Электромагнетизм

��������� � ����������������

Электромагнетизм

������������ � ������������� �������

����� �������� ���, ���������� ��� ���������������� ��������������, ����������� ����, ���������� ��������� ����������. ��� ���� �������� ��������� ����������� � ���� �������� ��������.

����� ����� �������� ���� ���������� ������������ ��������, � ����������� �� �������� ���������� � �����������.

� ���� ����� ������� ���������� ������������ ����������� ������ � ��������� ������������� ����������. ������ ������ ��������� �� ������������, � ��� ���������� ������������� �������.

������������� ������� ������������� �� ����������� ������ �����. ����� ����� ����� ������ ������� �������������, ����� ���� �� �����������, ��������� ��������, �. �. ���������� ���������� ��������.

����� ���������� �������� ����� ���� ����� ������������� � ����������� �� �� ����������.

� ����������� ������� ������ ���������� �������� ������ ��� ������. ����� �������, ���������� � ������, ���������� �������� �������� ������� �������, � �����, ���������� � ���, � ����� ������� �������. ������ ���������� ������ ����� ��� ������: �������� � �����. �������� ����� ������� ������������ ������ � ��� N, ����� ����� � ������ � ��� S.

������ ����������� � ���� ������, �����, �����, ������, �������. ��� ��� ���� ���������� ���������� ������. ��� �� ��������� ����, ������� �� ������������� � �������, ���������� ������������ ������.

�������� �������. ��������������

����� ����, � ��� ����� � ���������, ������� �� ���������� ������ � �������. � ������� �� ������� ����������� ���, �������� ���������� ���� �������� ���������� ����������, ����������� ����� ������������ ���������.

������ ���������� ���� ��� ������������ ��������� ����������� ������ ����� � ��������� ������������, � ���������� ���� ���� ���� ������� ��������� ������� �� ���������.

�� ���� ��� ��������� ��������� ����������� ������ ����� ���� ���, ����� ��� ������ ��������� �������� ���� �������� � ���� �������, � ������ � ������, �� ���� ���������� ��������� ��������, �. �. ������ ��������.

�������, � ���������� �������� ��������� ���� ����������� �������� �������, ���������� ���������������. ��� ������������ ���������� �������� �������������� ������������ ��� ������ �������������� ����. �� ����� ����������� ���� � ������ ��������, ��������� ������� ���������� ��������.

���� ������������� ������ ��������� �� ����������� �����, �� ��������� ��� ��������������� �������, ������ ���������� ������ ������� ����������, � �� ������, ���������� � ���������� �������, ��������� ��������������� ������.

������ �� ���������� �������� ����� ����� ��������� �� ��� �������, � ������� �� �� �� ���������� ����� �������, �� ������ ����� �������� ��������������� ������� � ����� ��������. �������� �� ������ � ����� ��������� ������� ����������. ���� ������ ������������ �� ���������, ��� ��������� ���� ������� �� ��������� ������������ ����������.

��������� ���� ���������� ���� �� ������� �������� ����������� ������������ ����������. ���� ����, ������� ������ ��������������� � ��� �� ������ ����������������. �, ��������, ���� ����, ������� ��������������� ��������, �� ���� ����� ��������� � ���� ��������� ��������.

��� ������ ������ ��������������� ��� ��������� ������������ �������, �� ��� �� ������ � ����������������, �. �. ������ ��������� �������� ��� �������� �������. ����� ��, �������������� ���, ���������� ����� ��������� � ���� ��������� ��������, �. �. ���������� ���������� ��������.

�������� ������ ������ ��������������� � ���������������� ����������� ���, ��� ������������ ��������� ������ ����������� ��������, ��� ����� �������������� ��� ��������� ������� ��������� ���, �� ���� ��� �� ������ �������� � ������� ������������� ��������� ��� �������� ���������������� ����.

������ � ������ ��������� ����� ���������� � ����� �������� ����������� ������� ��� �� ���������� ���������� ��������� ����� � ���������, ������� ��� ������� ��� ��������������.

�������������, ������ ����� �������������� ��������� � ���� ����� ������ ��������� ��������.

��� �������������� ���, ��� ��� �������� �������� ��������� �� ������ ������� �� ��� ������ ����� � �� ����� � ��������� ����� �� �������� ��� ���������� � ���������.

�������� ����� ���������� ���������� ����� ������������� ����������� ���, ��� ������������ ��������� ����� � ������ �������������� � ������ ����������� ��� ��������������, �� ���� ��������� �� ��������������� ����� �������������� ��������� � ����� �������� ���������������� ����.

����������� ���������� ���� ��������� ��������� �������� ����� �������������� ���������� ���������� �����������.

������� ����������� ���������� ������� ���, ��� � ��������� ���� ��������� ��� ���������� ������������� ����, ������� ���������� ������������ ��������� � ���������, ������� ��� ��� ��������������.

� ������ �������� ������������� ���� ����� ������, � ���������� ���� ��� ������ ���������������� � ����� ����� ��������� ���������� ���������.

�������� ������ ������ ��������������� � ���������������� ����������� ������ ������������ � ��������������. ���������� �������, ��� ���������� ���� ���������������, ����������� � ������������� ���������, ������������� �� ������������ ������, ����������� ������ ����� ���������� �����������.

����� �������� ������� ������������� �����, ��������� ���� � ��� ����������� �������� ����������. ������� ���������� ������� ������������� �� ����������� �������� �������.

�� ��������� ����������� ������� ������������ ����������� �����, ���������� � ������ ��������� �����������. ����, ��������, ���������� ������ ������� �������� � ����� ���� ������, �� �� ���������� �������� ���� ��������� ��������. ����� ��� ��, ���� ���������� ���������� ������ ������, �� ���� ��� ���������� ������� ����������.

