynamical theory of the electromagnetic field» рассмотрена сформулированная ранее система электродинамических уравнений из 20 скалярных уравнений для 20 скалярных неизвестных. В этой статье Максвелл впервые ввел понятие электромагнитного поля как физической реальности, имеющей собственную энергию и конечное время распространения, определяющее запаздывающий характер электромагнитного взаимодействия. Затем стали утверждаеть, что не только ток, но и изменяющееся со временем электрическое поле (ток смещения) порождает магнитное поле. В свою очередь, в силу закона ЭМИ, изменяющееся магнитное поле снова порождает электрическое. В результате, в пустом пространстве может распространяться электромагнитная волна. Из уравнений Максвелла (Герца - Хэвисайда) следует, что её скорость равна скорости света. Доказательство существования э/м волны Г. Герцем подтвердило гипотезу Максвелла.

Однако, приписывание физических свойств чисто теоретическим понятиям, таким как "ток смещения", может сбить с толку. Электрическая и магнитная компонента наблюдаемой Герцем волны могли находится во взаимосвязанном состоянии, а не порождать одна другую. Электрические и магнитные волны отдельно не исследовались в виду технической трудности их разделения в конце 19-го века- везде, где есть движущиеся заряды, присутствуют электрическое и магнитное поля одновременно. Теория Максвелла -Хэвисайда была наиболее строгой математически в то время и обладала предсказательной силой, поэтому стала общепринятой. Но это не мешает очертить границы её применимости. Подробнее об э/м волнах читайте далее.

Т.к. переменное электрическое поле распространяется с определенной скоростью, можно предположить существование электродинамических волн.

Первая статья в научном журнале об экспериментальном наблюдении таковых:

C. Monstein and J.P. Wesley, Observation of scalar  longitudinal electrodynamic waves, Europhysics Letters 59 (2002), no . 4, 514–520.

Динамическое электрическое поле (эл-дин. волна) возникает при периодическом изменении электрического поля источника. В работе Монстейна антеннами источника и приемника электродинамических волн являлись проводящие сферы диаметром 6 см. На сферу источника подавался сигнал на частоте 433 МГц. Изменялось расстояние между антеннами. На пути следования волны помещался поглощающий фильтр- поляризатор. Интенсивность волн спадала обратно пропорционально квадрату расстояния (экспоненциально на больших расстояниях). Основываясь на анизотропии поглощательной способности фильтра при разной ориентации в пространстве доказывается продольность наблюдаемых волн. Зарегистрирована интерференционная картина волны с отраженными от поверхности проводящей Земли вторичными волнами.

Помимо продольных электродинамических волн можно предположить существование поперечных эл-дин. волн. Предположение основано на аналогии с механикой сплошных сред:

Ламинарное течение-  статическое электрическое поле.

Продольная звуковая волна- продольная эл-дин. волна. 

Поперечные звуковые волны- поперечные эл.-дин. волны.

Т. к. электрические силовые линии в вакууме всегда разомкнуты, в нем могут существовать лишь продольные волны. Поперечные могут наблюдаться в среде и имеют другой характер (поляризационные).

  Электростатическое взаимодействие зарядов можно интерпретировать как явление, обусловленное силами давления частиц (амеров) физического вакуума (поля, эфира). В зависимости от направления давления, оно может как притягивать объекты, так и отталкивать. Если физического вакуума между зарядами нет, т.е. они расположены вплотную друг к другу, электрического взаимодействия не будет. Это, вероятно, наблюдается в ядрах атомов, пучках электронов.

Напряженность электрического поля точечного заряда спадает обратно пропорционально квадрату расстояния, что соответствует распределению электрической энергии по сфере с растущим радиусом. Представляет интерес изучение возможности фокусировки и усиления электрического поля в среде.

