Электрические и магнитные явления известны человечеству с античных времен, ведь все же видели молнию, и многие древние знали о магнитах, притягивающих некоторые металлы. Багдадская батарейка, изобретенная 4000 лет назад - одно из свидетельств того, что задолго до наших дней человечество электричеством пользовалось, и судя по всему знало как оно работает. Тем не менее, считается, что до начала 19 века электричество и магнетизм рассматривались всегда отдельно друг от друга, принимались как несвязанные между собой явления, и относились к различным разделам физики.
Изучение магнитного поля началось в 1269 году, когда французский учёный Пётр Перегрин (рыцарь Пьер из Мерикура) отметил магнитное поле на поверхности сферического магнита, применяя стальные иглы, и определил, что получающиеся линии магнитного поля пересекались в двух точках, которые он назвал «полюсами» по аналогии с полюсами Земли.
Эрстед в своих экспериментах только в 1819 году обнаружил отклонение стрелки компаса, расположенного вблизи проводника с током, и тогда ученым был сделан вывод о том, что существует некая взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями.
Спустя 5 лет, в 1824 году, Ампер сумел математически описать взаимодействие токонесущего проводника с магнитом, а также взаимодействие проводников между собой, так появился : «сила, действующая на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, пропорциональна длине проводника, силе тока и синусу угла между вектором магнитной индукции и проводником».
Относительно действия магнита на ток, Ампер предположил, что внутри постоянного магнита присутствуют микроскопические замкнутые токи, которые и создают магнитное поле магнита, взаимодействующее с магнитным полем токонесущего проводника.
Например двигая постоянный магнит возле проводника, можно получить в нем пульсирующий ток, а подавая пульсирующий ток в одну из катушек, на общем железном сердечнике с которой находится вторая катушка, во второй катушке также появится пульсирующий ток.
Через 33 года, в 1864 году, Максвелл сумел обобщить математически уже известные электрические и магнитные явления, - он создал теорию электромагнитного поля , согласно которой электромагнитное поле включает в себя взаимосвязанные электрическое и магнитное поля. Так, благодаря Максвеллу, стало возможным научное математическое объединение результатов предшествующих экспериментов в электродинамике.
Следствием этих важных выводов Максвелла явилось его предсказание о том, что в принципе любое изменение в электромагнитном поле должно порождать электромагнитные волны, которые распространяются в пространстве и в диэлектрических средах с некоторой конечной скоростью, которая зависит от магнитной и диэлектрической проницаемостей среды распространения волн.
Для вакуума эта скорость оказалась равна скорости света, в связи с чем Максвелл предположил, что свет - это тоже электромагнитная волна, и данное предположение позже подтвердилось (хотя еще за долго до экспериментов Эрстеда на волновую природу света указывал Юнг).
Максвелл же создал математическую основу электромагнетизма, и в 1884 году появились знаменитые уравнения Максвелла в современной форме. В 1887 году Герц подтвердит теорию Максвелла относительно : приемник зафиксирует посланные передатчиком электромагнитные волны.
Изучением электромагнитных полей занимается классическая электродинамика. В рамках же квантовой электродинамики электромагнитное излучение рассматривается как поток фотонов, в котором электромагнитное взаимодействие переносится частицами-переносчиками - фотонами - безмассовыми векторными бозонами, которые можно представить как элементарные квантовые возбуждения электромагнитного поля. Таким образом, фотон - это квант электромагнитного поля с точки зрения квантовой электродинамики.
Электромагнитное взаимодействие представляется сегодня одним из фундаментальных взаимодействий в физике, а электромагнитное поле - одно из фундаментальных физических полей наряду с гравитационным и фермионным.
Физические свойства электромагнитного поля
О наличии электрического, или магнитного, или и того и другого поля в пространстве можно судить по силовому действию со стороны электромагнитного поля на заряженную частицу или на ток.
Электрическое поле действует на электрические заряды, как на подвижные, так и на неподвижные, с определенной силой, зависящей от напряженности электрического поля в данной точке пространства в данный момент времени, и от величины пробного заряда q.
Зная силу (величину и направление), с которой электрическое поле действует на пробный заряд, и зная величину заряда, можно найти напряженность E электрического поля в данной точке пространства.
Электрическое поле создается электрическими зарядами, его силовые линии начинаются на положительных зарядах (условно проистекают от них), и заканчиваются на отрицательных зарядах (условно втекают в них). Таким образом, электрические заряды - это источники электрического поля. Еще одним источником электрического поля является изменяющееся магнитное поле, о чем математически свидетельствуют уравнения Максвелла .
Сила, действующая на электрический заряд со стороны электрического поля - это часть силы, действующей на данный заряд со стороны электромагнитного поля.
Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами (токами), либо изменяющимися во времени электрическими полями (об этом свидетельствуют уравнения Максвелла), и действует только на движущиеся электрические заряды.
Сила действия магнитного поля на движущийся заряд пропорциональна индукции магнитного поля, величине движущегося заряда, скорости его движения и синусу угла между вектором индукции магнитного поля B и направлением скорости движения заряда. Данная сила часто называется силой Лоренца , однако является лишь «магнитной» ее частью.
На самом деле сила Лоренца включает в себя электрическую и магнитную составляющие. Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами (токами), его силовые линии всегда замкнуты и охватывают ток.
Один из первых рисунков магнитного поля (Рене Декарт, 1644). Хотя магниты и магнетизм были известны гораздо раньше, изучение магнитного поля началось в 1269 году, когда французский ученый Пётр Перегрин (рыцарь Пьер из Мерикура) отметил магнитное поле на поверхности сферического магнита, применяя стальные иглы, и определил, что получающиеся линии магнитного поля пересекались в двух точках, которые он назвал «полюсами» по аналогии с полюсами Земли. Почти три столетия спустя, Уильям Гильберт Колчестер использовал труд Петра Перегрина и впервые определённо заявил, что сама Земля является магнитом. Опубликованная в 1600 году, работа Гилберта «De Magnete» , заложила основы магнетизма как науки.
В 1750 году Джон Мичелл заявил, что магнитные полюса притягиваются и отталкиваются в соответствии с законом обратных квадратов. Шарль-Огюстен де Кулон экспериментально проверил это утверждение в 1785 году и прямо заявил, что Северный и Южный полюс не могут быть разделены. Основываясь на этой силе, существующей между полюсами, Симеон Дени Пуассон, (1781-1840) создал первую успешную модель магнитного поля, которую он представил в 1824 году. В этой модели магнитное H-поле производится магнитными полюсами и магнетизм происходит из-за нескольких пар (север/юг) магнитных полюсов (диполей).
Три открытия подряд бросили вызов этой «основе магнетизма». Во-первых, в 1819 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле вокруг себя. Затем, в 1820 году, Андре-Мари Ампер показал, что параллельные провода, по которым идёт ток в одном и том же направлении, притягиваются друг к другу. Наконец, Жан-Батист Био и Феликс Савар в 1820 году открыли закон, названный законом Био-Савара-Лапласа, который правильно предсказывал магнитное поле вокруг любого провода, находящегося под напряжением.
Расширив эти эксперименты, Ампер издал свою собственную успешную модель магнетизма в 1825 году. В ней он показал эквивалентность электрического тока в магнитах, и вместо диполей магнитных зарядов модели Пуассона, предложил идею, что магнетизм связан с постоянно текущими петлями тока. Эта идея объясняла, почему магнитный заряд не может быть изолирован. Кроме того, Ампер вывел закон, названный его именем, который, как и закон Био-Савара-Лапласа, правильно описал магнитное поле, создаваемое постоянным током, а также была введена теорема о циркуляции магнитного поля. Кроме того, в этой работе, Ампер ввел термин «электродинамика» для описания взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. В 1831 году Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию, когда он обнаружил, что переменное магнитное поле порождает электричество. Он создал определение этого феномена, которое известно как закон электромагнитной индукции Фарадея. Позже Франц Эрнст Нейман доказал, что для движущегося проводника в магнитном поле, индукция является следствием действия закона Ампера. При этом он ввел векторный потенциал электромагнитного поля который, как позднее было показано, был эквивалентен основному механизму, предложенному Фарадеем. В 1850 году лорд Кельвин, тогда известный как Уильям Томсон, различие между двумя магнитными полями обозначил как поля H и B . Первое было применимо к модели Пуассона, а второе - к модели индукции Ампера. Кроме того, он вывел как H и B связаны друг с другом. Между 1861 и 1865 годами Джеймс Клерк Максвелл разработал и опубликовал уравнения Максвелла, которые объяснили и объединили электричество и магнетизм в классической физике. Первая подборка этих уравнений была опубликована в статье в 1861 году, озаглавленной «On Physical Lines of Force» . Эти уравнения были признаны действительными, хотя и неполными. Максвелл завершил свои уравнения в своей более поздней работе 1865 года «Динамическая теория электромагнитного поля» и определил, что свет представляет собой электромагнитные волны. Генрих Герц экспериментально подтвердил этот факт в 1887 году. Хотя подразумеваемая в законе Ампера сила магнитного поля движущегося электрического заряда не была явно заявлена, в 1892 году Хендрик Лоренц вывел её из уравнений Максвелла. При этом классическая теория электродинамики была в основном завершена.