����������� ��� ���, ��� ��� ������� ������� ��� ������ �������������� �������� ������������� ���� � ��� ����� ���������� ������������� ������������ ������������ ����������. ��� ������ � ����������� ��������� � ���������, �������� ���������� �������, ���� ���������� � �������������.

��������� ������� �����. �������������� ������� ��������

������ ������ ������� ���������� ��� ���������� ��������� ����.

��������� ����� ���������� ������������, � ������� ��������� ��������� ����. ��������� ����� ����������� ������� �������� �� ����� ������������, � ������� ��������� ���� �������������� ������� ��������� ���� ����� �������.

��������� ���� ���������� ���� ��������� � ������������ ������������. ����������� �������� ��������� ��� ���������� �������� ���������� �������� �������. ���� �������� ������ ���������� ��� �������� ��������������, ������ ���� �������, ��� ��������� ������� ����� �� �����������: ��� � �������� �������, ��������� ������ ��� ���������� ��������� ������� ���������� ����.

����� ���������� ����, �. �, ������������ � ������������ ��������� ������� �����, ������� �� ����� ������ �������.

��������� ������� ����� �������� ����� �������: ��� ������ ��������, ������� �� ������������, ����� ���������� ����� �� ����������� ���� � ������������ ���� �� �����, ���� ���������� � ���� �������. ������� �������, ��� ������� ����� ������� �� ��������� ������ ������� � ������ � ��� ����� �����; ������ ������� ��� ����� ����������� �� ������ ������ � ���������.

����������� ��������� ������ �������������, ������������ ��������� ������ �������������.

� ������������ ����� ������� �������� ��������� �����������. �������� ������ � ��������� � ��� ���� �� ������� �������������� �������, �������� ��������.

�� �������, ��� ������� ����������� ���������� ����� ����� ������ � ��������� ������ �������. ���� ������ ��������� ������ �� 180�, �� ����� �� ���������� �� 180� � ��������� �������, �. �.

�� �������� ����� ����� ������� � ������ ������ �������.

��������� ��������. ��������� �����

���� ����������� (����������) ����������� ������� �� ��������� ���� ������� � ����������� ���������� ����� ������� ������� � ���� �����. ���������� ���� ���������� ������ ��������� ��������������� � ��� �������, �. �.

��� ��� ���, ��� �������� ����� ����������� ��������� ������� �����. �� ���� �������� �� ������ ������� ������� ����� �����������, ��� ������������� ��� ���� � ����, ������ � ���� ���������� � ���� ���������� �������.

����� �������, ���� ���������� ������� � ������ ������ ���������� ���� ����������� � ��������������� �������� ������� �����. ��� �������������� ���������� ���� � ��������� ��� ������ �������� ��������, ���������� ��������� ��������� ����.

��������� �������� ���� �������� ����� ���������� ������� �����, ���������� ����� �������� 1 ��2, ������������� ��������������� �� �����������.

������, ��� ������ ������� ������� ����� � ������ ����� ����, ��� ������ � ���� ����� ��������� ��������.

����� ���������� ��������� ������� �����, ���������� ����� �����-���� �������, ���������� ��������� �������.

��������� ����� ������������ ������ � � ������ � ��������� ��������� ��������� ������������:

� = BS,

��� � – ��������� �����, � – ��������� �������� ����; S – �������, ������������� ������ ��������� �������.

��� ������� ����������� ������ ��� �������, ���� ������� S ����������� ��������������� ����������� ���������� ������. � ��������� ������ �������� ���������� ������ ����� �������� ��� � �� ����, ��� ����� ����� ����������� ������� S, � ����� ������� ������ ����� ������� ���.

��������� ����� ����������� ������� ������������ ������ ������ ������� �����, ���������� ����� ���������� ������� �������. ��� ������ ��������� ����� ����������� �������, ��� ������� ����� ���������� ���� ������ ��������.

��������� ����� ����������� ������� ������� �� �������� �����, �� ������� ������ ����������, �� �������� ������ ������� � �� ������� ��� ��������������.

��������� �������������

�������� ���� ���������� ����� ���� ��������� ����� ���������� ��������� ��������������. ���������� ������ ����� ������ ����� ������, ��� ����� ����������� ����.

����� ����� ����������� ���������� ��������� �������� �� �� ��������� �������������, ������� ������� ��������� ������������� ������� ������ �������.

��������, � ������� ��������� ������������� ������ �������, ���������� �������������. � ��� ��������� ����, ������, ������� � ��.

��������, �������, ����� � ��. �������� ��������� �������������� ������� ������ ������� � ����� �������� ������������� �������.

��������, ��������� ������������� ������� ����������� ������ ������� (���������� ��������), ���������� ���������������. � ��� ��������� ������, �������, �����, ������ � ��. �� ���� ������� � �� ������� ������ ������������ ��������� � ���������������� ������� � ������ ��������� ������������� �����.

������������ ������� ��� ������� ����� ������������ ����������� ������ ������ � �������, ���������� �������� ����������.

Источник: http://ElectricalSchool.info/main/osnovy/395-magnetizm-i-jelektromagnetizm.html

Магнетизм для чайников: основные формулы, определение, примеры

Электромагнетизм

Часто бывает, что задачу не удается решить из-за того, что под рукой нет нужной формулы. Выводить формулу с  самого начала – дело не самое быстрое, а у нас на счету каждая минута.

Ниже мы собрали вместе основные формулы по теме «Электричество и Магнетизм». Теперь, решая задачи, вы сможете пользоваться этим материалом как справочником, чтобы не терять время на поиски нужной информации.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Магнетизм: определение

Магнетизм – это взаимодействие движущихся электрических зарядов, происходящее посредством магнитного поля.

Поле – особая форма материи. В рамках стандартной модели существует электрическое, магнитное, электромагнитные поля, поле ядерных сил, гравитационное поле и поле Хиггса. Возможно, есть и другие гипотетические поля, о которых мы пока что можем только догадываться или не догадываться вовсе. Сегодня нас интересует магнитное поле.

