Електромагнітне поле

Електричне поле створюють заряди. Магнітне поле виникає під час руху електричних зарядів через провідник. Електромагнітне поле – це особлива форма матерії, через яку здійснюється вплив між електричними зарядженими частинками.

Електромагнітне поле – форма існування матерії, за допомогою якої відбувається взаємодія між зарядженими частинками.

Вважається, що електромагнітне поле має дві складові: електричну, котра характеризується дією поля на рухомі й нерухомі заряджені частинки, і магнітну, котра характеризується дією тільки на заряджені рухомі частинки.

Електричне поле характеризується дією сили F на заряд q: F = qE. Джерелом електричного поля може бути будь-яка заряджена частинка або заряджене тіло. Крім того, джерелом електричного поля може бути й змінне магнітне поле.

Магнітне поле характеризується дією на заряджені рухомі частинки силою Лоренца

Джерелом магнітного поля можуть бути заряджені рухомі тіла і частинки й намагнічені тіла.

Гіпотеза Максвелла

Англійський фізик Дж. Максвелл дійшов висновку, що магнітне поле, яке змінюється з часом, породжує електричне поле. Це дуже важливий висновок: адже породження електричного поля магнітним полем відбувається навіть там, де немає провідного контуру й не виникає електричний струм. Як бачимо, магнітне поле може не тільки передавати магнітні взаємодії, але й бути причиною появи іншої форми матерії – електричного поля. Електричне поле, утворене змінним магнітним полем, є вихровим, тобто його силові лінії є замкнутими. Керуючись принципом симетрії, Максвелл висловив гіпотезу, що й змінне електричне поле породжує магнітне поле.

Спираючись на той факт, що електричне поле породжується змінним магнітним полем, а магнітне поле – змінним електричним, Максвелл дійшов висновку:

Електричного й магнітного поля не існує окремо, незалежно одне від одного, існує єдине електромагнітне поле. Звертаємо увагу на те, що Максвелл так само як і Ерстед, і Ампер, вірив у загальний взаємозв'язок явищ. На той час висновок Максвелла ні чим не був підтверджений і томувикликав сумнів вчених, адже, дійсно теорія повинна бути підтверджена практикою. Фундаментальним висновком з теорії Максвєлла є передбачення, що мають існувати електромагнітні хвилі, швидкість поширення яких дорівнює швидкості світла. Основні положення теорії електромагнітного поля узагальнені у рівняннях Максвєлла. Однак, щоб їх прочитати і зрозуміти, потрібні знання з вищої математики.

На частинку, що має заряд q і рухається в електромагнітному полі, діє узагальнювальна сила Лоренца Fуз, яку можна визначити за формулою:

Де Fел – електрична складова узагальнювальної сили Лоренца; Fм – магнітна складова узагальнювальної сили Лоренца.

Відповідно до гіпотези Максвелла змінні електричного й магнітного поля не можуть існувати одне без іншого.

Електромагнітне поле має властивість безперервності: якщо в деяких точках A і B простору існує електромагнітне поле, то воно існує й у просторі між цими точками. Електромагнітне поле поширюється в просторі з кінцевою швидкістю, що у вакуумі дорівнює швидкості поширення світла – 3 * 10 8 м/с.

Відносність електричних і магнітних полів

Максвелл переклав мовою рівнянь всі відомі факти й положення, що стосуються електричних і магнітних явищ. Цю систему рівнянь для електричних і магнітних полів називають сьогодні “рівняннями Максвелла”. Опишемо ці рівняння вербально, звівши їх у таблицю:

Із цієї таблиці можна зробити такі висновки:

1. Електричне й магнітне поля перетворюються одне в одного під час переходу з однієї інерціальної системи в іншу. Можна сказати, що поділ поля на електричне і магнітне доволі відносний і залежить від системи відліку.

2. Вибір системи відліку – суб’єктивний акт, від якого не залежить саме існування поля.

Електромагнітне поле – ось та об’єктивна реальність, що існує незалежно від того, ставимо ми дослід і в якій системі відліку чи взагалі його не проводимсо. Тому електромагнітне поле не можна розглядати як “сукупність” електричних і магнітних полів. Електричне й магнітне поля – прояв єдиного цілого (електромагнітного поля) за різних умов.

ДОСЛІДИ ГЕРЦА

Узагальнивши результати досліджень своїх попередників, які вивчали електричні й магнітні явища, Д. К. Максвелл передбачив існування електромагнітних хвиль. Після цього вчені спрямували свої зусилля на пошуки електромагнітних хвиль. Найбільш успішними були експериментальні дослідження талановитого німецького вченого-фізика Г. Р. Герца. Після багаторічних пошуків і досліджень він у 1888 р. опублікував результати своєї праці, де повідомляв, що експериментально підтвердив існування електромагнітних хвиль. Він також дослідив основні властивості електромагнітних хвиль. Розглянемо зміст дослідів Герца, оскільки вони дають змогу зрозуміти механізм утворення і поширення електромагнітних хвиль.

