«Индукция магнитного поля» - Вывод1. В магнитное поле с индукцией В поместили проводник с током. Однородное. Никола Тесла. Какое магнитное поле называют однородным? Модуль вектора магнитной индукции В= F/Il количественная характеристика поля. Виды магнитных полей. От чего зависит модуль вектора магнитной индукции? Какие поля изображены на рисунках?

«Закон электромагнитной индукции» - Направления. Направление индукционного тока. Единичного заряда вдоль замкнутого контура, Магнит неподвижен. Скорость изменения магнитного потока. Совпадают. Электрический ток в катушке 2 возникает в моменты замыкания и размыкания ключа катушки 1. Закон электромагнитной индукции. ЭДС индукции равна. Вектора магнитной индукции внешнего поля.

«Правило Ленца» - Сформулировано в 1833 г. Э. Именно: Закон Джоуля - Ленца - физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. В 1828 г. выбран адъюнктом академии, а в 1834 г. академиком. Если ток увеличивается, то и магнитный поток увеличивается. Настолько же блестяща и плодотворна была и научная деятельность академика Ленца.

«Электромагнитное поле физика» - 7. 2. Датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851). 10. 3. Силовые линии поля – потоки или распространяющиеся колебания. Гипотеза о существовании электромагнитного поля и электромагнитных волн. Книга: «Динамическая теория электромагнитного поля», 1864 г.

«ЭМИ» - Повторим. План урока: Цель урока: Применим правило Ленца для следующих случаев: Английский физик и химик. 3. Закрепим. Явление электромагнитной индукции. Изучить явление электромагнитной индукции. Проблема. Применение ЭМИ. Тема урока: Откуда появился ток в замкнутом контуре? Майкл Фарадей.

Всего в теме 18 презентаций

Магнитное поле, условия его существования. Действие магнитного поля на электрический заряд и опыты , подтверждающие это действие. Магнитная индукция.

В 1820 г. датский физик Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около нее (рис. 27). В том же году французский физик Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение, если ток течет по ним в одном направлении, и отталкивание, если токи текут в разных направлениях (рис. 28). Явление взаимодействия токов Ампер назвал электродинамическим взаимодействием. Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов, согласно представлениям теории близкодействия, объясняется следующим образом: всякий движущийся электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле. Магнитное поле - особый вид материи, который возникает в пространстве вокруг любого переменного электрического поля.

С современной точки зрения в природе существует совокупность двух полей - электрического и магнитного - это электромагнитное поле, оно представляет собой особый вид материи , т. е. существует объективно, независимо от нашего сознания. Магнитное поле всегда порождается переменным электрическим, и наоборот, переменное магнитное поле всегда порождает переменное электрическое

Поле. Электрическое поле, вообще говоря, можно рассматривать отдельно от магнитного, так как носителями его являются частицы - электроны и протоны. Магнитное поле без электрического не существует, так как носителей магнитного поля нет. Вокруг проводника с током существует магнитное поле, и оно порождается переменным электрическим полем движущихся заряженных частиц в проводнике.

Магнитное поле является силовым полем. Силовой характеристикой магнитного поля называют магнитную индукцию (В). Магнитная индукция - это векторная физическая величина, равная максимальной силе, действующей со стороны магнитного поля на единичный элемент тока. В = F/IL Единичный элемент тока - это проводник длиной 1 м и силой тока в нем 1 А. Единицей измерения магнитной индукции является тесла. 1 Тл = 1 Н/А м. Магнитная индукция всегда порождается в плоскости под углом 90° к электрическому полю. Вокруг проводника с током магнитное поле также существует в перпендикулярной проводнику плоскости.

Магнитное поле является вихревым полем. Для графического изображения магнитных полей вводятся силовые линии, или линии индукции, - это такие линии, в каждой точке которых вектор магнитной индукции направлен по касательной. Направление силовых линий находится по правилу

Буравчика. Если буравчик ввинчивать по направлению тока , то направление вращения рукоятки совпадет с направлением силовых линий. Линии магнитной индукции прямого провода с током представляют собой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику (рис. 29).

Как установил Ампер, на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила. Сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током, прямо пропорциональна силе тока, длине проводника в магнитном поле и перпендикулярной составляющей вектора магнитной индукции. Это и есть формулировка закона Ампера, который записывается так: Fa = ILВ sin a. Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки. Если левую руку расположить так, чтобы четыре пальца показывали направление тока, перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции (В = В sin а) входила в ладонь, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера (рис. 30).

Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводниковые приборы.

Полупроводники - это вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличием примесей, изменением освещенности. По этим свойствам они разительно отличаются от металлов. Обычно к полупроводникам относятся кристаллы , в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5-2 эВ. Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объяснить указанные выше характерные свойства. При нагревании полупроводников их атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могут быть захвачены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительного иона. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном - «дырки». Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как перемещение положительного заряда. При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение «дырок» - дырочный ток проводимости.

В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается.

На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные. Допорная примесь - это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются липшие электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью n - 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью n = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости.

Акцепторная примесь - это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником р-типа. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью п = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах р-n-перехода. При приведении в контакт двух полупроводниковых приборов р-типа и л-типа в месте контакта начинается диффузия электронов из n-области в р-область, а «дырок» - наоборот, из р- в n-область. Этот процесс будет не бесконечным во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок».