Магнитная индукция

Так же, как заряженные тела создают вокруг себя электрическое поле, движущиеся заряженные тела порождают магнитное поле.

Магнитное поле не только создается движущимися зарядами (электрическим током), но еще и действует на них. По сути магнитное поле можно обнаружить только по действию на движущиеся заряды.

А действует оно на них с силой, называемой силой Ампера, о которой речь пойдет позже.

Изображение магнитного поля при помощи силовых линий

Прежде чем мы начнем приводить конкретные формулы, нужно рассказать про магнитную индукцию.

Магнитная индукция – это силовая векторная характеристика магнитного поля.

Она обозначается буквой B и измеряется в Тесла (Тл). По аналогии с напряженностью для электрического поля Е магнитная индукция показывает, с какой силой магнитное поле действует на заряд.

Кстати, вы найдете много интересных фактов на эту тему в нашей статье про теорию магнитного поля и интересные факты о магнитном поле Земли.

Как определять направление вектора магнитной индукции? Здесь нас интересует практическая сторона вопроса. Самый частый случай в задачах – это магнитное поле, создаваемое проводником с током, который может быть либо прямым, либо в форме окружности или витка.

Для определения направления вектора магнитной индукции существует правило правой руки. Приготовьтесь задействовать абстрактное и пространственное мышление!

Если взять проводник в правую руку так, что большой палец будет указывать на направление тока, то загнутые вокруг проводника пальцы покажут направление силовых линий магнитного поля вокруг проводника. Вектор магнитной индукции в каждой точке будет направлен по касательной к силовым линиям.

Сила Ампера

Представим, что есть магнитное поле с индукцией B. Если мы поместим в него проводник длиной l, по которому течет ток силой I, то поле будет действовать на проводник с силой:

Это и есть сила Ампера. Угол альфа – угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением тока в проводнике.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если расположить левую руку так, чтобы в ладонь входили линии магнитной индукции, а вытянутые пальцы указывали бы направление тока, отставленный большой палец укажет направление силы Ампера.

Сила Лоренца

Мы выяснили, что поле действует на проводник с током. Но если это так, то изначально оно действует отдельно на каждый движущийся заряд. Сила, с которой магнитное поле действует на движущийся в нем электрический заряд, называется силой Лоренца. Здесь важно отметить слово «движущийся», так на неподвижные заряды магнитное поле не действует.

Итак, частица с зарядом q движется в магнитном поле с индукцией В со скоростью v, а альфа – это угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции. Тогда сила, которая действует на частицу:

Как определить направление силы Лоренца? По правилу левой руки. Если вектор индукции входит в ладонь, а пальцы указывают на направление скорости, то отогнутый большой палец покажет направление силы Лоренца. Отметим, что так направление определяется для положительно заряженных частиц. Для отрицательных зарядов полученное направление нужно поменять на противоположное.

Если частица массы m влетает в поле перпендикулярно линиям индукции, то она будет двигаться по окружности, а сила Лоренца будет играть роль центростремительной силы. Радиус окружности и период обращения частицы в однородном магнитном поле можно найти по формулам:

Взаимодействие токов

Рассмотрим два случая. Первый – ток течет по прямому проводу. Второй – по круговому витку. Как мы знаем, ток создает магнитное поле.

В первом случае магнитная индукция провода с током I на расстоянии R от него считается по формуле:

Мю – магнитная проницаемость вещества, мю с индексом ноль – магнитная постоянная.

Во втором случае магнитная индукция в центре кругового витка с током равна:

Также при решении задач может пригодиться формула для магнитного поля внутри соленоида. Соленоид – это катушка, то есть множество круговых витков с током.

Пусть их количество – N, а длина самого соленоилда – l. Тогда поле внутри соленоида вычисляется по формуле:

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Магнитный поток и ЭДС

Если магнитная индукция – векторная характеристика магнитного поля, то магнитный поток – скалярная величина, которая также является одной из самых важных характеристик поля.

Представим, что у нас есть какая-то рамка или контур, имеющий определенную площадь. Магнитный поток показывает, какое количество силовых линий проходит через единицу площади, то есть характеризует интенсивность поля.

Измеряется в Веберах (Вб) и обозначается Ф.

S – площадь контура, альфа – угол между нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура и вектором В.

При изменении магнитного потока через контур в контуре индуцируется ЭДС, равная скорости изменения магнитного потока через контур. Кстати, подробнее о том, что такое электродвижущая сила, вы можете почитать в еще одной нашей статье.

По сути формула выше – это формула для закона электромагнитной индукции Фарадея. Напоминаем, что скорость изменения какой-либо величины есть не что иное, как ее производная по времени.

Для магнитного потока и ЭДС индукции также справедливо обратное. Изменение тока в контуре приводит к изменению магнитного поля и, соответственно, к изменению магнитного потока.

При этом возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует изменению тока в контуре.

Магнитный поток, который пронизывает контур с током, называется собственным магнитным потоком, пропорционален силе тока в контуре и вычисляется по формуле:

L – коэффициент пропорциональности, называемый индуктивностью, который измеряется в Генри (Гн). На индуктивность влияют форма контура и свойства среды. Для катушки с длиной l и с числом витков N индуктивность рассчитывается по формуле:

Формула для ЭДС самоиндукции:

Энергия магнитного поля

Электроэнергия, ядерная энергия, кинетическая энергия. Магнитная энергия – одна из форм энергии. В физических задачах чаще всего нужно рассчитывать энергию магнитного поля катушки. Магнитная энергия катушки с током I и индуктивностью L равна:

Объемная плотность энергии поля:

Конечно, это не все основные формулы раздела физики «электричество и магнетизм», однако они часто могут помочь при решении стандартных задач и расчетах. Если же вам попалась задача со звездочкой, и вы никак не можете подобрать к ней ключ, упростите себе жизнь и обратитесь за решением в сервис студенческой помощи.