Продольные электрические волны также могут распространяться в веществе. В проводнике они вызывают зарядовые волны, обусловленные периодическим изменением электрического поля в скин слое проводника при течении тока из- за смещения электронов. Происходит перенос электрического поля при скоростях, близких к скорости света, на большие расстояния. В диэлектрике E- волны вызывают волны поляризации, ослабляющие их. При электролитической диссоциации передача электрического поля осуществляется по эстафетному механизму. В сегнетоэлектриках эл-дин. волны вызывают поляризационные волны, которые могут распространяться на значительные расстояния и образовывать вторичные электродинамические волны на выходе. Аналогично наличию поперечных мод спиновых волн в ферромагнетиках, в сегнетоэлектриках могут существовать поперечные моды поляризационных волн. Поперечные электродинамические волны могут наблюдаться только через посредников- электрически активных частиц среды, в вакууме электродинамические волны имеют продольный характер. Подробнее об электродинамических волнах в среде читайте ниже.

Более чистым экспериментом по наблюдению электродинамических волн в вакууме (воздухе) может быть исследование излучения диэлектрического электрета с минимальным количеством свободных носителей тока. Т.о., магнитное поле и э/м взаимодействие исключаются. Можно использовать кусок парафинового электрета. При вращении поперёк оси электризации, на некотором расстоянии вокруг электрета можно наблюдать распространение продольных электродинамических волн. Электрическое поле будет складываться от положительного и отрицательного полюса электрета

При наложении волн от двух вращающихся электретов можно наблюдать усиление и гашение поля в пространстве. Интерференционную картину наблюдать не удастся по причине слишком малой скорости вращения по сравнению со скоростью распространения электрического поля. Наблюдать её возможно вблизи двух перезаряжаемых на СВЧ проводящих сфер, например.. Поляризация у электродинамических волн отсутствует. Дифракцию электродинамической волны можно наблюдать на отверстии в экране. Причем её характер должен зависеть от проводящих свойств экрана. Дисперсию можно исследовать на диэлектрической призме. Её характер должен зависеть от типа поляризации диэлектрика.

Магнитное поле.

Магнитное поле является вторым фундаментальным физическим полем, в электродинамике называется иногда "вихревым электрическим". Основное отличие от электрического в том, что силовые линии магнитного поля всегда замкнуты. Т.е. не существует магнитных зарядов. Элементарным магнитным дипольным моментом обладает электрон, также обладающий элементарным зарядом. Магнитный момент электрона связывается с его вращением вокруг своей оси, спином, и называется "магнетон Бора". Аналогично, магнитные моменты ядер, атомов и молекул определяются вращениями составляющих их частиц.

Рассмотрев область однородного переменного во времени магнитного поля можем убедиться (также, как для E поля), что переменное электрическое поле, согласно второму уравнению Максвелла,

           rotE = - ∂B/∂t,

может существовать только вблизи границ области . И имеет максимум в области максимума градиента электрического поля.

Однако, кольцевое электрическое поле вокруг магнитных силовых линий в эксперименте не наблюдается, например, у магнитного поля соленоида. Это говорит о том,  что 2-е уравнение Максвелла тут не применимо. Оно является обобщением закона электромагнитной индукции Фарадея, который выполняется только для проводников. ЭДС в витке проводника наводится за счет зарядовых волн, связаных с перемещением заряженных частиц- носителей электрического и магнитного полей. Для диэлектриков, в т.ч. вакуума, этот закон не выполняется. Вообще говоря, в него следует ввести поправку, зависящую от проводимости витка.

В опыте Фарадея при воздействии переменного магнитного поля частицы приобретают ускорение. Часть работы по внесению магнита в обасть витка идет на перемещение электрических зарядов. При синхронном смещении частиц в витке не будет переменного электрического поля. Его можно зарегистрировать только при введении неоднородности. Ею может быть конденсатор или вольтметр, включенный в разрыв витка.

Покоящийся электрон приобретает ускорение в переменном магнитном поле. Выражение для силы, действующей на отдельный электрон, получено З. И. Докторовичем:

F = - q·∂A/∂t.  

Где q - заряд электрона, A - векторный потенциал. В витке проводника при внесении магнита электроны сначала ускоряются, при стабилизации магнитного поля начинают замедляться из-за столкновений с узлами металлической решетки. Затем средняя скорость становится равной 0, направленное движение прекращается. Статическое магнитное поле оказывает влияние только на движущиеся заряды, искривляя их траектории, но не меняя энергии. Сила, действующая на движущийся заряд в магнитном поле- сила Лоренца.