Р-n-Контакт полупроводников, подобно вакуумному диоду, обладает односторонней проводимостью:

Если к р-области подключить «+» , а к n-области «-» , то запирающий слой разрушится и р-л-контакт будет проводить ток, электроны из д-области пойдут в р-область, а «дырки» из р-области в n-область (рис. 32).

В первом случае ток не равен нулю, во втором - ток равен нулю. Это означает, что если кр-области подключить «-» источника, а к л-области - «+» , то запирающий слой расширится и тока не будет. Полупроводниковый диод состоит из контакта

Двух полупроводников р- и n-типа . Полупроводниковые диоды имеют: небольшие размеры и массу, длительный срок службы, высокую механическую прочность, высокий коэффициент полезного действия, их недостатком является зависимость сопротивления от температуры.

В радиоэлектронике применяется также еще один полупроводниковый прибор: транзистор, который был изобретен в 1948 г. В основе триода лежит не один, а два р-л-перехода. Основное применение транзистора - это использование его в качестве усилителя слабых сигналов по току и напряжению , а полупроводниковый диод применяется в качестве выпрямителя тока. После открытия транзистора наступил качественно новый этап развития электроники - микроэлектроники, поднявший на качественно иную ступень развитие электронной техники, систем связи, автоматики. Микроэлектроника занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения. Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов - транзисторов, диодов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе. В результате этого процесса на одном кристалле одновременно создается несколько тысяч транзисторов, конденсаторов, резисторов и диодов, до 3500 элементов Размеры отдельных элементов микросхемы могут быть 2-5 мкм, погрешность при их нанесении не должна превышать 0,2 мкм. Микропроцессор современной ЭВМ, размещенный на кристалле кремния размером 6x6 мм, содержит несколько десятков или даже сотен тысяч транзисторов.

Однако в технике применяются также полупроводниковые приборы без р-n-перехода. Например, терморезисторы (для измерения температуры), фоторезисторы (в фотореле, аварийных выключателях, в дистанционных управлениях телевизорами и видеомагнитофонами).
Задача на применение графиков изопроцессов.

Решение

График показывает, что давление газа при переходе из состояния 1 в состояние 2 увеличилось в три раза , а объем в течение всего процесса оставался неизменным. Следовательно, процесс изменения состояния газа был изохорным. При изохорном процессе

Зависимость давления от температуры линейная, следовательно, график изохорного процесса в координатных осяхр, Т является прямой, проходящей через точки 1 и 2, которые соответствуют начальному и конечному состояниям газа. Отметим эти точки по известным начальным и конечным значениям давления и температуры. В координатных осях F, Т график изохорного процесса - это отрезок прямой, параллельной оси абсцисс, с ординатой, равной объему газа. Концы отрезка определяются значениями начальной и конечной температур (рис. 33, б). В координатных осях р, Т график изохорного процесса - прямая, направленная на точку, соответствующую 0 К (рис. 33, в).

Электромагнитная индукция. Магнитный поток. За кон электромагнитной индукции. Правило Ленца.

Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 г. Он опытным путем установил, что при изменении магнитного поля внутри замкнутого контура в нем возникает электрический ток, который называют индукционным током. Опыты Фарадея можно воспроизвести следующим образом: при внесении или вынесении магнита в катушку, замкнутую на гальванометр , в катушке возникает индукционный ток (рис. 34). Если рядом расположить две катушки (например, на общем сердечнике или одну катушку внутри другой) и одну катушку через ключ соединить с источником тока, то при замыкании или размыкании ключа в цепи первой катушки во второй катушке появится индукционный ток (рис. 35). Объяснение этого явления было дано Максвеллом. Любое переменное магнитное поле всегда порождает переменное электрическое поле.

Для количественной характеристики процесса изменения магнитного поля через замкнутый контур вводится физическая величина под названием «магнитный поток». Магнитным потоком через замкнутый контур площадью S называют физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции Б на площадь контура S и на косинус угла а между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к площади контура. Ф = BS cos а (рис. 36).

Опытным путем был установлен основной закон электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по величине скорости изменения магнитного потока через контур. . Если рассматривать катушку, содержащую п витков, то формула основного закона электромагнитной индукции будет выглядеть так: .

Единица магнитного потока Ф - вебер (Вб): 1В6 = = 1В-с.

Из основного закона следует смысл размерности: 1 вебер - это величина такого магнитного потока, который, уменьшаясь до нуля за одну секунду, через замкнутый контур наводит в нем ЭДС индукции 1 В.

Классической демонстрацией основного закона электромагнитной индукции является первый опыт Фарадея: чем быстрее перемещать магнит через витки катушки, тем больше возникает индукционный ток в ней, а значит, и ЭДС индукции.

Зависимость направления индукционного тока от характера изменения магнитного поля через замкнутый контур в 1833 г. опытным путем установил русский ученый Ленц. Он сформулировал правило, носящее его имя. Индукционный ток имеет такое направление, при котором его магнитное поле стремится скомпенсировать изменение внешнего магнитного потока через контур. Ленцем был сконструирован прибор, представляющий собой два алюминиевых кольца , сплошное и разрезанное, укрепленные на алюминиевой перекладине и имеющие возможность вращаться вокруг оси, как коромысло (рис. 37). При внесении магнита в сплошное кольцо оно начинало "убегать" от магнита, поворачивая соответственно коромысло. При вынесении магнита из кольца кольцо стремилось «догнать» магнит. При движении магнита внутри разрезанного кольца никакого эффекта не происходило. Ленц объяснял опыт тем, что магнитное поле индукционного тока стремилось компенсировать изменение внешнего магнитного потока.