Источник: https://Zaochnik-com.ru/blog/magnetizm-dlya-chajnikov-osnovnye-formuly-kotorye-prigodyatsya-pri-reshenii-zadach/

Электромагнетизм для самых маленьких, и не только

Электромагнетизм

Если говорить об «электромагнетизме Максвелла», то народ в целом делится на две группы: первые считают, что знают на эту тему если не всё, то вполне достаточно. Потому что ничего сложного там нет. Вторые не совсем знают эту тему и не хотят знать. Так как непонятные формулы и вообще.

Натыкаясь в разных местах на то, как объясняются некоторые моменты: с одной стороны убедительно, с другой сомнительно, с третьей неверно, с четвертой, в принципе и верно… думаю, стоит на всякий случай приглядеться им, а так как начать придется от оснований, то и «самые маленькие» могут поднянуться без боязни формул.

Прежде всего нас будет интересовать, как образуются и распространяются электромагнитные волны от «электрических» и «магнитных» полей, а посему сразу лакмусовая бумажка: Если эта схема вам прекрасно знакома и не вызывает рефлекса кое-что пояснить и дополнить, чтобы не ввела других в заблуждение, то прошу под кат.

Если она вам прекрасно знакома, и вы поняли, что там требуется допояснять, то гуляйте дальше) Пост не для вас. Если схема не очень знакома или понятна, можете заглянуть.

Чтобы идти по порядку, начнем с далека, а именно — возьмем и рассмотрим окружность. Казалось бы, о чем тут говорить, фигуры проще не бывает.

С детства мы привыкли рисовать, взяв точку-центр на бумаге и очертив все точки на одинаковом от центра расстоянии.

Потом мы узнаем другие способы «нарисовать» круг. Казалось бы, совсем разные принципы, а ведут к одному и тому же. Возьмем один из них, один из полезнейших на мой взгляд:Секрет вселенной
Что это было? Ничто иное, как дифференциальное уравнение окружности. Смысл которого звучит так: «Есть две взаимодействующие сущности. Первая прикладывает силы, чтобы усилить вторую. Вторая, по мере сил, пытается ослабить первую.» Эту динамику мы можем записать в форме самой простой системы дифф. уравнений в мире (не считая экспоненты) Образно говоря, в любой момент очень короткого периода одинаковой длины «dt», изменение «у» (т.е. «dy») зависит от величины «x». При этом в этот же момент изменение «x» (т.е. «dx») зависит от величины «y». Оба уравнения аналогичны уравнению механики макромасштабов — «расстояние = скорость * время». Только в данном случае отрезки «dt» очень малы (а точнее, бесконечно малы, но сути не меняет).заметка насчет записиОбычно дифф. ур. записывают, чтобы продемонстрировать дифференциал, в данном случае производную по времени, поэтому типичная запись:

При чем все эти зависимости линейные, и об окружности им ничего не известно. А принцип инь-ян проявляется в противостоящих знаках воздействия одного элемента на другой. Если система находится не в равновесии, т.е. «x» и «y» не равны нулю, это взаимодействие, складывая все микро-отрезки времени, приведет к бесконечному циклу колебаний.Код html для примера

Из этого же представления мы получаем как результат — функции синус и косинус, т.к. «х» и «у» ими соответственно и являются (с точностью до масштаба).

Отсюда же сразу понятно, почему производная синуса — косинус, косинуса — минус синус… и почему цепочка производных зацикливается. И тянется в бесконечность… Если посмотреть на «x» и «y» (синус и косинус) на одной оси, то они конечно сдвинуты на пи/2

Итак, к чему все это.

Вернемся к электромагнитным волнам. Пустое 3-хмерное пространство. Как известно, два вида полей, электрическое и магнитное, проявляют схожую зависимость между собой. Грубо говоря, изменение интенсивности магнитного поля порождает разницу электрического потенциала (закон Фарадея). И так же изменение электрического потенциала в точке пространства порождает магнитное поле (закон Ампера). В уравнениях Максвелла эти зависимости между «E» (электрическое поле) и «B» (магнитное поле) выглядят так (еще два дополнительных уравнения сводятся к «закону сохранения энергии», и нам не будут интересны) Прежде чем вникать в детали, следует заметить, что эта система дифф.ур. очень похожа на дифф. ур. инь-яна. Главные элементы здесь — «E», «B» и «t», на остальные параметры можно не обращать внимания, например «J» это внешнее электрическое воздействие, которое не будем рассматривать, а остальное можно принять за константы и забыть. Кроме этого надо заметить, что и «Е», и «B», это не просто два числа, а поля трехмерных векторов в каждой точке трехмерного пространства. Но это тоже в данном случае ничего кардинально не меняет. Зато важный элемент — треугольник с крестиком перед «Е» и «B», т.н. «ротор» поля. Из-за него как раз рождаются определенные сомнения и вопросы. К ротору вернемся чуть позже, посмотрим, что за вопросы и неясности вызывает.

Итак, мы видели, что круговая динамика это две связанные величины, которые на одном графике от времени, представляют собой две волны со сдвигом пи/2.

Таким же образом из начального возмущения распространяется электромагнитная волна, через зацикленность интенсивностей и их изменений. Изменение электрического поля порождает магнитное поле, которое, увеличиваясь (=изменяясь), порождает обратное электрическое поле, которое… и т.д. Это классическое (и верное) объяснение, известное наверное каждому. Но… посмотрим на схему с которой все началось: Сдвиг… где тут сдвиг? Векторы, обозначающие интенсивности полей, колеблются в одной фазе! Ошибка? Смотрим на вики. Там то же самое. Ошибка на вики? Смотрим гугл. Что там у нас? Какие-то непонятные споры… Должен быть сдвиг или нет? Консенсуса нет. Одни говорят «сдвиг должен быть, там везде все неправильно». Другие «доказывают», что правильно. Шок, как так? Идеальная и элегантная теория, которой 300 лет в обед, и еще какие-то неясности?