Двадцатый век расширил взгляды на электродинамику, благодаря появлению теории относительности и квантовой механики. Альберт Эйнштейн в своей статье 1905 года, где была обоснована его теория относительности, показал, что электрические и магнитные поля являются частью одного и того же явления, рассматриваемого в разных системах отсчета - мысленный эксперимент, который в конечном итоге помог Эйнштейну в разработке специальной теории относительности. Наконец, квантовая механика была объединена с электродинамикой для формирования квантовой электродинамики (КЭД).
Превратить магнетизм в электричество
Электромагнитная индукция
9 класс
Базовый курс
ПОВТОРЯЕМ
1. Что называется магнитным полем?
2. Каковы его основные свойства?
3. Как изображается магнитное поле?
4. Какая связь существует между электрическим током и магнитным полем?
5. Что представляют собой линии магнитного поля прямого проводника с током?
6. Что можно определить, используя правило буравчика?
7. Как направлены линии магнитного поля постоянного магнита?
ТЕСТ
1. Магнитное поле не существует…
а) вокруг магнита б) вокруг движущихся заряженных частиц г) вокруг проводника с током д) вокруг неподвижных зарядов
2) Кто впервые из учёных доказал, что вокруг проводника с током существует магнитное поле?
а) Архимед б) Ньютон в) Эрстед г) Ом
ТЕСТ
3) Линии магнитного поля в пространстве вне постоянного магнита…
а) начинаются на северном полюсе магнита, заканчиваются на южном полюсе. б) начинаются на южном полюсе магнита, заканчиваются на северном полюсе. в) начинаются на северном полюсе магнита, уходят в бесконечность.
г) начинаются на южном полюсе магнита, уходят в бесконечность.
ТЕСТ
5) Чтобы увеличить магнитный поток (см. рисунок), нужно:
а) алюминиевую рамку заменить железной б) поднимать рамку вверх в) взять более слабый магнит г) усилить магнитное поле
6) Проводник с током расположен перпендикулярно плоскости листа, ток направлен от нас. Выберите рисунок, изображающий магнитное поле такого проводника с током.
Опыты Фарадея (демонстрация опыта)
Определите закономерность в опытах.
Правило Ленца
- Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует изменению магнитного потока, которым он вызван.
0), или уменьшается (ΔФ 3. Установить направление линий магнитной индукции " магнитного поля индукционного тока. Эти линии должны быть согласно правилу Ленца направлены противоположно линиям магнитной индукции В при ΔФ 0 и иметь одинаковое с ними направление при ΔФ 4. Зная направление линий магнитной индукции ", найти направление индукционного тока, пользуясь правилом буравчика. " width="640"
1. Определить направление линий магнитной индукции  внешнего магнитного поля.
2. Выяснить, увеличивается ли поток вектора магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром (ΔФ 0), или уменьшается (ΔФ
3. Установить направление линий магнитной индукции " магнитного поля индукционного тока. Эти линии должны быть согласно правилу Ленца направлены противоположно линиям магнитной индукции В при ΔФ 0 и иметь одинаковое с ними направление при ΔФ
4. Зная направление линий магнитной индукции ", найти направление индукционного тока, пользуясь правилом буравчика .
Применение электромагнитной индукции
Синхрофазотроны
Радиовещание
Магнитотерапия
Счетчики-расходомеры
Трансформаторы
Герераторы
ЗАКРЕПЛЕНИЕ
- 1. Кто впервые с помощью магнитного поля получил электрический ток?
- 1) Ш. Кулон 2) А. Ампер 3) М. Фарадей 4) Н. Тесла
- 2. Как называется явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через контур?
- 1) Намагничивание
- 2) Электролиз
- 3) Электромагнитная индукция
- 4) Резонанс
- 3. Две одинаковые катушки замкнуты на гальванометры. В катушку А вносят полосовой магнит, а из катушки Б вынимают такой же полосовой магнит. В какой(-их) катушке(-ах) гальванометр зафиксирует индукционный ток?
- 4. В металлическое кольцо в течение первых двух секунд вдвигают магнит, в течение следующих двух секунд магнит оставляют неподвижным внутри кольца, в течение последующих двух секунд его вынимают из кольца. В какие промежутки времени в катушке течет ток?