Основною частиною експериментальної установки Г. Р. Герца був випромінювач у вигляді двох металевих стрижнів 1, з'єднаних із джерелом високої напруги 2. (мал. 4.6).

Між стрижнями виникав іскровий розряд. Оскільки напруга на стрижні подавалася окремими імпульсами, то між кульками на кінцях стрижнів періодично відбувались іскрові розряди. Якщо неподалік випромінювача знаходилася система з двох таких самих, як і у випромінювачі, стрижнів, то між їхніми суміжними кінцями пробігала іскра щоразу, коли відбувався розряд між стрижнями випромінювача. Це явище засвідчує, що в просторі між двома системами відбувається процес, внаслідок якого передається енергія. Дослідження цього процесу підтвердили, що він має всі ознаки хвилі. Для нього характерні явища інтерференції, дифракції, поляризації, які властиві лише хвильовим процесам. Г. Р. Герц навіть зміг виміряти довжину хвилі отриманого електромагнітного випромінювання, яка в дослідах приблизно дорівнювала 60 см.

Вібратор Герца випромінює електромагнітну хвилю.

Коливання у вібраторі Герца породжується іскрою.

Причиною виникнення електромагнітних хвиль, як і хвиль будь-якої іншої природи, був коливальний процес, що відбувався у системі з двох стрижнів. Ця система дістала назву вібратора Герца. Коливання у вібраторі з'являлися щоразу, коли відбувався іскровий розряд. Г.Р.Герцу було відомо, що 1862 р. датський фізик В. Федерсон установив коливальний характер електричної іскри. Отже, використання її ученим у дослідах було цілком усвідомленим і не випадковим. Інших джерел електромагнітних коливань у той час учені не знали.

З розвитком електроніки з'явилася можливість одержувати незатухаючі електромагнітні коливання за допомогою електронних генераторів.

УТВОРЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ

Електромагнітні коливання поширюються у вигляді електромагнітних хвиль. У них відбуваються взаємні перетворення електричного і магнітного полів, які разом утворюють змінне електромагнітне поле. Процес поширення змінного електромагнітного поля у просторі називають електромагнітною хвилею.

Для одержання електромагнітних хвиль, як і хвиль будь-якої природи, потрібна система, в якій відбуваються коливання. Для електромагнітних коливань такою системою може бути коливальний контур.

Сучасні електронні системи дають змогу підтримувати в ньому незатухаючі коливання протягом тривалого часу, що, у свою чергу, створює умови для тривалого випромінювання електромагнітних хвиль.

Однак сам по собі закритий коливальний контур не може випромінювати електромагнітні хвилі. Електромагнітні коливання відбуваються в самому коливальному контурі і зовні це практично нічим не проявляється. Його електричне поле зосереджене між обкладками конденсатора і поза його межами практично не виявляється. Змінні ж магнітні поля зосереджені в основному всередині котушки контура і не виходять за його межі. Коливання електромагнітного поля можуть поширюватися в просторі, якщо вони відбуваються в так званому відкритому контурі, який має два досить довгі провідники, з'єднані один з одним через котушку індуктивності (мал. 4.8).

Для збудження електромагнітних коливань у відкритому контурі є різні способи, але найпоширеніший з них, коли котушка індуктивності відкритого коливального контура утворює індуктивний зв язок з контуром генератора незатухаючих коливань (мал. 4.9).

Закритий коливальний контур не випромінює електромагнітних хвиль.

Завдяки явищу електромагнітної індукції в котушці L_a з'являється змінна ЕРС, внаслідок чого в провідниках виникає змінний струм, а на провідниках — різнойменні заряди. Оскільки електрони, які утворють змінний електричний струм у провідниках, рухаються прискорено, то провідники відкритого коливального контура матимуть змінне електромагнітне поле.

Відкритий коливальний контур, у якому відбуваються електромагнітні коливання, має змінні магнітне й електричне поля. Кожне з цих полів індукуватиме поле-«супутник». Так, змінне електричне поле відкритого коливального контура індукуватиме «власне» змінне магнітне поле, вже не пов'язане із струмом у провідниках. Відповідно до теорії Максвелла, вектор магнітної індукції цього поля буде перпендикулярним до вектора напруженості електричного поля, а його значення залежатиме від швидкості зміни вектора напруженості електричного поля. Індуковане змінне магнітне поле, у свою чергу, спричинюватиме появу індукованого електричного поля, вектор напруженості якого буде перпендикулярним до вектора магнітної індукції, а його значення залежатиме від швидкості зміни магнітної індукції.

Індукційні процеси захоплюють все нові й нові точки простору, і, таким чином, змінне електромагнітне поле поширюється у просторі зі швидкістю світла.