Например объяснение: www.sciforums.com/threads/luminiferous-ether.57402

Hi BillyT, From my understanding Vern is correct. Your citation of Maxwell's equation is a good idea, but you are incomplete. In free space you have no currents and no charges so Maxwell's 4 equations simplify down to 2 equations (considering a single spatial dimension): dE/dx = -dB/dt

dE/dt = -c2 dB/dx

So when the temporal derivative of one is maximal the spatial derivative of the other is minimal (maximally negative). If you consider a simple single-frequency sinusoidal plane wave you find that this happens for E and B in phase. In the above equations: E = Emax cos(kx-wt)

B = Bmax cos(kx-wt)

Вот, вышло, что должны быть в фазе. И еще в разных местах в интернете другие вариации на эту тему.

Правильно ли? Нет, неправильно.

Почему неправильно? Потому что ротор поля это не его производная по пространству!

dE/dx — так нельзя.

В других местах «упрощают» пространство до двумерного другими способами и получают тот же результат. Так тоже нельзя, ротору нужны 3 измерения (не меньше).

Посмотрим, что за это несчастный ротор. Думаю, вещь знакомая со школы. Дело в том, что изменение электрического поля порождает не абы какое магнитное поле, а «закрученное». Типичный пример, изначальный ток по проводу, порождающий изменение электропотенциала вдоль линии провода, создает закрученное вокруг провода магнитное поле. То же самое с изменяющимся потенциалом магнитного поля, если изменение имеет векторную направленность, электрическое напряжение будет закручено вокруг него. Поэтому ротор поля это не дифференциал, это специальный способ выразить его значение (наподобие смены системы координат), иначе говоря, ротор — это и есть значение поля.

Как в итоге выглядит каскадная зацикленная волна таких закрученностей?

Довольно сложно описать… Совсем упрощенная схема выглядит так Но это большое упрощение, такой картинки с колечками вообще не возникает, т.к. все находится во вращении и это скорее спирали, вращающиеся вокруг друг друга. Но при этом и не спирали, т.к. расходятся в пространстве, и взаимосложение даст еще более дивную картину.

Однако в любом случае… сдвиг на пи/2 есть.

Что же насчет классического рисунка? Классический рисунок представляет собой пример однонаправленной волны линейной поляризации… Что-то похожее на лазер.

Такую поляризованную волну можно получить, прибавляя к электро- волне круговой поляризации ее зеркальное отражение (стереоизомер).

Получится ли после такого сложения волна с колебаниями электропотенциала и магнитной интенсивности в одной фазе?

Следует помнить, что стереоизомеры вращательно-поляризованных волн не симметричны, т.к. векторы сопуствующего магнитного поля всегда повернуты под прямым углом в одну и ту же сторону.

А поэтому… вполне возможно? Или вполне возможно нет?

  • электромагнитное излучение
  • электромагнитные поля

Источник: https://habr.com/post/390731/

Магнетизм (электромагнетизм): что это такое в теории элементарной физики

Электромагнетизм

страница » Магнетизм (электромагнетизм): что это такое в теории элементарной физики

Силу, образующуюся в результате течения электрического тока через проводник (например, через участок провода или кабеля), характеризуют как электромагнетизм. При таких условиях проводник окружает магнитное поле. Направление магнитного поля относительно «северного» / «южного» полюсов определяется направлением тока, текущего через проводник.

Роль электромагнетизма в электротехнике

Магнетизм играет важную роль в электротехнике (электронике). Многие электронные и электрические компоненты:

  • реле,
  • соленоиды,
  • катушки индуктивности,
  • дроссели,
  • катушки громкоговорителей,
  • обмотки электродвигателей,
  • генераторы,
  • трансформаторы,
  • счетчики электроэнергии и прочие,

попросту  не способны работать в условиях отсутствия эффекта магнетизма. По сути, любая катушка, выполненная намоткой провода, даёт эффект электромагнетизма в момент течения электрического тока. Для лучшего понимания магнетизма и электромагнетизма в частности, логично рассмотреть физику работы магнитов и магнетизма.

Какой видится природа магнетизма?

Магнетизм нередко присутствуют в естественном состоянии, например, в виде продуктов добываемой минеральной руды. Причём двумя основными типами элементов природного магнетизма выступают:

  1. Оксид железа (FE3O4).
  2. Магнетитовый железняк (FeO·Fe2O3).

Если указанную пару естественных магнитов подвесить на нить, оба займут положение, соответствующее магнитному полю Земли, которое всегда указывает на север.

Полюса Земли лежат в основе эффекта электромагнетизма — явления, с которым приходится сталкиваться не только инженерам-физикам в исследованиях, но также обычным людям в хозяйственной практике

Достаточно наглядно демонстрирует эффект магнетизма стрелка туристического компаса. Относительно практических применений магнетизм природного происхождения редко принимается во внимание.

Обусловлено это низким уровнем эффекта магнетизма, характерным для таких объектов, плюс следует брать в расчёт создание искусственных магнитов. Люди научились делать искусственные магниты разных форм, размеров, силы.

Эффект магнетизма поддерживается объектами двух форм, представляющих:

  1. Постоянные магниты.
  2. Временные магниты.

Причём используемый тип магнита зависит от конкретного применения. Применяется масса различных типов материалов под изготовление магнитов:

  • железо,
  • никель,
  • никелевые сплавы,
  • хром,
  • кобальт,

Что интересно, будучи в естественном состоянии материала, некоторые элементы списка, например, никель и кобальт, демонстрируют крайне низкие величины магнетизма.