 Магнитное поле в вакууме распространяется со скоростью света. Т.о., можно предположить существование магнитодинамических волн в пространстве.  Проведем следующую аналогию с механикой:

Линейный вихрь- статическое магнитное поле

Линейный вихрь с переменным вращением, распространяющимся вдоль оси- продольная магнитодинамическая волна

Линейный вихрь с переменным вращением, распространяющимся поперек оси- поперечная магнитодинамическая волна 

. Магнитостатическое взаимодействие можно интерпретировать как явление, обусловленное давлением "частиц" физического вакуума. Вихри на одной оси вращения с одинаковым направлением вращения притягиваются, с противоположным- отталкиваются. Поперек оси вихри сцепляются при одинаковом вращении и начинают вращаться вокруг оси симметрии при противоположном. Вектора B напралены так же, как скорости частиц вихря: в центральной части вихря по оси, у краёв по касательным к вращающимся окружностям.

Так как магнитные силовые линии всегда замкнуты, магнитодинамические волны в вакууме являются поперечными. Продольные магнитодинамические волны распостраняются только посредством магнитоактивных частиц среды и называются спиновыми.

Магнитное поле прямого тока спадает обратно пропорционально расстоянию, магнитное поле постоянного магнита- по степенному закону. Это характеризует отличие поля от центральносимметричных электрического и гравитационного полей. Энергия магнитного поля прямого тока распределяется равномерно по цилиндрическим поверхностям, энергия постоянного магнита- по тороидальным. Площади этих поверхностей пропорциональны первой степени расстояния до них от источника. Фокусировка магнитного поля осуществляется в ферромагнитных средах.

Магнитное поле в веществе достаточно хорошо изучено. В зависимости от типа магнитной активности материалы делятся на диамагнетики, парамагнетики, ферро-,ферри-,антиферро(ферри)-магнетики и другие классы. В одних магнитное поле затухает (диа-), в других (ферро, ферри-) может переносится на значительные расстояния посредством обменного механизма передачи намагниченности. Такие волны называются спиновыми и бывают продольными и поперечными. В проводнике магнитное поле переносится со скоростями, близкими к световым, на большое расстояние- посредством зарядовых волн (электрического тока). При электролитической диссоциации перенос магнитного поля обусловлен переносом ионного тока.

В вакууме магнитодинамические волны можно наблюдать при вращении непроводящего постоянного магнита в плоскости, перпендикулярной оси намагничения. При вращении, вокруг магнита можно наблюдать поперечные магнитодинамические волны. Их направление и амплитуда в каждой точке будут определяться суммой магнитных полей элементарных диполей магнита.

При использовании двух вращающихся магнитов можно наблюдать области усиления и гашения магнитодинамических волн. Для получения интерференционной картины возможно использование расположенных вблизи, работающих на СВЧ частотах, магнитных катушек. Поляризация магнитодинамических волн имеет отличный от  фотонной поляризации характер. Главное отличие в том, что вектор B направлен под углом к направлению распространения волны. Дифракцию можно наблюдать при размещении на пути магнитодинамической волны куска ферромагнетика. Дисперсию- с использованием пара-(диа-)магнитного диспергирующего элемента.

 Электромагнитное  поле.

Электромагнитное поле в электродинамике определяется как "совокупность электрического и магнитного полей, которые могут при определённых условиях порождать друг друга". Согласно классической электродинамике любые изменения электрического или магнитного поля должны вызывать электромагнитные волны, распространяющиеся в среде с конечной скоростью, не превышающей определенного значения- скорости света в вакууме.

В квантовой электродинамике электромагнитное поле рассматривается как поток фотонов, частиц с нулевой массой покоя. Энергия волны определяется частотой составляющих её квантов, фотонов, и их количеством. Фотон представляется как цуг волн (волновой пакет) определенной частоты и поляризации.

Электромагнитные волны являются поперечными и могут переноситься на большие расстояния в вакууме. В среде их интенсивность спадает по экспоненциальному закону, а скорость распространения меньше с.

 На несовершенство теоретического описания э/м излучения указывает нерешенная проблема корпускулярно- волнового дуализма, неясный механизм взаимодействия фотонов (э/м излучения) с гравитационным полем, неясные механизмы взаимодействия элементарных частиц и э/м излучения (например, при аннигиляции).