- 1) 0-6 с 2) 0-2 с и 4-6 с 3) 2-4 с 4) Только 0-2 с
- 1) Только в катушке А
- 2) Только в катушке Б
- 3) В обеих катушках
- 4) Ни в одной из катушек
- 5. Один раз полосовой магнит падает сквозь неподвижное металлическое кольцо южным полюсом вниз, а второй раз - северным полюсом вниз. Ток в кольце
- 6. На горизонтальном столе лежат два одинаковых неподвижных металлических кольца на большом расстоянии друг от друга. Два полосовых магнита падают северными полюсами вниз так, что один попадает в центр первого кольца, а второй падает рядом со вторым кольцом. До удара магнитов ток
- 1) возникает в обоих случаях
- 2) не возникает ни в одном из случаев
- 3) возникает только в первом случае
- 4) возникает только во втором случае
- 1) возникает в обоих кольцах
- 3) возникает только в первом кольце
- 7. На горизонтальном столе лежат два одинаковых неподвижных металлических кольца на большом расстоянии друг от друга. Над первым качается магнит, подвешенный на нити. Над вторым кольцом магнит, подвешенный на пружине, качается вверх-вниз. Точка подвеса нити и пружины находится над центрами колец. Ток 1) возникает только в первом кольце
- 2) возникает только во втором кольце
- 3) возникает в обоих кольцах
- 4) не возникает ни в одном из колец
- 8. Один раз кольцо падает на стоящий вертикально полосовой магнит так, что надевается на него, второй раз так, что пролетает мимо него. Плоскость кольца в обоих случаях горизонтальна.
- Ток в кольце возникает
- 1) в обоих случаях
- 2) ни в одном из случаев
- 3) только в первом случае
- 4) только во втором случае
- 9. Сплошное проводящее кольцо из начального положения вначале смещают вверх относительно полосового магнита (см. рис.), затем из того же начального положения смещают вниз.
- 10. Проводящее кольцо с разрезом поднимают к полосовому магниту (см. рис.), а сплошное проводящее кольцо смещают вправо
- Индукционный ток в кольце
- При этом индукционный ток
- 1) течет только в первом случае
- 2) течет только во втором случае
- 3) течет в обоих случаях
- 4) в обоих случаях не течет
- 1) течет в обоих случаях
- 2) в обоих случаях не течет
- 3) течет только в первом случае
- 4) течет только во втором случае
Ответы на тест
- 10-4
Добавить сайт в закладки
История электричества
Электричество, совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически заряженных тел или частиц. Взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью электромагнитного поля (в случае неподвижных электрических зарядов - электростатического поля).
Движущиеся заряды (электрический ток) наряду с электрическим возбуждают и магнитное поле, т. е. порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие (учение о магнетизме является составной частью общего учения об электричестве). Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой, в основе которой лежат Максвелла уравнения
Законы классической теории электричества охватывают огромную совокупность электромагнитных процессов. Среди 4 типов взаимодействий (электромагнитных, гравитационных, сильных и слабых), существующих в природе, электромагнитные занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. Это связано с тем, что все тела построены из электрически заряженных частиц противоположных знаков, взаимодействия между которыми, с одной стороны, на много порядков интенсивнее гравитационных и слабых, а с другой - являются дальнодействующими в отличие от сильных взаимодействий. Строение атомных оболочек, сцепление атомов в молекулы (химические силы) и образование конденсированного вещества определяются электромагнитным взаимодействием.
Простейшие электрические и магнитные явления известны ещё с глубокой древности. Были найдены минералы, притягивающие кусочки железа, а также обнаружено, что янтарь (греч. электрон, elektron, отсюда термин электричество), потёртый о шерсть, притягивает лёгкие предметы (электризация трением). Однако лишь в 1600 У. Гильберт впервые установил различие между электрическими и магнитными явлениями. Он открыл существование магнитных полюсов и неотделимость их друг от друга, а также установил, что земной шар - гигантский магнит.
В XVII - 1-й половине XVIII вв. проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами, были построены первые электростатические машины, основанные на электризации трением, установлено существование электрических зарядов двух родов (Ш. Дюфе), обнаружена электропроводность металлов (английский учёный С. Грей). С изобретением первого конденсатора - лейденской банки (1745) - появилась возможность накапливать большие электрические заряды. В 1747-53 Франклин изложил первую последовательную теорию электрических явлений, окончательно установил электрическую природу молнии и изобрёл молниеотвод.
Во 2-й половине XVIII в. началось количественное изучение электрических и магнитных явлений. Появились первые измерительные приборы - электроскопы различных конструкций, электрометры. Г. Кавендиш (1773) и Ш.Кулон (1785) экспериментально установили закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов (работы Кавендиша были опубликованы лишь в 1879).
Этот основной закон электростатики (Кулона закон) впервые позволил создать метод измерения электрических зарядов по силам взаимодействия между ними. Кулон установил также закон взаимодействия между полюсами длинных магнитов и ввёл понятие о магнитных зарядах, сосредоточенных на концах магнитов.