Однако если эти элементы «легируются» с другими материалами — пероксидом железа или алюминия, формируются очень сильные магниты, получившие необычные названия:

  • «Alnico»
  • «Alcomax»,
  • «Alni»,
  • «Hycomax».

Материал в немагнитном состоянии имеет молекулярную структуру в виде разрозненных цепочек (отдельных микро-магнитов), свободно расположенных в случайном порядке.

Общий эффект такого расположения приводит к нулевому или очень слабому эффекту магнетизма. Объясняется подобное явление случайным расположением отдельного молекулярного магнита, имеющего тенденцию нейтрализовать соседние молекулы.

Формирование поля в структуре материала: 1 – хаотичным случайным образом расположенные магнитные домены не дают эффекта магнетизма; 2 – упорядоченные ровно выстроенные домены дают выраженный эффект магнетизма

Когда материал намагничен, случайное расположение молекул изменяется. В итоге микроскопические случайные молекулярные магниты «выстраиваются» последовательным расположением. Этот эффект молекулярного выравнивания ферромагнитных материалов известен как теория Вебера.

Магнитное выравнивание молекулы куска железа

Теория Вебера основана на магнитных свойствах атомов благодаря действию вращения атомов электронов. Группы атомов объединяются, а магнитные поля вращаются в одном направлении. Материалы составляют микроскопические магниты на молекулярном уровне.

Структура большинства намагниченных материалов состоит из микроскопических элементов, выстроенных в одном направлении для создания только северного полюса и в другом направлении для создания южного полюса.

Материал, в структуре которого молекулярные магниты сосредоточены по всем направлениям, имеет «нейтральные» молекулярные частицы, нейтрализующие любой эффект магнетизма. Эти области молекулярных магнитов именуются «доменами».

Любому материалу характерно создание орбитальных и вращающихся электронов магнитного поля, полностью зависящего от степени выравнивания доменов в материале. Эта степень выравнивания, как правило, определяется величиной намагниченности (М).

Схематичная демонстрация формирования силовых линий: 1 – индуцируемый ток в рабочем материале; 2 – течение тока внутри проводников катушки; 3 – магнитное поле

Внутренняя структура немагнитного материала показывает М = 0.

Однако некоторые из доменов могут оставаться выровненными по границам небольших областей в материале.

Эффект приложения намагничивающей силы к материалу заключается в выравнивании некоторых доменов для получения ненулевого значения намагничивания.

Как только сила намагничивания нейтрализована, магнетизм внутри материала остаётся на некотором уровне, либо быстро затухнет в зависимости от используемого материала. Эта способность материала сохранять свойство магнетизма называется «Остаточная намагниченность».

Материалы, обладающие свойствами сохранения магнетизма, демонстрируют достаточно высокую способность к остаточной намагниченности, а потому часто используются для изготовления постоянных магнитов.

В то же время материалы, обладающие свойством быстрой потери магнетизма, демонстрируют низкую способность остаточной намагниченности.

Из таких материалов, изготавливают, к примеру, сердечники для реле и соленоидов.

Что такое магнитный поток?

Любым магнитам, независимо от формы, присуще характерное свойство — наличие пары полюсов. Внутренний магнетизм и молекулярные цепи полюсов образуют своеобразную цепочку невидимых линий потока организованной и сбалансированной структуры.

Эти линии потока образуют магнитное поле. Форма такого поля в некоторых частях более интенсивная, чем в других. Причём область магнита (традиционно концевая), обладающая наибольшим уровнем магнетизма, являются активной областью полюса.

Примерно такой вид формирования полей можно наблюдать (с помощью специальной техники) в области двух сближаемых противоположными полюсами магнитов

Линии потока — векторные поля, не видны невооруженным глазом, но доступны к определению, например, с помощью компаса. Полюса всегда присутствуют парами. Всегда существует область «северного» полюса и область «южного» полюса.

Поля отображаются визуально силовыми линиями, определяющими полюс на каждом конце материала, где линии потока более плотные и концентрированные. Линии, образующие поле, показывающие направление и степень интенсивности, называются силовыми линиями (магнитным потоком). Традиционно такой поток обозначается греческим символом «Фи» (φ).

Силовые линии определяющие эффект магнетизма

Как показано выше, магнитное поле является наиболее сильным вблизи полюсов магнита, где линии потока расположены близко друг к другу. Общее направление потока – традиционно от северного полюса (N) к южному (S) полюсу. Кроме того, силовые линии образуют замкнутые петли, выходящие на северный и на южный полюс.

Однако магнитный поток не течёт с «севера» на «юг» полюсов или каким-либо другим образом, поскольку является статической областью, окружающей магнит, где отмечается действие магнитной силы.

Другими словами, поток не течёт и не движется в принципе, а попросту существует, будучи не подверженным влиянию гравитации. Следующие важные факты магнетизма сопровождают построение силовых линий:

  • силовые линии не пересекаются и не прерываются,
  • силовые линии всегда образуют отдельные замкнутые петли,
  • силовым линиям магнетизма характерно направление с «севера» на «юг»,
  • близкое расположение силовых линий указывает на сильный магнетизм,
  • удалённое расположение силовых линий указывает на слабый магнетизм.

Силы магнетизма притягивают и отталкивают подобно электрическим силам, поэтому сближение двух силовых линий (взаимодействие между двумя полями) вызывает одно из двух явлений магнетизма:

  1. Отталкивание полюсов.
  2. Притягивание полюсов.

Эффект взаимодействия между полями с учётом разного расположения относительно полюсов: 1 – разноимённые полюса вызывают эффект притягивания; 2 – одноимённые полюса вызывают эффект отталкивания; 3 – направление силовых линий

Этот эффект легко запоминается благодаря известному выражению «противоположности притягиваются».