Задача на определение работы газа с помощью гра фика зависимости давления газа от его объема.

Явление самоиндукции. Индуктивность. Электромагнитное поле.

Явление самоиндукции заключается в появлении ЭДС индукции в самом проводнике при изменении тока в нем. Примером явления самоиндукции является опыт с двумя лампочками, подключенными параллельно через ключ к источнику тока, одна из которых подключается через катушку (рис. 39). При замыкании ключа лампочка 2, включенная через катушку, загорается позже лампочки 1. Это происходит потому, что после замыкания ключа ток достигает максимального значения не сразу, магнитное поле нарастающего тока породит в катушке индукционную ЭДС, которая в соответствии с правилом Ленца будет мешать нарастанию тока.

Для самоиндукции выполняется установленный опытным путем закон: ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока в проводнике. .

Коэффициент пропорциональности L называют индуктивностью. Индуктивность - это величина, равная ЭДС самоиндукции при скорости изменения тока в проводнике 1 А/с. Единица индуктивности - генри (Гн). 1 Гн = 1 В с/А. 1 генри - это индуктивность такого проводника, в котором возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт при скорости изменения тока 1 А/с. Индуктивность характеризует магнитные свойства электрической цепи (проводника), зависит от магнитной проницаемости среды сердечника, размеров и формы катушки и числа витков в ней.

При отключении катушки индуктивности , включенная параллельно катушке, дает кратковременную вспышку (рис. 40).

Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки. Энергия магнитного поля находится по формуле

Энергия магнитного поля зависит от индуктивности проводника и силы тока в нем. Эта энергия может переходить в энергию электрического поля. Вихревое электрическое поле порождается переменным магнитным полем, а переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, т. е. переменные электрическое и магнитное поля не могут существовать друг без друга. Их взаимосвязь позволяет сделать вывод о существовании единого электромагнитного поля. Электромагнитное поле - одно из основных физических полей, посредством которого осуществляется взаимодействие электрически заряженных частиц или частиц, обладающих магнитным моментом. Электромагнитное поле характеризуется напряженностью электрического поля и магнитной индукцией. Связь между этими величинами и распределением в пространстве электрических зарядов и токов была установлена в 60-х годах прошлого столетия Дж. Максвеллом. Эта связь носит название основных уравнений электродинамики, которые описывают электромагнитные явления в различных средах и в вакууме. Получены эти уравнения как обобщение установленных на опыте законов электрических и магнитных явлений.

ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА ТЕОРЕТИЧЕСКАЙ И ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

Курсовая работа по физике.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ.

Выполнил студент группы фпо–3

Казанцев Н.Н.

Руководитель доцент кафедры ТОФ

Грызов Ю.В.

ЛИПЕЦК

2. Магнитное поле.

Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

Основные свойства магнитного поля:

магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами).

Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток (движущиеся заряды).

Открыл магнитное поле в 1820 г. датский физик Х.К. Эрстед.

Магнитное поле имеет направленный характер и должно характеризоваться векторной величиной. Эту величину принято обозначать буквой В . Логично было бы по аналогии с напряжённостью электрического поле Е назвать В напряжённостью магнитного поля. Однако по историческим причинам основную силовую характеристику магнитного поля назвали магнитной индукцией . Название же "напряжённость магнитного поля" оказалась присвоенной вспомогательной характеристике D электрического поля.

Магнитное поле, в отличии от электрического, не оказывает действие на покоящийся заряд. Сила возникает лишь тогда, когда заряд движется.

Итак, движущиеся заряды (токи) изменяют свойства окружающего их пространства – создают в нём магнитное поле. Это проявляется в том, что на движущиеся в нём заряды (токи) действуют силы.

Опыт даёт. Что для магнитного, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции:

поле В , порождаемое несколькими движущимися зарядами (токами), равно векторной сумме полей B I , порождаемых каждым зарядом (током) в отдельности:

II. Общая характеристика магнитного поля земли.

Земля в целом представляет собой огромный шаровой магнит. Человечество начало ис­пользовать магнитное поле Земли давно. Уже в начале XII-XIII вв. получает широкое распространение в мореходстве компас. Однако в те времена считалось, что стрелку компаса ориентирует Полярная звезда и её магнетизм. Предположение о существовании магнитного поля Земли впервые высказал в 1600 г. английский естествоиспытатель Гильберт.

В любой точке пространства, окружающего Землю, и на её поверхности об­наруживается действие магнитных сил. Иными словами, в пространстве, окру­жающем Землю, создаётся магнитное поле, силовые линии которого изобра­жены на рис.1.

Магнитные и географические полюса Земли не совпадают друг с другом. Се­верный маг­нитный полюс N лежит в южном полушарии, вблизи берегов Ан­тарктиды, а южный магнитный полюс S находится в Северном полушарии, вблизи северного берега острова Виктория (Канада). Оба полюса непрерывно перемещаются (дрейфуют) на земной поверхности со скоростью около 5 за год из-за переменности порождающих магнитное поле процессов. Кроме того, ось магнитного поля не проходит через центр Земли, а отстаёт от него на 430 км. Магнитное поле Земли не симметрично. Благодаря тому, что ось магнитного поля проходит всего под углом в 11,5 градусов к оси вращения планеты, мы можем пользоваться компасом.