Следующий этап в развитии науки об электричестве связан с открытием в конце XVIII в. Л.Гальвани "животного электричества" и работами А.Вольты , который изобрёл первый источник электрического тока - гальванический элемент (т. н. вольтов столб, 1800), создающий непрерывный (постоянный) ток в течение длительного времени. В 1802 В.В.Петров, построив гальванический элемент значительно большей мощности, открыл электрическую дугу, исследовал её свойства и указал на возможность применений её для освещения, а также для плавления и сварки металлов. Г. Дэви электролизом водных растворов щелочей получил (1807) неизвестные ранее металлы - натрий и калий. Дж,П.Джоуль установил (1841), что количество теплоты, выделяемой в проводнике электрическим током, пропорционально квадрату силы тока; этот закон был обоснован (1842) точными экспериментами Э.Х.Ленца (закон Джоуля - Ленца).
Г.Ом установил (1826) количественную зависимость электрического тока от напряжения в цепи. К.Ф.Гаусс сформулировал (1830) основную теорему электростатики.
Наиболее фундаментальное открытие было сделано Х.Эрстедом в 1820; он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку - явление, свидетельствовавшее о связи между электричеством и магнетизмом. Вслед за этим в том же году А.М.Ампер установил закон взаимодействия электрических токов (Ампера закон). Он показал также, что свойства постоянных магнитов могут быть объяснены на основе предположения о том, что в молекулах намагниченных тел циркулируют постоянные электрические токи (молекулярные токи). Т. о., согласно Амперу, все магнитные явления сводятся к взаимодействиям токов, магнитных же зарядов не существует. Со времени открытий Эрстеда и Ампера учение о магнетизме сделалось составной частью учения об электричестве.
Со 2-й четверти XIX в. началось быстрое проникновение электричества в технику. В 20-х гг. появились первые электромагниты. Одним из первых применений электричества был телеграфный аппарат, в 30-40-х гг. построены электродвигатели и генераторы тока, а в 40-х гг.- электрические осветительные устройства и т. д. Практическое применение электричества в дальнейшем всё более возрастало, что в свою очередь оказало существенное, влияние на учение об электричестве.
В 30-40-х гг. XIX в. в развитие науки об электричестве внёс большой вклад М.Фарадей - творец общего учения об электромагнитных явлениях, в котором все электрические и магнитные явления рассматриваются с единой точки зрения. С помощью опытов он доказал, что действия электрических зарядов и токов не зависят от способа их получения [до Фарадея различали "обыкновенное" (полученное при электризации трением), атмосферное, "гальваническое", магнитное, термоэлектрическое, "животное" и другие виды Э.].
Опыт Араго ("магнетизм вращения").
В 1831 Фарадей открыл индукцию электромагнитную - возбуждение электрического тока в контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Это явление (наблюдавшееся в 1832 также Дж. Генри) составляет фундамент электротехники. В 1833-34 Фарадей установил законы электролиза; эти его работы положили начало электрохимии. В дальнейшем он, пытаясь найти взаимосвязь электрических и магнитных явлений с оптическими, открыл поляризацию диэлектриков (1837), явления парамагнетизма и диамагнетизма (1845), магнитное вращение плоскости поляризации света (1845) и др.
Фарадей впервые ввёл представление об электрическом и магнитном полях. Он отрицал концепцию дальнодействия, сторонники которой считали, что тела непосредственно (через пустоту) на расстоянии действуют друг на друга.
Согласно идеям Фарадея, взаимодействие между зарядами и токами осуществляется посредством промежуточных агентов: заряды и токи создают в окружающем пространстве электрическое или (соответственно) магнитное поля, с помощью которых взаимодействие передаётся от точки к точке (концепция близкодействия). В основе его представлений об электрическом и магнитном полях лежало понятие силовых линий, которые он рассматривал как механические образования в гипотетической среде - эфире, подобные растянутым упругим нитям или шнурам.
Идеи Фарадея о реальности электромагнитного поля не сразу получили признание. Первая математическая формулировка законов электромагнитной индукции была дана ф. Нейманом в 1845 на языке концепции дальнодействия.
Им же были введены важные понятия коэффициентов само- и взаимоиндукции токов. Значение этих понятий полностью раскрылось позднее, когда У. Томсон (лорд Кельвин) развил (1853) теорию электрических колебаний в контуре, состоящем из конденсатора (электроёмкость) и катушки (индуктивность).
Большое значение для развития учения об электричестве имело создание новых приборов и методов электрических измерений, а также единая система электрических и магнитных единиц измерений, созданная Гауссом и В.Вебером.