Уже несколько веков предпринимаются попытки описания структуры фотона, которая наиболее всего согласовывалась бы с экспериментальными данными и имела эвристическую силу. Принятое официальной наукой представление о фотоне, как о волновом цуге или пакете волн не объясняет его структуры, т.к. понятие "амплитуда" (основной параметр волны) для фотона не вводится, и волновой пакет имеет свойство расплываться, тогда как фотон локализован в пространстве (вообще говоря, может и расплываться на дальних расстояниях). В стандартной модели фотон именуется "калибровочным бозоном" и его структура определяется  "виртуальными флуктуациями точечного фотона и набором партонов", что не проясняет физической сути его строения.

“Причину всех естественных  явлений постигают при помощи соображений механического характера, в противном случае приходится отказаться от всякой надежды когда-либо и что-нибудь понять в физике” Гюйгенс “Трактат о свете”

Согласимся с Гюйгенсом и попробуем провести параллели между электромагнитнетизмом и механикой:

винтовой тороидальный вихрь- фотон линейной поляризации

винтовой тороидальный вихрь, вращающийся поперек оси- фотон круговой поляризации (левой и правой)

В представленной аналогии вектор E на оси тороида направлен вдоль неё, ближе к торовой поверхности "заворачивается" вокруг оси. Вектор B циркулирует вокруг вектора E главной оси- по кольцевой оси. При этом вектора E и B на осях в любой момент времени ортогональны друг другу. Направление распространения модели фотона- поперек оси тороида. Направление вектора E определяют поляризацию. Фотон круговой поляризации устойчивее линейного, т.к. его поглощение в поляризующей среде не зависит от направления поляризации.

Как известно, в электродинамике используется понятие векторного потенциала A. Вектор B равен его ротору, т.е. циркулирует вокруг него.

 B = rot A

Электрическое поле E складывается из градиента скалярного потенциала и ∂A/∂t:

E = - grad - ∂A/∂t

Разности потенциалов в модели фотона нет, т.о. B в ней циркулирует вокруг E.

 В квантовой электродинамике фотон рассматривается как квант э/м возбуждения физического вакуума. Э/м волна представляется в виде потока фотонов, как элементарных частиц. Однако, волна есть результат связанных колебаний частиц среды около положений равновесия. В волне происходит перенос колебаний, а не самих частиц. Т. о., э/м волну можно представить в виде совокупности элементарных (фотонных) линий тока. В каждой такой линии тороидально- вихревое возбуждение физического вакуума (фотон) перемещается со скоростью света. Перемещение возбуждения можно представить в виде "нанизывания" на тороид фотона следующего тороида, предыдущий при этом пропадает. При этом варианте переноса возбуждения E и B поля циркулируют одно вокруг другого. Правильнее называть фотон (и др. элементарные частицы) околонаучным словом "волница". Т.к. он- не волна и не частица, а лишь проявляет волновые и корпускулярные свойства.

Тороидальный вихрь получается замыканием линейного вихря на себя. Замыкание происходит под действием деформации вихревой нити (линейного вихря), вызванной полем скоростей среды вблизи нити. На оси тора частицы физического вакуума текут вдоль оси. Если бы торовой закрутки не было, их течение стало бы не локализованным и образовался бы линейный вихрь. Для существования торового электрического и магнитного полей в отдельности требуются источники (среда)-  электрический и магнитный диполь соответственно. Эти поля не локализованы в пространстве, как в модели фотона, их напряженности плавно спадают при удалении от источников.

Одним из первых модель фотона в виде тороида пытался построить еще век назад Дж. Томсон. В соей работе "Электричество и материя" он пишет: "квант света… представляет якорное кольцо, образованное замкнутыми линиями электрической силы. Это кольцо движется вперед перпендикулярно своей плоскости со скоростью света". Но его модель не объясняла явления поляризации, поэтому не получила поддержки.