Основная часть магнитного поля Земли, по современным воззрениям, имеет внутриземное происхождение. Магнитное поле Земли создаётся её ядром. Внешнее ядро Земли жидкое и металлическое. Металл – проводящее ток вещество, и если бы существовали в жидком ядре постоянные течения, то соответствующий электрический ток создавал бы магнитное поле. Благодаря вращению Земли, такие течения в ядре существуют, т.к. Земля в некотором приближении является магнитным диполем, т.е. своеобразным магнитом с двумя полюсами: южным и северным.

Незначительная часть магнитного поля (около 1%) имеет внеземное проис­хождение. Возникновение этой части приписывают электрическим токам, те­кущим в проводящих слоях ионосферы и поверхности Земли. Эта часть магнитного поля Земли подвержена слабому изменению со време­нем, которое называется вековой вариацией. Причины существования электрических токов в вековой вариации неизвестны.

В идеальном и гипотетическом предположении, в котором Земля была бы одинока в космическом пространстве, силовые линии магнитного поля планеты располагались таким же образом, как и силовые линии обычного магнита из школьного учебника физики, т.е. в виде симметричных дуг, протянувшихся от южного полюса к северному. Плотность линий (напряжённость магнитного поля) падала бы с удалением от планеты. На деле, магнитное поле Земли находится во взаимодействии с магнитными полями Солнца, планет и потоков заряженных частиц, испускаемых в изобилии Солнцем. Если влиянием самого Солнца и тем более планет из-за удалённости можно пренебречь, то с потоками частиц, иначе – солнечным ветром, так не поступишь. Солнечный ветер представляет собой потоки мчащихся со скоростью около 500 км/с частиц, испускаемых солнечной атмосферой. В моменты солнечных вспышек, а также в периоды образования на Солнце группы больших пятен, резко возрастает число свободных электронов, которые бомбардируют атмосферу Земли. Это приводит к возмущению токов текущих в ионосфере Земли и, благодаря этому, происходит изменение магнитного поля Земли. Возникают магнитные бури. Такие потоки порождают сильное магнитное поле, которое и взаимодействует с полем Земли, сильно деформируя его. Благодаря своему магнитному полю, Земля удерживает в так называемых радиационных поясах захваченные частицы солнечного ветра, не позволяя им проходить в атмосферу Земли и тем более к поверхности. Частицы солнечного ветра были бы очень вредны для всего живого. При взаимодействии упоминавшихся полей образуется граница, по одну сторону которой находится возмущённое (подвергшееся изменениям из-за внешних влияний) магнитное поле частиц солнечного ветра, по другую – возмущённое поле Земли. Эту границу стоит рассматривать как предел околоземного пространства, границу магнитосферы и атмосферы. Вне этой границы преобладает влияние внешних магнитных полей. В направлении к Солнцу магнитосфера Земли сплюснута под натиском солнечного ветра и простирается всего до 10 радиусов планеты. В противоположном направлении имеет место вытянутость до 1000 радиусов Земли.

Основная часть магнитного поля Земли обнаруживает аномалии в различных районах земной поверхности. Эти аномалии, по-видимому, следует приписать присутствию в земной коре ферромагнитных масс или различию магнитных свойств горных пород. Поэтому изучение магнитных аномалий имеет практи­ческое значение при исследовании полезных ископаемых.

Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитной стрелки. Если подвесить магнитную стрелку NS на нити l (рис.2) так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести стрелки, то стрелка установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли.

В северном полушарии - южный конец будет наклонён к Земле и стрелка со­ставит с го­ризонтом угол наклонения Q (на магнитном экваторе наклонение Q равно нулю). Вертикальная плоскость, в которой расположится стрелка, назы­вается плоскостью магнитного меридиана. Все плоскости магнитных меридиа­нов пересекаются по прямой NS , а следы магнитных меридианов на земной по­верхности сходятся в магнитных полюсах N и S . Так как магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами, то стрелка будет отклонена от гео­графического меридиана. Угол, который образует вертикальная плоскость, проходящая через стрелку (т.е. магнитный меридиан), с географическим мери­дианом, называется магнитным склонением a (рис. 2). Вектор

полей на­пряжёности магнитного поля Земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную и вертикальную(рис. 3). Значение углов наклоне­ния и склонения, а также горизонтальной составляющейдают возмож­ность определить величину и направление полной напряжённости магнитного поля Земли в данной точке. Если магнитная стрелка может свободно вращаться лишь вокруг вертикальной оси, то она будет устанавливаться под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в плоскости магнитного меридиана. Горизонтальная составляющая, магнитное склонениеa и на­клонение Q называются элементами земного магнетизма. Все элементы зем­ного магнетизма изменяются с течением времени.

А. Н. Григорьев. О существовании магнитного поля.