В 1846 Вебер указал на связь силы тока с плотностью электрических зарядов в проводнике и скоростью их упорядоченного перемещения. Он установил также закон взаимодействия движущихся точечных зарядов, который содержал новую универсальную электродинамическую постоянную, представляющую собой отношение электростатических и электромагнитных единиц заряда и имеющую размерность скорости.
При экспериментальном определении (Вебер и ф. Кольрауш, 1856) этой постоянной было получено значение, близкое к скорости света; это явилось определённым указанием на связь электромагнитных явлений с оптическими.
В 1861-73 учение об электричестве получило своё развитие и завершение в работах Дж. К. Максвелла. Опираясь на эмпирические законы электромагнитных явлений и введя гипотезу о порождении магнитного поля переменным электрическим полем, Максвелл сформулировал фундаментальные уравнения классической электродинамики, названные его именем. При этом он, подобно Фарадею, рассматривал электромагнитные явления как некоторую форму механических процессов в эфире.
Главное новое следствие, вытекающее из этих уравнений, - существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Уравнения Максвелла легли в основу электромагнитной теории света. Решающее подтверждение теория Максвелла нашла в 1886-89, когда Г.Герц экспериментально установил существование электромагнитных волн. После его открытия были предприняты попытки установить связь с помощью электромагнитных волн, завершившиеся созданием радио, и начались интенсивные исследования в области радиотехники.
В конце XIX - начале XX вв. начался новый этап в развитии теории электричества. Исследования электрических разрядов увенчались открытием Дж. Дж. Томсоном дискретности электрических зарядов. В 1897 он измерил отношение заряда электрона к его массе, а в 1898 определил абсолютную величину заряда электрона. Х. Лоренц, опираясь на открытие Томсона и выводы молекулярно-кинетической теории, заложил основы электронной теории строения вещества. В классической электронной теории вещество рассматривается как совокупность электрически заряженных частиц, движение которых подчинено законам классической механики. Уравнения Максвелла получаются из уравнений электронной теории статистическим усреднением.
Попытки применения законов классической электродинамики к исследованию электромагнитных процессов в движущихся средах натолкнулись на существенные трудности. Стремясь разрешить их, А. Эйнштейн пришёл (1905) к относительности теории. Эта теория окончательно опровергла идею существования эфира, наделённого механическими свойствами. После создания теории относительности стало очевидно, что законы электродинамики не могут быть сведены к законам классической механики.
На малых пространственно-временных интервалах становятся существенными квантовые свойства электромагнитного поля, не учитываемые классической теорией электричества. Квантовая теория электромагнитных процессов - квантовая электродинамика - была создана во 2-й четверти XX в. Квантовая теория вещества и поля уже выходит за пределы учения об электричестве, изучает более фундаментальные проблемы, касающиеся законов движения элементарных частиц и их строения.
С открытием новых фактов и созданием новых теорий значение классического учения об электричестве не уменьшилось, были определены лишь границы применимости классической электродинамики. В этих пределах уравнения Максвелла и классическая электронная теория сохраняют силу, являясь фундаментом современной теории электричества.
Классическая электродинамика составляет основу большинства разделов электротехники, радиотехники, электроники и оптики (исключение составляет квантовая электроника). С помощью её уравнений было решено огромное число задач теоретического и прикладного характера. В частности, многочисленные проблемы поведения плазмы в лабораторных условиях и в космосе решаются с помощью уравнений Максвелла.
Магнитное поле Магнитный феномен впервые наблюдался по крайне мере 2500 лет назад Компас - около 4500 лет назад
Магниты Было замечено, что если поднести к куску не намагниченного железа постоянный (природный) магнит, то железо тоже становиться намагниченным. После удаления магнита намагнитившийся под его действием кусок железа или стали теряет значительную часть своих магнитных свойств, но все же остается в большей или меньшей мере намагниченным. Он превращается, таким образом, в искусственный магнит, обладающий всеми теми же свойствами, что и магнит естественный
Магнитное поле S N N F F ученые предлагали ввести понятия магнитного заряда, как северный и южный заряд, аналогично полюсам магнита. Однако экспериментально не было получено доказательств существования изолированных магнитных зарядов, которые называются магнитным монополем F F S S N N S N S S N N N S S N S F F
Опыт Эрстеда N E W S в 19 веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом. n опыты Эрстеда. n Из этих опытов следовало, что на магнитную стрелку, расположенную вблизи проводника с током, действуют силы, которые стремятся повернуть стрелку N E W S
Часть II МАГНЕТИЗМ, ВОЛНОВАЯ И КВАНТОВАЯ ОПТИКА, АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА Магнитное поле и его характеристики Важнейшей особенностью магнитного поля является то, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды. Характер воздействия магнитного поля на ток различен в зависимости от формы проводника, по которому течет ток, от расположения проводника и от направления тока в нем. В качестве положительного направления нормали принимается направление, связанное с током правилом правого винта.