Это взаимодействие магнитных полей, показывающие силовые линии окружающие магнит, легко продемонстрировать, используя железные наполнители.

Влияние на магнитные поля различных комбинаций полюсов, когда одинаковые полюсы отталкиваются и в отличие от полюсов притягиваются, показано на картинке выше.

Магнитное поле одноименных и разноименных полюсов

Анализ линий магнитного поля с помощью компаса позволяет видеть, что созданием силовых линий придаётся определённый полюс на каждом конце магнита. Эффект магнетизма может быть нарушен нагреванием или ударом магнитного материала, но магнетизм невозможно уничтожить или изолировать, простым разделением магнита на две части.

Поэтому, если используя обычный стержневой магнит, разбить тело этого объекта на две части, двух половинок одного магнита получить не удастся. Вместо этого каждая часть слома образует полноценный магнит, наделённый «северным» и «южным» полюсами.

Продолжением разделения пополам других полученных частей приведёт к тому же результату. Независимо от того, насколько маленькими становятся кусочки магнита, у каждого кусочка будет формироваться «северный» и «южный» полюс, соответственно.

Определение величины магнетизма

Как отмечалось ранее, силовые линии (магнитный поток) магнитного материала обозначается греческим символом «Фи» (φ). Под единицей измерения потока используется Вебер (латинское обозначение Wb, русское – Вб). Число силовых линий в пределах данной единичной области называется «плотностью потока».

Поскольку магнитный поток измеряется в Веберах, а площадь в метрах квадратных, следовательно, плотность потока измеряется отношением Вб / S и обозначается латинским символом — B.

Однако когда речь идет о магнетизме, плотность потока задается в единицах Тесла, поэтому один Вб / S равен одному Тесла (1Вб / 1м2 = 1T). Плотность потока пропорциональна силовым линиям и обратно пропорциональна площади. Отсюда плотность магнитного потока определяется как:

B = φ / S

Пример определения силы магнетизма

Количественный показатель магнитного потока, присутствующего в круглом магнитном стержне, равен 0,06 Вб. Какая плотность магнитного потока, если диаметр стержня магнита равен 24 см? Решение:

Сначала определяется площадь поперечного сечения стержня (в м2):

S = π * R2 (3.14 * 0.122) = 0.045

Далее рассчитывается плотность магнитного потока (в Тесла):

B = φ / S = 0. 06 / 0.045 = 1.33

Если применительно к магнетизму электрических цепей 1Т — это плотность магнитного поля, проводник, несущий ток 1А под прямым углом к магнитному полю, испытывает нагрузку магнитной силы в один ньютон на метр.

При помощи информации: ElectronicsTutorials

Источник: https://zetsila.ru/%D1%87%D1%82%D0%BE-%D1%82%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%B5-%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%B7%D0%BC/

Электромагнетизм

Электромагнетизм

Теория электромагнетизма в ее классическом понимании сформировалась в XIX веке. Это фундаментальное учение о том, как устроен наш мир.

Значение электромагнетизма заключается в том, что:

  1. Философское и мировоззренческое значение данной теории придает описание электромагнитного поля, как особой формы существования материи.
  2. Электромагнетизм играл значимую роль в появлении и развитии теории относительности.
  3. Данный раздел физики играет большую роль в научно – техническом прогрессе.

Замечание 1

Курс «Электромагнетизма» длительное время остается консервативным. Причиной тому служит завершенность теории.

Определение 1

Электромагнетизмом называют раздел физики, который посвящен изучению законов и явлений, связанных с электрическими и магнитными полями, их связью и взаимозависимостью.

Фундаментальными понятиями теории электромагнетизма являются:

  • заряд;
  • электрическое поле;
  • потенциал;
  • энергия поля;
  • электромагнитное взаимодействие;
  • магнитное поле;
  • магнитная индукция;
  • электромагнитное поле и др.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

К основным законам электромагнетизма можно отнести следующие:

  • закон Кулона;
  • закон Ампера;
  • закон Био-Савара-Лапласа;
  • закон Ома;
  • закон индукции Фарадея;
  • уравнения Максвелла.

Закон Кулона

Обобщая результаты экспериментов с крутильными весами, Кулон предложил закон, в соответствии с которым пара точечных зарядов (рис.1) $q_1$ и $q_2$, находящихся в вакууме действуют друг на друга с силами равными $F$, направленными вдоль прямой, которая соединяет рассматриваемые заряды, при этом:

$\vec{F}_{12}=\frac{1}{4\pi \varepsilon_{0}}\frac{q_{1}q_{2}}{\left|r_{2}-r_{1} \right|{3}}\left( \vec{r}_{2}-\vec{r}_{1}\right)=-\vec{F}_{21}\left( 1 \right)$,

где $ \epsilon_0=8,85\bullet 10{-12}$ Ф/м – электрическая постоянная; $\vec F_{12 }$ – сила, действующая на заряд $q_2$ со стороны заряда $q_1$.

Рисунок 1. Закон Кулона. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Замечание 2

Одноименные заряды отталкиваются, противоположные притягиваются.

Закон Кулона – это основной закон электростатики.

Для вычисления сил взаимодействия заряженных тел произвольных форм и размеров используют принцип суперпозиции, который можно сформулировать следующим образом:

Взаимодействие пары точечных зарядов не изменяется, если внести третий заряд. Он будет взаимодействовать с первыми двумя зарядами.

Закон Ампера

Датский физик Г. Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка, при нахождении рядом с проводом с током может поворачиваться. Данное открытие стало основанием для вывода о связи магнитных и электрических явлений. Основным в открытии Эрстеда было то, что магнит реагировал на перемещающийся электрический заряд. Появилось понимание того, что магнитное поле создается перемещающимся зарядом.