Впоследствии было разработано множество различных моделей э/м поля (фотонов). Обзор основных моделей, представленных в рунете, приводится на сайте Мантурова В.В. http://www.vmanturov.ru/index.php/articles/2-waves/18-fotonmodels 

Авторы предпринимают попытки связать свои модели с классической теорией и экспериментом. Например, Ацюковский В.А. рассматривает э/м волну как дорожку Кармана следующих один за другим вихрей в эфире.http://www.nihononline.ru/gl81.html

Представления о вихревой структуре фотона (и других элементарных частиц) возникли по причине схожести свойств вихря в механике и кванта э/м поля. Во- первых, это способность к самоорганизации при определенных условиях. Во- вторых,- способность распространяться в среде с малым трением, а, следовательно, высокой скоростью. В- третьих,- наличие ортогональных циркулирующих компонент в механическом вихре и э/м волне.

В механике сплошных сред могут существовать независимо звуковые волны и области турбулентности. Звуковые волны рассеиваются на линейных вихрях, приводя их в движение и могут образовывать тороидальные вихри при вхождении в зону турбулентности. Т.о., сложение поступательного и вращательного движения частиц механической среды может привести к образованию самоорганизованных объектов. Аналогичных процессов можно ожидать в среде физического вакуума (эфира). При сложении переменного электрического и магнитного полей при определенных условиях возникают устойчивые структуры- фотоны, поток которых (распространение возмущений физического вакуума) представляет электромагнитную волну.

Квантовать электрическое и магнитное поля в отдельности в вакууме имеет  смысл только, когда элементарные заряды и магнитные моменты разнесены на сравнимое с масштабом наблюдения расстояние. Поля непрерывно меняются в пространстве и могут иметь энергии, близкие к 0. Квантовать электродинамические, магнитодинамические  волны имеет смысл и от множества близко расположенных, синхронно меняющихся  элементарных "источников". Кванты э-д, м-д волн отличаются от фотонов структурой и  свойствами- тем, что они расплываются в пространстве-времени на близких расстояниях, энергия падает до 0. Гипотетическое расплывание фотонов возможно лишь на дальних расстояниях, этим некоторые мыслители объясняют красное смещение излучения далеких звезд.

Согласно классической электродинамике плоская монохроматическая волна представляет собой колеблющиеся во взаимноортогональных направлениях вектора E и B. Направление распространения волны- нормально им обоим. Сдвиг фаз между полями равен 0.

В большинстве приемопередающих антенн сдвиг фаз между напряжением и током, а соответственно, векторами E и B, равен 90 гр. Антенны бывают емкостного, индуктивного (магнитного, рамочного) и смешенного (диполь Герца) типов. Емкостные и индуктивные антенны могут иметь малые размеры, но их КПД при этом составляет лишь несколько %. Отдельно существует т.н. EH- антенна, разработанная Т. Хартом: http://www.eh-antenna.com/EH_theory.html. Её КПД при малых размерах (~0.01 дл. волны) достаточно высок, но она требует точной насторойки. В ней, по утверждению автора изобретения, вектора E и H сфазированы на излучающей поверхности антенны, из- за чего  эффективность антенны близка к таковой для полноразмерного диполя Герца. В антеннах типа диполя Герца волновой фронт формируется на расстояниях в 2-3 дл. волны от поверхности антенны. Размер антенны порядка длины волны необходим для того, чтобы осуществить фазирование E и H полей в ближней зоне.

Полями, проявляющими себя в макромасшатбе являются э, м, гравитационное. Одно переменное поле, вероятно, не порождает другое, а является одним из течений физического вакуума (поля, эфира). Поля имеют как сходные свойства, так и различия. При определенных условиях они могут образовывать устойчивые связи, например, электромагнитные волны.  

Основываясь на описанной в электродинамике структуре э/м волны можно проверить гипотезу о том, что э/м волна есть субстанция, образующаяся при смешивании переменного электрического и магнитного полей. Для этого необходимо создать область, в которой периодически меняющееся электрическое поле будет накладываться на переменное магнитное ( для начала во взаимно ортогональных направлениях и со сдвигом фаз = 0). Для этого можно использовать плоский конденсатор, помещенный в катушку Гельмгольца. При подаче синхронно меняющегося ВЧ напряжения на конденсатор и катушку в направлении, нормальном E и B, можно наблюдать распространение э/м волны. Меняя сдвиг фаз и угол между полями можно определять количество электрической и магнитной энергии, переходящей в электромагнитную. Также следует исследовать картину электрических и магнитных полей при смешивании двух переменных электрических полей и двух переменных магнитных.