(33. 1) (33. 2) Магнитная индукция B в данной точке однородного магнитного поля определяется максимальным вращающим моментом Mmax, действующим на рамку с магнитным моментом pm, равным единице, когда нормаль к рамке n перпендикулярна направлению поля. (33. 3)
Сила Ампера (1/2) Одним из важных примеров магнитного взаимодействия токов является взаимодействие параллельных токов. эти явления были экспериментально установлены Ампером. Если по двум параллельным проводникам электрические токи текут в одну и ту же сторону, то наблюдается взаимное притяжение проводников. В случае, когда токи текут в противоположных направлениях, проводники отталкиваются.
§ 37 Действие магнитного поля на движущийся заряд Сила, действующая на электрический заряд q, движущийся в магнитном поле со скоростью v, называется силой Лоренца и выражается формулой (37. 1) Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки. (37. 2) – формула Лоренца
Движение заряженных частиц в магнитном поле 3. – частица движется по прямой, вдоль векрора В Работа силы Лоренца равна нулю
Масс-спектрометр масс-спектрометры – устройства с помощью которых можно измерять массы заряженных частиц – ионов или ядер различных атомов Современные масс-спектрометры позволяют измерять массы заряженных частиц с точностью выше 10– 4
Ускорители заряженных частиц Ускорителями заряженных частиц называются устройства, в которых под действием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетических заряженных частиц. Ускорители по времени действия бывают непрерывные и импульсные. По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители делятся на линейные, циклические и индукционные. 1. Линейный ускоритель: , электрическое поле – постоянно 2. Линейно-резонансный: , электрическое поле – переменное 3. Циклотрон: , ограничения релятивистским эффектом
4. Фазотрон: E – изменяется, 5. Синхротрон: , – изменяется, 6. Синхрофазотрон: и – изменяются, 7. Бетатрон: – вихревое,
Эффект Холла – это возникновение в металлах (или полупроводника) с током плотностью, помещенных в магнитное поле, электрического поля в направлении перпендикулярном и.
§ 41 Циркуляция вектора магнитной индукции для магнитного поля в вакууме Циркуляцией вектора магнитной индукции по заданному контуру называется интеграл Закон полного тока: циркуляция вектора магнитной индукции по произвольному замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной 0 на алгебраическую сумму токов, охватываемую этим контуром (41. 1) Циркуляция вектора магнитной индукции не равна нулю, следовательно, магнитное поле будет вихревым.
Магнитное поле соленоида и тороида На участках AB и CD На участке вне соленоида (42. 1) (42. 2)
Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для магнитного поля Потоком вектора магнитной индукции (магнитным потоком) через площадку d. S называется скалярная физическая величина, равная (43. 1)
Теорема Гаусса для магнитного поля: поток вектора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность равен нулю. (43. 3) В природе нет магнитных зарядов
Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле (44. 1) Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле равна произведению силы тока на магнитный поток, пересеченный движущимся проводником.
(44. 2) (44. 3) (44. 4) (44. 5) (44. 6) Работа по перемещению замкнутого контура с током в магнитном поле равна произведению силы тока в контуре на изменение магнитного потока, сцепленного с контуром.
Явления электромагнитной индукции В 1831 г. М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции 1. Направления отклонения стрелки в момент вдвигания и выдвигания магнита противоположны. 2. Отклонения стрелки гальванометра тем больше, чем больше скорость движения магнита относительно катушки. 3. При изменении полюсов магнита Опыт № 1 направление отклонения стрелки изменяется. В замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникает электрический ток, получивший название индукционного.
Опыт № 2 1. Отклонения стрелки гальванометра наблюдается в момент вклю чения или выключения тока, в момент его увеличения или умень шения или при перемещении катушек друг относительно друга. 2. Направления отклонения стрелки гальванометра также противоположны при включении или выключении тока, его увеличении или уменьшении, сближении и удалении катушек.
Вывод № 1: Индукционный ток возникает всегда, когда происходит изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции (например, при повороте в однородном магнитном поле проводящего контура). Вывод № 2: Значение индукционного тока совершенно не зависит от способа изменения потока магнитной индукции, а определяется лишь скоростью его изменения. Значения открытия Фарадея 1. Была доказана возможность получения электрического тока с помощью магнитного поля. 2. Была установлена взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями, что послужило дальнейшим толчком для разработки теории электромагнитного поля.