Проводя анализ экспериментов Эрстеда, А. Ампер выдвинул гипотезу о том, что земной магнетизм порождается токами, которые обтекают нашу планету в направлении с запада на восток.

Вывод был сделан следующий:

Магнитные свойства каждого тела определены замкнутыми электрическими токами в нем.

Ампер установил, что два проводника с токами взаимодействуют. Если токи в параллельных проводниках однонаправленные, то эти проводники притягиваются.

Результатом экспериментов Ампера стал закон, который назвали его именем.

Сила взаимодействия пары контуров с током зависит от силы тока в каждом контуре и уменьшается при увеличении расстояния между рассматриваемыми контурами:

$d\vec{F}_{12}=\frac{\mu_{0}}{4\pi }\frac{I_{1}I_{2}(d\vec{l}_{2}\times(d\vec{l}_{1}\times \vec{r}_{12})}{r_{12}{3}}\left( 2 \right)$,

где $\mu_0=4\pi\bullet 10{-7}$ Н/$A2$ – магнитная постоянная; $ d\vec F_{12}$ – сила, с которой первый элемент с током действует на второй. Выражение (2) содержит двойное векторное произведение; $I_1; I_2$ – силы токов, которые текут в проводниках; $I_1d\vec l_1$; $I_2d\vec l_2$ – элементы токов (рис.2).

Рисунок 2. Закон Ампера. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Закон Био – Савара – Лапласа

Проводники с током воздействуют друг на друга, посредством магнитных полей, которые их окружают.

Введем векторную величину $\vec B$, которая будет характеристикой магнитного поля. Для этого параметра поля был установлен экспериментально закон, который получил название по именам его первооткрывателей, закон Био – Савара- Лапласа:

$dB=\frac{\mu_{0}}{4\pi }\frac{Idl}{r{2}}\sin {\alpha \, \left( 3\right),}$,

где $Idl$ – элемент с током, который создает магнитное поле; $r$ – расстояние до точки в которой поле рассматривается поле; $\alpha$ – угол между векторами $d\vec l$ и $\vec r$.

Полученный вектор индукции нормален к векторам $d\vec l$ и $\vec r$, его направление определяют при помощи правила буравчика:

Если правый винт поворачивать по направлению тока, то вектор индукции в каждой точке параллелен направлению бесконечно малого перемещения конца рукоятки буравчика.

Замечание 3

Закон Био – Савара- Лапласа играет такую же роль в магнитостатике, как закон Кулона в электростатике.

Закон Ома

В начале XIX века Г. Ом рассматривая процессы течения электрического тока в цепи, имеющей источник установил, что:

$I=\frac{Ɛ}{r+R}\left( 4 \right)$,

где $I$ – сила тока в цепи; $Ɛ$ – электродвижущая сила источника тока; $r$ – внутреннее сопротивление источника; $R$ – сопротивление цепи (внешнее). Выражение (4) описывает ситуацию в замкнутой цепи.

Если рассматривать участок цепи, по которому течет ток, то закон Ома представляется в виде:

$I=\frac{U}{R}\left( 5 \right)$.

где $U$ – напряжение участка; $R$ – сопротивление участка.

Если участок цепи содержит источник, то закон Ома предстанет в виде:

$IR=Ɛ-Ir$(6).

Выражение (6) означает, что напряжение на нагрузке меньше ЭДС на величину, равную падению напряжения ($Ir$) на внутреннем сопротивлении источника.

Закон Ома в виде (4-6) называют законом в интегральной форме.

Закон Ома в дифференциальной форме можно записать как:

$\vec{j}=\frac{1}{\rho }\vec{E}\left( 7 \right)$,

где $\vec j$ – вектор плотности тока; ρ – удельное сопротивление проводника; $\vec E$ – вектор напряженности электрического поля.

Закон индукции Фарадея

Электромагнитная индукция была открыта Фарадеем в 1881 году.

Фарадей понимал электромагнитную индукцию как возбуждение токов в проводниках под воздействием магнитного поля.

Экспериментально доказано, что электродвижущая сила (ЭДС) ($Ɛ $) индукции в контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока сквозь рассматриваемый контур. В Международной системе единиц (СИ) данный результат выражен формулой:

$Ɛ=-\frac{dФ}{dt}\left( 8 \right)$,

где $Ф$ -переменный магнитный поток через замкнутый контур или его часть.

В общем случае изменение магнитного потока сквозь плоский контур вызвано:

  • переменным во времени магнитным полем;
  • движением контура в поле и переменой его ориентации.

Уравнения Максвелла

Максвелл доказал, что сущностью электромагнитной индукции стало создание магнитным полем вихревого электрического поля. Индукционный ток является вторичным эффектом, который появляется в проводящих веществах. Трактовка электромагнитной индукции, которую дал Максвелл стала более общей.

Уравнения Максвелла стали математическим основанием классического электромагнетизма.

Запишем их в виде системы:

$rot\, \vec{E}=-\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}\left( 9 \right)$,

$rot\, \vec{H}=\vec{j}+\frac{\partial \vec{D}}{\partial t}\left( 10 \right)$,

$div\, \vec{D}=\rho \left( 11 \right)$,

$div\, \vec{B}=0\left( 12 \right)$.

В выражениях (9)- (12) мы имеем:$\vec E$ и $\vec D$ – напряженность и индукция электрического поля;

$\vec H$ и $\vec B$ – напряженность и магнитная индукции;

$\rho$ – объемная плотность электрического заряда;

$\vec j$ – плотность тока.

Уравнения Максвелла у нас представлены в дифференциальной форме. Для однозначного описания электромагнитных полей уравнения Максвелла дополняют материальными уравнениями среды. В общем виде они записываются в виде функций:

$\vec D=\vec D(\vec E)$; $\vec B=\vec B(\vec H)$; $\vec j=\vec j(\vec E)$.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektromagnetizm/

Biz-books
Добавить комментарий