Квант э/м поля, фотон имеет волновую структуру. Именно поэтому в опыте по наблюдению интерференции света от двух щелей интерференционная картина вырисовывается даже при посылке фотонов по очереди. Квантовомеханическое вероятностное описание не убедительно, т.к. не дает представление того, как фотон может одновременно пройти сквозь 2 щели. Вообще, в основу квантовой механики положен принцип неопределенности Гайзенберга, который очерчивает границы знаний ученых о микроскопической структуре элементарных частиц. При этом вырисовывается смутная картина микромира, содержащая неопределенности, заложенные в базовых математических объектах квантовой мехники, таких как волновая функция и матрица плотности.

С развитием высокоточной техники, позволяющей наблюдать и манипулировать объектами микроскопического масштаба, приходит понимание процессов, происходящих на молекулярном уровне. Это  т.н. "нанотехнологии".  Когда станут доступны "пико-" и "фемто-" технологии, вопросы, касающиеся структуры э/м поля и элементарных частиц будут решены. А пока приходится довольствоваться различными вероятностными теориями и догадками, как принимаемыми официальной наукой (квантовые теории, стандартная теория, хромодинамика, теории объединения и проч.), так и выдвигаемыми отдельными мыслителями.

Электрические, магнитные  и смешанные волны в среде.

На практике часто встречается передача электромагнитного поля на расстояние в среде с носителями тока (заряженными частицами). В коаксиальном кабеле может распространяться э/м волна со скоростями, достигающими 200000 км/с. Скорость зависит от частоты, индуктивности и емкости кабеля. Волна бежит в диэлектрическом промежутке, отражаясь от проводящих обкладок кабеля.

В сплошном металлическом проводнике э/м волна распространяться на дальние расстояния не может. Скин- эффект определяет максимально возможную глубину проникновения э/м волны в проводящую среду. Механизм передачи электричества и магнетизма в проводнике связан с передачей электрического и магнитного полей зарядовыми волнами.

В зарядовой волне электроны на одном конце провода вызывают возмущение электрического поля, которое со скоростью, близкой к с, передается на другой конец. Приходя в ускоренное движение электроны создают переменное электрическое поле в направлении движения и переменное магнитное в перпендикулярной плоскости. Электричекое поле "толкает" находящиеся спереди электроны. Зарядовая волна проявляет упругие свойства, т.к. взаимодействие электронов подчиняется з-ну Кулона. Вязкие свойства течения электронов в волне вызваны торможением об атомы металлической решетки. Магнитные поля движущихся по соседству электронов складываются, образуя концентрические кольцевые линии вокруг оси проводника. Магнитное поле в центре проводника близко к нулю, вокруг проводника- максимально. Направление магнитного поля проводника с током- нормально оси. Т.о., в проводнике при течении тока (заряженных частиц) распространяется продольная электрическая волна и поперечная магнитная волна. Аналогичные волны распространяются при ионном переносе.

Продольная магнитная волна возникает, когда  в среде по направлению распространения смотрит вектор H. Рассмотрим проводящий ферромагнитный магнитопровод. Магнитное поле в нем передается посредством продольной спиновой волны. Находясь в переменном магнитном поле свободные электроны магнитопровода ускоряются вокруг магнитных силовых линий. Т.о. возникают т.н. токи Фуко. Смещающиеся электроны создают существенные поперечные кольцевые токи вблизи поверхности магнитопровода. Ближе к центру токи слабее из-за скин- эффекта.  Электрическое вихревое поле может быть обнаружено при внесении неоднородности в токовое кольцо вокруг линий H. Например, внесение диэлектрического слоя в токовое кольцо приведет к разделению зарядов на нем. Вольтметр, подключенный к катушке, намотанной на магнитопровод, покажет величину электрического напряжения. Т.о., проводником чисто магнитной (спиновой) продольной волны является однородный ферромагнитный или ферритовый стержень.