Закон Фарадея Закон электромагнитной индукции Фарадея: каковы бы ни были причины изменения потока магнитной индукции, охватываемого замкнутым проводящим контуром, возникающая в контуре Э. Д. С равна (46. 1) Закон Фарадея: Э. Д. С электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром.
Правило Ленца: индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.
Вращение рамки в магнитном поле (47. 1) (47. 2) Если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает переменная Э. Д. С. , изменяющаяся по гармоническому закону.
Вихревые токи (Токи Фуко) Токи, возникающие в массивных сплошных проводниках и оказывающиеся замкнутыми в толще проводника, называются вихревыми или токами Фуко. Успокоение (демпфирование) подвижных частей различных приборов
Джоулева теплота, выделяемая токами Фуко, используется в индукционных металлургических печах. Скин-эффект Метод поверхностной закалки металлов
Индуктивность контура. Самоиндукция (49. 1) (49. 2) Возникновение Э. Д. С. индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока называется самоиндукцией. (49. 3)
Токи при размыкании и замыкании цепи (50. 1) Время релаксации – это время, в течение которого какая-либо физическая величина уменьшается в e раз.
Взаимная индукция (51. 1) Явление возникновение Э. Д. С. в одном из контуров при изменении силы тока в другом называется взаимной индукцией. (51. 2)
Трансформаторы Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении взаимной индукции. (52. 1) (52. 2) (52. 3) – коэффициент трансформации
Магнитные свойства веществ Магнитные моменты электронов и атомов (54. 1) (54. 2) (54. 3) (54. 4)
Парамагнетики и диамагнетики Почти все вещества подчиняются зависимости могут быть разбиты на два класса: – – парамагнетики, в которых намагниченность вещества увеличивает суммарное магнитное поле; , они втягиваются в область сильного неоднородного магнитного поля. – диамагнетики, в которых намагниченность уменьшает суммарное поле; диамагнетики выталкиваются из области сильного неоднородного поля.
§ 56 Намагниченность. Магнитное поле в веществе Намагниченность – это величина магнитного момента единицы объема вещества (56. 1) (56. 2) (56. 3)
(56. 4) (56. 5) (56. 6) (56. 7) (56. 8) Парамагнетики μ = 1, 000072 Диамагнетики μ = 0, 9999967 Ферромагнетики μ >> 1
(56. 9) (56. 10) Формула (56. 10) представляет собой теорему о циркуляции вектора напряженности магнитного поля.
Ферромагнетики и их свойства Ферромагнетики – это вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, т. е. они намагничены даже в отсутствии внешнего магнитного поля. 1. Ферромагнетики – это сильномагнитные вещества.
4. Гистерезис точка насыщения остаточная индукция коэрцитивная сила точка насыщения 5. Точка Кюри – температура, выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком.
Для железа эта температура Кюри равна 768 С, а для никеля – 365 С. Переход ферромагнетиков в парамагнитное состояние является фазовым переходом II рода. 6. Процесс намагничивания ферромагнетиков сопровождается изменением его линейных размеров и объема. Это явление получило название магнитострикции.
Природа ферромагнетизма. Теория ферромагнетизма П. Вейсса Ферромагнетики ниже точки Кюри разбиваются на большое число малых микроскопических областей – доменов, самопроизвольно намагниченных до насыщения. Линейные размеры доменов равны 10 -4 10 -2 см.
Электромагнитные колебания и волны Свободные гармонические колебания в колебательном контуре Колебательный контур – цепь, состоящая из включенных последовательно катушки индуктивностью L, конденсатора емкостью С и резистора сопротивлением R.
Экспериментальное получение электромагнитных волн Частота волны, Гц Источник излучения 103 – 10– 4 3 105 – 3 1012 Колебательный контур Вибратор Герца Массовый излучатель Ламповый генератор Световые волны: Инфракрасное излучение 5 10– 4 – 8 10– 7 6 1011 – 3, 75 1014 Видимый свет 8 10– 7 – 4 10– 7 3, 75 1014 – 7, 5 1014 4 10– 7 – 10– 9 7, 5 1014 – 3 1017 2 10– 9 – 6 10– 12 1, 5 1017 – 5 1019 Вид излучения Радиоволны Ультрафиолетовое излучение Рентгеновское излучение –излучение Длина волны, м 5∙ 1019 Лампы Лазеры Трубка Рентгена Космические лучи Радиоактивный распад Ядерные процессы Космические процессы
Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле всегда связано с порождаемым им магнитным; т. е. электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом – они образуют единое электромагнитное поле. Теория Максвелла позволила предсказать существование электромагнитных волн – переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью.