Показано, что магнитное поле вокруг цепочки равномерно движущихся зарядов не является суммой магнитных полей отдельных зарядов, а есть результат взаимодействия пробного заряда со всеми зарядами цепочки. Вокруг одиночного движущегося заряда нет никакого магнитного поля. Рассмотрены излучение электромагнитных волн и явление индукции в предположении, что магнитного поля вообще не существует. Указано, что классическая электродинамика может быть построена исходя из формулы для электрического поля произвольно движущегося заряда.

В середине XIX века Дж. К. Максвелл написал систему уравнений, теоретически обобщившую все известные к тому времени результаты экспериментов с заряженными телами, проводниками с током, магнитными стрелками. Она позволяла с единых позиций объяснить почти все известные к тому времени экспериментальные факты и вводила новое понятие “ток смещения”, в первоначальном варианте только в материальных средах, а затем распространенное Лоренцем и на вакуум.

Проблемы с теорией эфира привели в 1905 г. к появлению теории относительности. На ее основе Leigh Page в 1912 г. сократил количество “сущностей” и объяснил появление магнитных сил, до этого считавшихся проявлением особого "магнитного" поля, через релятивистские эффекты и закон Кулона.

Fig. 1

где: e –величина заряда;
R – радиус-вектор от токового заряда до данной точки;
θ - угол между направлением вектора скорости токового заряда (V"t.ch.) в новой системе отсчета и направлением на данную точку;
с - скорость света.

В правой верхней части рисунка изображены векторы электрического поля двух симметрично расположенных токовых зарядов в точке расположения пробного заряда. Их проекции на ось х обозначены через ExI и ExII. Поскольку в рассматриваемой системе отсчета эти векторы не равны, то будут неравными и их проекции на ось х. Их разность, обозначенная как ExII - ExI , приведет после перехода к непрерывному распределению зарядов и интегрирования по всем зарядам цепочки к появлению боковой силы действующей на пробный заряд:

Где:λ - плотность зарядов;
z - координата пробного заряда;
β = V"t.ch /c ;
α = arctg Vt.ch / Vc.ch.

Пересчитав эту силу назад, в лабораторную систему отсчета, нетрудно убедиться, что она равна силе Лоренца действующей со стороны магнитного поля, создаваемого цепочкой токовых зарядов, на пробный заряд или, другими словами, и в данном случае все сводится к закону Кулона и эффектам теории относительности. Собственно говоря, результат этих вычислений можно было предсказать заранее, поскольку величина силы Лоренца не зависит от направления движения пробного заряда.

А если z-составляющую электрического поля рассматриваемой цепочки зарядов скомпенсировать зарядом ионного остова металлической решетки, то мы получим магнитное поле металлического проводника с током в "чистом" виде, служившего объектом многочисленных исследований физиков XIX века.

Более того, поскольку вышеприведенные рассуждения справедливы и в случае притягивающихся частиц и природа сил взаимодействия не играет роли, то аналогичным образом может быть объяснено и гравимагнитное поле, возникающее в общей теории относительности.

Отметим одну важную особенность, вытекающую из сделанных нами выводов: для возникновения дополнительной силы, действующей на движущийся пробный заряд перпендикулярно к направлению его движения, необходимы как минимум два токовых заряда, между которыми, при переходе в другую систему отсчета, должно изменяться расстояние или направление равнодействующей силы, действующей на пробный заряд за счет деформации электрических полей токовых зарядов. Как бы ни двигался пробный заряд, направление силы, действующей на него со стороны любого токового заряда всегда направлено по прямой проходящей через оба эти заряда . Никакой силы, перпендикулярной направлению скорости пробного заряда не возникает, как это и изображено на fig.. 1.
Другими словами, магнитное поле вокруг цепочки зарядов не есть сумма магнитных полей отдельных зарядов, а результат взаимодействия пробного заряда со всеми зарядами цепочки образующих ток.
Парадоксы классической электродинамики

С другой стороны, согласно современным представлениям , вокруг одиночного движущегося заряда существует движущееся электрическое поле, следовательно, магнитное поле существует и вокруг такого заряда:

и на пробный заряд со стороны токового должна действовать сила, перпендикулярная его скорости. Это приводит к парадоксу, так как при рассмотрении двух движущихся перпендикулярно друг другу зарядов , получается нарушение третьего закона Ньютона (fig. 2). Заряд I движется в магнитном поле заряда II и, соответственно, на него действует полная сила Лоренца. В то же время на заряд II, в рассматриваемый момент времени, действует только электрическая сила, поскольку заряд I на линии своего движения магнитного поля не создает.

Fig . 2

Еще один парадокс возникает при попытке применения уравнения Максвелла для rot H к движущемуся одиночному заряду. Рассмотрим некоторый контур L вокруг траектории такого заряда и две поверхности I и II, опирающиеся на этот контур (fig. 3):

Fig . 3

Уравнение для rot H :

Для вычисления магнитного поля вдоль контура L нам необходимо проинтегрировать левую и правую части этого уравнения. В соответствии с теоремой Стокса линейный интеграл от вектора H по контуру L будет равен интегралу от rot H по поверхности опирающейся на контур L

В правой части уравнения стоит сумма двух слагаемых, первое учитывает изменение со временем электрического поля на некоторой поверхности, опирающейся на контур L (ток смещения), второе - ток заряженных частиц, текущий через эту же поверхность. На fig. 3 одиночный заряд пересекает в данный момент времени поверхность II. Следовательно, для этой поверхности в правой части уравнения присутствуют оба слагаемых, поскольку на всей поверхности II происходит так же и изменение электрического поля.