Продолжение »

alex-korolev.narod.ru

Магнитные и электромагнитные поле

Магнитные и электромагнитные поле.

Электрическое и магнитные поля тесно связаны между собой. В природе существует электромагнитное поле - чисто электрические и чисто магнитные поля являются лишь его частными случаями. Изменяющиеся электрические и магнитные поля индуктируют друг друга.(под изменением поля надо понимать не только изменение его интенсивности, но и движение поля как целого).

Устройство передачи магнитных доменов использует самовозбуждающее управляющее поле для перемещения магнитного домена в тонком магнитном слое из ферромагнитного материала. Слой управления перемещением доменов сформирован из токопроводящего материала. При подаче на управляющий слой электрического поля по соседству с магнитным слоем и в управляющем слое возникает равномерно распределенный электрический ток. Магнитный домен, расположенный в магнитном слое, изменяет плотность тока в управляющем слое и вырабатывает вблизи себя область токового возмущения. Ток возмущения, взаимодействуя с магнитным полем домена, обеспечивает выработку результирующего индуцированного управляющего магнитного поля. Скорость и направление распространения магнитного домена управляются путем изменения прикладываемого электрического поля или путем изменения тока возмущения в управляющем слое.

Взаимное индуктирование электрического и магнитного полей происходит в пространстве с огромной скоростью /со скоростью света/ и представляет собой распространение электромагнитных волн. Такими электромагнитными волнами являются радиоволны, свет - инфракрасный, видимый, ультрафиолетовый, а также рент -геновские и гамма-лучи. Поэтому многие эффекты, описанные в этом разделе, имеют аналоги и в оптике, и, наоборот, "оптические" эффекты широко применяются в радиотехнике, особенно в диапазоне СВЧ (например, эффект Фарадея).

Магнитное поле может быть создано постоянными магнитными, переменными электрическим полем и движущимися электрическими зарядами, в частности теми, которые движутся в проводнике, создавая электрический ток.

Сила Лоренца

Сила, действующая на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле:

где:

• c — электродинамическая постоянная
• q — заряд частицы
• v — скорость частицы
• B — магнитная индукция поля
• α — угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции.

где:

• c — электродинамическая постоянная
• q — заряд частицы
• v — скорость частицы
• B — магнитная индукция поля
• α — угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции

При движении заряженной частицы в электромагнитном поле на неё будут действовать и электрическое, и магнитное поле, а полная сила есть сумма сил со стороны первого и второго:

где:

• E — напряжённость электрического поля,
• Fm — сила действующая со стороны магнитного поля (сила Лоренца в узком смысле),
• Fe — сила, действующая со стороны электрического поля,
• остальные обозначения - см. выше.

В однородном магнитном поле, направленном перпендикулярно вектору скорости, под действием силы Лоренца заряженная частица будет равномерно двигаться по окружности постоянного радиуса r . Сила Лоренца в этом случае является центростремительной силой:

При скорости v намного меньшей скорости света период T не зависит от v :

Если заряженная частица движется в магнитном поле так, что вектор скорости v составляет с вектором магнитной индукции B угол α, то траекторией движения частицы является винтовая линия с радиусом r и шагом винта h :

Сила Лоренца используется в телевизионных электронно-лучевых трубках, а также в масс-спектрометрии и МГД генераторах.

.

mirznanii.com

Взаимосвязь электрического и магнитного полей

Всегда, когда электрические заряды начинают двигаться, возникает магнитное поле, которое связано с движущимися электрическими зарядами; магнитные силовые линии концентрически охватывают электрический ток. Магнитное поле всегда обусловлено электрическим током. Оно возникает в пространстве, окружающем металлические проводники с током, электролиты при прохождении тока через них, движущиеся заряженные частицы воздухе. Магнитное поле является существенным признаком наличия электрического тока.

Экспериментально установлено (теоретически это предусмотрели М. Фарадей и Дж. Максвелл), что магнитное поле возникает также тогда, когда произвольно меняется напряженность электрического поля. Так, если соединить пластины заряженного конденсатора проводником, то магнитное поле существовать как вокруг проводника, по которому проходит ток, так и между пластинами конденсатора даже если они разобщены вакуумом.