Відкритий коливальний контур може бути джерелом електромагнітної хвилі.

Змінний струм у відкритому коливальному контурі породжує змінне електромагнітне поле. Зміни електромагнітного поля поширюються в просторі, як хвилі. На відстані декількох довжин хвилі від відкритого коливального контура в просторі вже поширюється єдина електромагнітна хвиля, в якій відбуваються взаємозумовлені одночасні зміни електричного і магнітного полів — складових електромагнітного поля. Цю частину хвилі називають хвильовою зоною. У хвильовій зоні зміни вектора напруженості електричного поля і вектора магнітної індукції відбуваються одночасно.

Графічно електромагнітну хвилю можна зобразити у вигляді двох синусоїд, розміщених у взаємно перпендикулярних площинах (мал. 4.10).

Аналітично коливальний процес, яким є електромагнітна хвиля, описується двома рівняннями:

де E_о і B_о — амплітуди хвилі; t — час спостереження; w — циклічна частота; r — відстань поширення хвилі; с — швидкість світла.

джерело

Відео до заняття 6

Я поміркую й зможу пояснити

1. Які явища засвідчують зв'язок між електричними і магнітними полями?

2. У чому суть явища магнітоелектричної індукції?

3. Які основні властивості електромагнітного поля?

4. За яких умов електромагнітне поле виявляється лише як електричне поле зарядженого тіла?

5. Коли можна одночасно виявити електричне і магнітне поля зарядженого тіла?

6. Яка мета досліджень Г. Р. Герца?

7. З яких частин складалася експериментальна установка Г. Р. Герца?

8. Чому в дослідах Г. Р. Герца було використано електричну іскру?

9. Які факти підтверджують хвильову природу випромінювання, відкритого Г. Р. Герцом?

10. Що називають електромагнітною хвилею?

11. Чому закритий коливальний контур не випромінює електромагнітних хвиль?

12. З якою метою застосовують відкритий коливальний контур?

13. Як випромінюється електромагнітна хвиля?

14. Як взаємно розміщені основні вектори в електромагнітній хвилі у хвильовій зоні?

15. Як розміщений вектор швидкості хвилі відносно векторів Е і В?

16. Яка роль коливального контура в процесі утворення електромагнітної хвилі?

17. Яку електромагнітну хвилю називають вільною?

Я вмію досліджувати й експериментувати

1. Заряджена куля на ізолюючій підставці перебуває у спокої на столі. Є прилади, за допомогою яких можна виявити електромагнітне поле. У якому випадку виявляється тільки електричне поле? тільки магнітне? електричне й магнітне одночасно?

2. Чи можна вибрати систему відліку, у якій електронний промінь у кінескопі телевізора не створює електричного поля? магнітного поля?

3. Чи можна вибрати систему відліку, у якій прямолінійна ділянка проведення з постійним струмом не створює магнітного поля?

Я можу застосовувати знання й розв'язувати задачі

1. У скільки разів і як зміниться швидкість поширення електромагнітної хвилі у разі переходу з вакууму в деяке середовище, якщо довжина хвилі зменшиться у 9 разів?

2. Скільки коливань відбувається в електромагнітній хвилі, що має довжину 500 м, за час, який дорівнює періоду звукових коливань з частотою 3 000 Гц?

3. Електромагнітні хвилі поширюються в однорідному середовищі зі швидкістю 2 • 108 ^м_с. Яку довжину хвилі мають коливання у цьому середовищі, якщо їх частота у вакуумі 1 МГц?

4. Електромагнітні хвилі поширюються в середовищі зі швидкістю 2 • 108 ^м_с. Знайдіть довжину хвилі, якщо у вакуумі вона дорівнює 6 м?

5. Телевежа розміщена на межі прямої видимості від приймальної антени телевізійного приймача. Знайдіть відстань між ними, якщо відомо, що висота телевежі 300 м, а висота приймальної антени — 10 м.

6. Електроємність конденсатора зміннбї ємності в контурі радіоприймача може змінюватися від 50 до 450 пФ. Індуктивність котушки при цьому не змінюється і дорівнює 0,6 мГн. Які довжини хвиль може приймати радіоприймач?

7. На яку довжину хвилі настроєний коливальний контур, що складається з котушки індуктивністю 1,6 мГн і конденсатора ємністю 400 пФ?

8. Яку індуктивність повинна мати котушка, щоб разом із конденсатором ємністю 0,005 мкФ скласти контур, що резонує на електромагнітну хвилю завдовжки 500 м?

9. Радіостанція працює на хвилі завдовжки 150 м. Яку ємність має конденсатор у коливальному контурі передавача, якщо індуктивність його котушки 0,2 мГн ?

Тест самоконтролю за підсумками вивчення курсу "Електромагнітна індукція"