С другой стороны на поверхности I происходит только изменение электрического поля и второе слагаемое в правой части рассматриваемого уравнения отсутствует. А поскольку поверхность I может быть взята сколь угодно близкой к поверхности II, и изменения электрического поля на них будут практически одинаковыми, то мы приходим к двум значениям для rot H и, следовательно, величины самого H .

переходят в систему отсчета центра масс обеих сталкивающихся частиц, в которой, неподвижная в лабораторной системе заряженная частица, также движется, и, следовательно, вокруг нее должно существовать магнитное поле. Тем не менее, при выводе формулы рассматривают только кулоновское взаимодействие частиц и получают правильный результат.
Все эти парадоксы получают свое разрешение, если предположить, что равномерное движение заряда и связанного с ним электрического поля не приводит к появлению какого-то особого “магнитного поля”, а применение уравнения Максвелла для rot H , полученного из опытов с металлическими проводниками, т. е. при движении больших ансамблей зарядов, к одиночному заряду неправомерно и вокруг одного равномерно движущегося заряда не существует никакого магнитного поля.
О существовании магнитного поля

Пусть мы имеем целую систему зарядов движущихся в произвольных направлениях с различными скоростями и ускорениями и взаимодействующих друг с другом и нас интересует сила, действующая на какой-либо заряд со стороны всех других зарядов. Для вычисления такой силы нам необходимо перейти из лабораторной системы отсчета в систему отсчета связанную с этим зарядом (т. е. в ту, в которой он неподвижен и, следовательно, не участвует в магнитных взаимодействиях). При этом неизбежно изменятся скорости и направления движения всех зарядов входящих в систему. Затем необходимо поочередно вычислить силы электрического взаимодействия между данным зарядом и всеми остальными зарядами системы и векторно сложить их (принцип суперпозиции). Полученная равнодействующая сила будет следствием взаимодействия выбранного нами заряда со всеми остальными в его системе отсчета. При возвращении в исходную, лабораторную систему отсчета, нам придется пересчитать полученную силу в эту систему отсчета. Эта пересчитанная сила в общем случае будет отличаться от исходной как по величине, так и по направлению на некоторый разностный вектор. Это общее правило теории относительности применяемое для всех сил. Однако, в классической электродинамике этот разностный вектор приписывают действию “магнитного поля”.

Все магнитные явления проистекают из того факта, что согласно специальной теории относительности, из разных систем отсчета, движущихся с разными скоростями, окружающий мир представляется по-разному. В разной степени сокращаются длины окружающих предметов, с разной скоростью течет время и что особенно важно в нашем случае, из-за сокращения пространства в направлении движения, меняются плотности зарядов и конфигурации электрических полей. Именно это обстоятельство приводит к появлению магнитных сил. Само по себе изменение электрического поля не приводит к появлению какого-то особого “магнитного поля”.

Вообще, с философской точки зрения реально существует только электрическое поле. Между двумя электрически заряженными телами, существует "нечто", которое мы называем электрическим полем, обеспечивающее силовое взаимодействие между ними. Для объяснения сил действующих между двумя проводниками с током нет необходимости вводить еще одну сущность - "магнитное поле", все можно объяснить уже имеющимся электрическим полем и эффектами теории относительности.

Однако при этом сразу возникают противоречия с современными представлениями о распространении электромагнитной волны, согласно которым, в ней происходит непрерывное превращение электрического и магнитного полей друг в друга (fig. 4).

Fig . 4

Если мы объяснили силы, возникающие между проводниками с током и приписываемые действию магнитного поля через закон Кулона и теорию относительности, т. е. доказали что в данном случае никакого особого “магнитного поля” не существует, то непонятно, во что превращается электрическое поле в процессе распространения электромагнитной волны.

В источниках электромагнитных волн, а это, как правило, различные колеблющиеся диполи (мы, оставаясь в рамках классической физики, не рассматриваем излучение атомов и их ядер), в одни моменты времени электрические заряды неподвижны и разнесены на максимально возможное расстояние, затем следует фаза ускоренного движения этих зарядов, пока через четверть периода они не достигнут максимальной скорости и, наконец, торможение зарядов и их остановка. При этом их электрическое поле в заданной точке описывается уравнением :

E = (1)

Где: E - электрическое поле заряда;
v – скорость заряда;
R – радиус-вектор между зарядом и точкой наблюдения; (R – его дли- на)
с – скорость света, e –электрический заряд,

На достаточно больших расстояниях от диполя, за пределами волновой зоны, основную роль играет второе слагаемое, обусловленное ускоренными движениями электрических зарядов. Именно это электрическое поле, распространяясь во все стороны от диполя-излучателя, достигает приемных антенн и приводит в движение электрические заряды в них.

Нет никакой необходимости полагать, что между передающей и приемными антеннами происходит какое-то превращение электрического поля в магнитное и обратно. Иными словами, радиоволны представляют собой просто колебания электрического поля с длиной волны равной расстоянию между максимумами этого поля.

Но если мы отказываемся от представления о магнитном поле, то нам необходимо также объяснить явление электромагнитной индукции. В принципе, здесь нет больших отличий от уже рассмотренного случая взаимодействия зарядов в двух диполях. На fig. 5 изображены два проводника, по нижнему проводу протекает переменный ток, т. е. электрические заряды в нем движутся с ускорением dv/dt.