Итак, в любой точке пространства, где происходит увеличение или уменьшение напряженности электрического поля, возникает магнитное поле, силовые линии которого концентрически охватывают поток электрической индукции, меняется со временем. Действительно, количество силовых линий, пересекающих некую плоскость, изменилась (т.е. изменилась их плотность - мера напряженности поля). Это произошло потому, что в результате поперечного перемещения силовых линий они либо вошли внутрь определенного контура (если напряженность возросла), или вышли из него (если напряженность уменьшилась). В обоих случаях они пересекли контур, ограничивающий эту плоскость.

В магнитном поле оказываются те спрятаны движения в материальной основе электрического поля, которые всегда сопровождают поперечное перемещение в пространстве электрических силовых линий и изменение их числа со временем. Если магнитное поле порождается электрическим полем, то и электрическое поле, в свою очередь, может быть вызвано не непосредственно зарядами, а перемещением и изменением магнитного поля. Однако электрические силовые линии поля, которое возникает при этом, существенно отличаются от силовых линий кулоновских полей.

В поле кулоновских электрических сил не существует замкнутых силовых линий, все эти линии выходят из положительных зарядов и входят в отрицательные.

Замкнутые электрические силовые линии свойственные полей, образующихся движущимися зарядами, а движущиеся электрические заряды связаны с магнитным полем.

Итак, мы подошли к неразрывного единства электрического и магнитного полей - к электромагнитному полю. Наиболее общим свойством, что объединяет эти поля, является их объективная реальность и материальность. Электрическое и магнитное поля - отдельные случаи более общего, электромагнитного поля. Эти виды материи, порожденные электрическими зарядами, токами и переменными полями, осуществляют электрическую, магнитную и электромагнитное взаимодействие. В современной физике установлено, что эти силовые взаимодействия происходят с конечной скоростью (с = 299792,458 км / с), а на смену принципа дальнодействия в классической физике, где скорость распространения взаимодействия тел бралась бесконечной, пришел принцип близкодействия. Для упомянутых полей существуют существенные различия. Например, электростатическое поле называют еще потенциальным. В нем работа по перемещению заряда по замкнутому контуру равна нулю. Магнитное, электрическое (с некулонивськимы силовыми линиями) и электромагнитное поля называют вихревыми. им не присуща упомянутая выше свойство.

Контрольные вопросы и задания

1. Что называется магнитным полем?

2. Что подтвердил X. Эрстед своим опытом, проведенным 1820 p.?

3. Какую форму и ориентацию имеют линии магнитной индукции поля, создаваемые током прямолинейном проводнике?

4. Что является первичным источником магнитных полей?

5. Дайте определение закона Био - Савара - Лапласа для магнитного поля постоянного тока.

6. С помощью какого закона можно определить силу взаимодействия двух прямолинейных токов?

7. Какой магнитный полюс Земли находится вблизи северного географического полюса?

8. Как будет вести себя стрелка компаса, размещенная на магнитном полюсе Земли?

9. Что такое сила Лоренца?

10. Назовите основные физические различия между диамагнетиками, парамагнетиками и ферромагнетиками.

11. Физическое величина выражается в Вебера? Дайте определение этой единицы.

12. Которая первопричина возникновения ЭДС индукции в замкнутом контуре?

13. Возникнет индукционный ток в рамке из металлической проволоки, которая постепенно движется в однородном магнитном поле? Объясните ответ.

14. От чего и каким образом зависит ЭДС индукции, возникающая в контуре?

15. Физическое величина выражается в генри?

16. От чего зависит взаимная индукция двух контуров?

17. Контур из проводника равномерно вращается в однородном магнитном поле. Ток которого характера возникает при этом в контуре?

18. Напишите формулу для энергии W электромагнитного поля.

estnauki.ru

• 
  2 категория
• 
  Книги про электричество
• 
  Кран мостовой чертеж
• 
  Сроки оплаты электроэнергии
• 
  Скорость в вакууме
• 
  Обман счетчика воды
• 
  Протоны и нейтроны электроны
• 
  Дежурный диспетчер жкх
• 
  Яркость ламп
• 
  Определение молния
• 
  Аббревиатура ктп