Для малых по сравнению с c скоростей движения заряда формула (1) существенно упростится:

(2)

На fig. 5 изображено поле Е обусловленное только вторым слагаемым последней формулы. Составляющая этого поля направленная вдоль верхнего проводника El, обеспечит движение зарядов в нем и появление э.д.с. на его концах, в чем и заключается явление индукции. Аналогичным образом объясняется и явление самоиндукции. Только в этом случае происходит взаимодействие между частями одного и того же проводника намотанного в катушку. При этом, индуктивность присуща и прямому проводнику, поскольку вышеприведенные рассуждения о взаимоиндукции двух проводников остаются справедливыми и для разных зарядов одного и того же проводника.

Конечно, на заряды в верхнем проводнике действует и поле, обусловленное первым слагаемым в формуле (2), однако при вычислении сил действующих на эти заряды со стороны зарядов нижнего проводника, за счет симметрии все усредняется и результирующая сила оказывается направленной поперек верхнего проводника. Более того, поскольку в подавляющем большинстве случаев на практике используются металлические проводники, то поле электронов, обусловленное первым слагаемым, оказывается нейтрализованным зарядом ионного остова металлической решетки.

Fig . 5

Поскольку второе слагаемое зависит только от ускорения зарядов, то отсюда следует, что трансформации могут подвергаться только переменные токи. Кроме того, из fig. 5 видно, что электрическое поле в верхнем проводнике направлено в противоположную сторону от направления ускорения зарядов в нижнем проводнике, чем и объясняется известный из электротехники факт, что во вторичных обмотках трансформаторов фаза напряжения переворачивается на 180 о. То же причиной объясняется и правило Ленца.

Несколько слов о роли ферромагнитных сердечников. Внутренний механизм их работы описывается квантовой механикой, моделью Кюри -Вейсса. С представленной здесь точки зрения, достаточно считать, что они, за счет взаимодействия электрического поля нижнего проводника с атомными токами ферромагнетика, усиливают именно электрическое поле в зоне расположения верхнего проводника на fig. 5. Аналогичным образом работают и магнитные антенны, применяемые в радиотехнике.

Хотя при выводе формулы (1) и использованы представления о магнитном поле и его вектор-потенциале, само по себе появление дополнительного электрического поля при ускоренном движении электрических зарядов представляет собой самостоятельный закон природы и только ограниченность наших знаний и зигзаги исторического пути развития науки заставляют привлекать для получения второго слагаемого формулы (1) представления об особом “магнитном” поле.

Как видно из fig. 5 и формул (1) и (2) для прямолинейных проводов (или цепочек ускоренно движущихся зарядов) бесконечной длины электрическое поле, обусловленное вторыми слагаемыми этих формул, во всем пространстве направлено вдоль этих проводов. Никаких вихрей электрического поля не возникает.

Другое дело, когда сам провод намотан катушку, уложен в виде “вихря”. В таком случае рассматриваемое электрическое поле, следуя за проводником, так же имеет вид вихря. И именно отсюда появилось представление о вихрях электрического и магнитного полей математически записанных в виде роторов Е и Н и затем распространенное на все электродинамические явления.

Об опытах и теории классиков

Интересно рассмотреть с этой точки зрения классические опыты, приведшие к созданию системы уравнений Максвелла. Прежде всего, рассмотрим опыт демонстрирующий явление электромагнитной индукции, при котором изменяют расстояние между двумя катушками по одной из которых, неподвижной, течет постоянный ток, а концы другой подключены к гальванометру. Появление э. д. с. во второй катушке полностью соответствует ситуации изображенной на fig. 1. При сближении катушек свободные электроны проводимости в движущейся катушке оказываются в положении пробного заряда на этом рисунке, на них действует уже описанная сила, приводящая к их движению, и в контуре, образованном катушкой и гальванометром, течет ток. В силу относительности движения ничего не поменяется, если, оставив в покое вторую катушку, начать двигать катушку с током.

Изменение тока в первой катушке также приводит к появлению э. д. с. во второй катушке. Причина этого явления, заключающаяся в электромагнитной индукции, рассмотрена выше.

Основоположники классической электродинамики проводили свои опыты именно с катушками, а поскольку они представляют собою проводники уложенные в виде “вихрей”, то и поля ими создаваемые имели такой же характер. На основании гипотезы Ампера то же самое можно сказать и о магнитных стрелках. Затем представление о вихреобразных полях было ошибочно распространено на все электромагнитные явления. Если предположить, что все электромагнитные явления объясняются законом Кулона, теорией относительности и возникновением дополнительного электрического поля (описываемом вторым слагаемым в формуле (1)) при ускоренном движении зарядов, то все уравнения Максвелла, в которые входят роторы электрического и магнитного полей, должны относиться только к частному случаю полей создаваемых катушками.

Ну а если предположить, что в природе вообще не существует магнитного поля, то теряют физический смысл вообще все уравнения Максвелла в которые оно входит, исчезает необходимость в “токе смещения”. Понятие “ток смещения”, остается в силе только для электрических явлений в материальных средах (в конце концов, в вакууме и смещаться то нечему). Теория Максвелла становится чисто феноменологической теорией, хотя и позволяющей получать практически ценные результаты, но не соответствующей реальному положению вещей. В конце концов, теория движения небесных тел.

Птолемея так же позволяла кораблям благополучно приходить в порты назначения, хотя и имела мало чего общего с правильной теорией Коперника.

Тем не менее, к настоящему времени на основе теории Максвелла развит мощный математический аппарат, позволяющий получать ценные результаты в электро и радиотехнике и теоретической физике. На ее стороне оказывается и наглядность демонстрации магнитного поля постоянных магнитов и катушек с током. Однако и здесь ситуация похожа на ситуацию с движением небесных тел – нам кажется, что в полном соответствии с теорией Птолемея, все небесные тела обращаются вокруг Земли.

Тем не менее, как и в астрономии, где для многих целей представляется, что небесные тела расположены на вращающейся вокруг Земли бесконечно удаленной небесной сфере, представление о магнитном поле остается очень удобным инструментом при расчете различных устройств, работа которых основана на магнитных явлениях.

Первая строка этой таблицы соответствует полю неподвижного заряда. Если ввести дополнительную величину ρ – плотность электрических зарядов, то можно перейти от суммирования к интегрированию и применить для нахождения электрических полей всю мощь интегрального исчисления. В дифференциальной форме этот случай соответствует уравнению Максвелла для div E.

Вторая строка описывает поле ответственное за появление “магнитных сил” при постоянных токах. Механизм возникновения этих сил рассмотрен в и в начале данной статьи.

Строка 3 описывает электромагнитную индукцию и излучение электромагнитных (вернее электрических) волн.

Очень большое значение имеет случай описываемый четвертой строкой. Именно сокращение пространства и уменьшение электрического поля в направлении движения приводит к сближению атомов в твердых телах и уменьшению размеров последних в направлении их движения – одному из главных выводов специальной теории относительности. Кроме того, наличие множителя v/c в знаменателях обеих частей формулы (1), обращающего их в нули, а напряженность электрического поля в бесконечность, указывает на то, что с является предельным значением для v.

Наконец пятая строка соответствует самому общему случаю электрического поля произвольно движущегося заряда.
Резюмируя все вышесказанное, отметим следующее:

В физике сложилась парадоксальная ситуация когда силы действующие на частицу движущуюся вблизи проводника с током объясняются двумя способами – либо воздействием особого “магнитного поля”, либо законом Кулона и эффектами теории относительности.

При попытке применения классических представлений к одиночным зарядам возникают парадоксы.

Вопреки классическим представлениям, вокруг одиночного движущегося заряда не существует никакого магнитного поля.

Распространение радиоволн (и вообще электромагнитных волн), явление электромагнитной индукции можно объяснить, не прибегая к понятию “магнитного поля”.

Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля М. “Наука”, 1967 г. с.90, 126, 214

В 1820 г. датский физик Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около нее (рис. 27). В том же году французский физик Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение, если ток течет по ним в одном направлении, и отталкивание, если токи текут в разных направлениях (рис. 28). Явление взаимодействия токов Ампер назвал электродинамическим взаимодействием. Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов, согласно представлениям теории близкодействия, объясняется следующим образом: всякий движущийся электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле. Магнитное поле - особый вид материи, который возникает в пространстве вокруг любого переменного электрического поля.

С современной точки зрения в природе существует совокупность двух полей - электрического и магнитного - это электромагнитное поле, оно представляет собой особый вид материи, т. е. существует объективно, независимо от нашего сознания. Магнитное поле всегда порождается переменным электрическим, и наоборот, переменное магнитное поле всегда порождает переменное электрическое

Поле. Электрическое поле, вообще говоря, можно рассматривать отдельно от магнитного, так как носителями его являются частицы - электроны и протоны. Магнитное поле без электрического не существует, так как носителей магнитного поля нет. Вокруг проводника с током существует магнитное поле, и оно порождается переменным электрическим полем движущихся заряженных частиц в проводнике.

Магнитное поле является силовым полем. Силовой характеристикой магнитного поля называют магнитную индукцию (В). Магнитная индукция - это векторная физическая величина, равная максимальной силе, действующей со стороны магнитного поля на единичный элемент тока. В = F/IL Единичный элемент тока - это проводник длиной 1 м и силой тока в нем 1 А. Единицей измерения магнитной индукции является тесла. 1 Тл = 1 Н/А м. Магнитная индукция всегда порождается в плоскости под углом 90° к электрическому полю. Вокруг проводника с током магнитное поле также существует в перпендикулярной проводнику плоскости.

Магнитное поле является вихревым полем. Для графического изображения магнитных полей вводятся силовые линии, или линии индукции, - это такие линии, в каждой точке которых вектор магнитной индукции направлен по касательной. Направление силовых линий находится по правилу

Буравчика. Если буравчик ввинчивать по направлению тока, то направление вращения рукоятки совпадет с направлением силовых линий. Линии магнитной индукции прямого провода с током представляют собой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику (рис. 29).

Как установил Ампер, на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила. Сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током, прямо пропорциональна силе тока, длине проводника в магнитном поле и перпендикулярной составляющей вектора магнитной индукции. Это и есть формулировка закона Ампера, который записывается так: Fa = ILВ sin a. Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки. Если левую руку расположить так, чтобы четыре пальца показывали направление тока, перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции (В = В sin а) входила в ладонь, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера (рис. 30).