Что такое электромагнитное поле

Электромагнитное поле – история открытия и физические свойства

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 Закон Ампера: «сила, действующая на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, пропорциональна длине проводника, вектору магнитной индукции, 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.

Еще через 7 лет, в 1831 году, Фарадей опытным путем обнаружил явление электромагнитной индукции, то есть ему удалось установить факт появления в проводнике электродвижущей силы в момент, когда на этот проводник действует изменяющееся магнитное поле. Смотрите – практическое применение явления электромагнитной индукции.

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 электромагнитных волн: 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.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Электромагнитное поле, его влияние на человека, измерение и защита

Что такое электромагнитное поле, как оно влияет на здоровье человека и зачем его измерять — вы узнаете из этой статьи. Продолжая знакомить вас с ассортиментом нашего магазина, расскажем о полезных приборах — индикаторах напряженности электромагнитного поля (ЭМП). Они могут применяться как на предприятиях, так и в быту.

Что такое электромагнитное поле?

Современный мир немыслим без бытовой техники, мобильных телефонов, электричества, трамваев и троллейбусов, телевизоров и компьютеров. Мы привыкли к ним и совершенно не задумываемся о том, что любой электрический прибор создает вокруг себя электромагнитное поле. Оно невидимо, но влияет на любые живые организмы, в том числе и на человека.

Электромагнитное поле — особая форма материи, возникающая при взаимодействии движущихся частиц с электрическими зарядами. Электрическое и магнитное поле взаимосвязаны друг с другом и могут порождать одно другое — именно поэтому, как правило, о них говорят вместе как об одном, электромагнитном поле.

К основным источникам электромагнитных полей относят:

— линии электропередач;
— трансформаторные подстанции;
— электропроводку, телекоммуникации, кабели телевидения и интернета;
— вышки сотовой связи, радио- и телевышки, усилители, антенны сотовых и спутниковых телефонов, Wi-Fi роутеры;
— компьютеры, телевизоры, дисплеи;
— бытовые электроприборы;
— индукционные и микроволновые (СВЧ) печи;
— электротранспорт;
— радары.

Влияние электромагнитных полей на здоровье человека

Электромагнитные поля влияют на любые биологические организмы — на растения, насекомых, животных, людей. Ученые, изучающие влияние ЭМП на человека, пришли к выводу, что длительное и регулярное воздействие электромагнитных полей может привести к:
— повышенной утомляемости, нарушениям сна, головным болям, снижению давления, снижению частоты пульса;
— нарушениям в иммунной, нервной, эндокринной, половой, гормональной, сердечно-сосудистой системах;
— развитию онкологических заболеваний;
— развитию заболеваний центральной нервной системы;
— аллергическим реакциям.

Защита от ЭМП

Существуют санитарные нормы, устанавливающие максимально допустимые уровни напряженности электромагнитного поля в зависимости от времени нахождения в опасной зоне — для жилых помещений, рабочих мест, мест возле источников сильного поля. Если нет возможности уменьшить излучение конструкционно, например, от линии электромагнитных передач (ЭМП) или сотовой вышки, то разрабатываются служебные инструкции, средства защиты для работающего персонала, санитарно-карантинные зоны ограниченного доступа.

Различные инструкции регламентируют время пребывания человека в опасной зоне. Экранирующие сетки, пленки, остекление, костюмы из металлизированной ткани на основе полимерных волокон способны снизить интенсивность электромагнитного излучения в тысячи раз. По требованию ГОСТа зоны излучения ЭМП ограждаются и снабжаются предупреждающими табличками «Не входить, опасно!» и знаком опасности электромагнитного поля.

Специальные службы с помощью приборов постоянно контролируют уровень напряженности ЭМП на рабочих местах и в жилых помещениях. Можно и самостоятельно позаботиться о своем здоровье, купив портативный прибор «Импульс» или комплект «Импульс» + нитрат-тестер «SOEKS».

Зачем нужны бытовые приборы измерения напряженности электромагнитного поля?

Электромагнитное поле негативно влияет на здоровье человека, поэтому полезно знать, какие места, в которых вы бываете (дома, в офисе, на приусадебном участке, в гараже) могут представлять опасность. Вы должны понимать, что повышенный электромагнитный фон могут создавать не только ваши электрические приборы, телефоны, телевизоры и компьютеры, но и неисправная проводка, электроприборы соседей, промышленные объекты, расположенные неподалеку.

Специалисты выяснили, что кратковременное воздействие ЭМП на человека практически безвредно, но длительное нахождение в зоне с повышенным электромагнитным фоном опасно. Вот такие зоны и можно обнаружить с помощью приборов типа «Импульс». Так, вы сможете проверить места, где проводите больше всего времени; детскую и свою спальню; рабочий кабинет. В прибор занесены значения, установленные нормативными документами, так что вы сразу сможете оценить степень опасности для вас и ваших близких. Возможно, что после обследования вы решите отодвинуть компьютер от кровати, избавиться от сотового телефона с усиленной антенной, поменять старую СВЧ-печь на новую, заменить изоляцию дверцы холодильника с режимом No Frost.

Новое в блогах

Сообщество «Клуб интеллектуалов»

Что такое электромагнитное “поле”?

Понятие поле возникло в связи с изучением электромагнитных явлений.

Мы знаем, что вокруг магнита существует некое силовое поле, попадая в которое заряды ведут себя определенным образом. Мы также знаем, что вокруг проводника с током возникает вихревое поле.

Физики разделяют понятия «магнитное поле» и «электрическое поле», подчеркивая при этом, что оба они являются составляющими единого электромагнитного поля. Попробуем внести ясность в эти определения, и понять — чем отличается магнитное поле от электрического?

Примем за основу утверждение, что в природе существует единое поле, в котором возникают все наблюдаемые явления. Каждый единичный объект в в природе (будь то атом или человек) разделяет это единое поле на внутреннее и внешнее.

Будем считать, что та часть поля, которая отвечает за внутренние явления, называется магнитным полем, а та часть поля, которая отвечает за внешние явления, называется электрическим.

Любой простой, единичный объект является, своего рода, точечным зарядом. В зависимости от того, каким образом в нем скомпенсированы векторы магнитного и электрического полей, он считается либо «положительным», либо «отрицательным». Не в смысле «хорошим» или «плохим», а в смысле направленности результирующего вектора. Примем за положительное направление — внешнее, а за отрицательное — внутреннее. Чем меньше разница между этими значениями, тем ближе заряд к нейтральному состоянию, и в этом случае его называют не зарядом, а просто частицей.

Поведение нейтральной частицы является свободным и непредсказуемым, в отличие от поведения заряда.

Мы также знаем, что электромагнитные явления можно разделить на два вида — статические и динамические.

Статическое электричество возникает, например, при трении янтаря о шерсть. Говорят, что вокруг янтаря возникает статическое электрическое поле. Значит, внутри янтаря (или другого диэлектрика) существует небольшое магнитное поле.

Статическое магнитное поле образуется вокруг металлов (проводников). Значит, внутри магнита есть небольшое электрическое поле.

Что происходит, когда мы накапливаем статический заряд в конденсаторе, например, в лейденской банке? Электрическое поле с поверхности диэлектрика переходит во ВНУТРЕННЮЮ часть банки, выстеленную металлическим материалом. Происходит инвертирование магнитного и электрического полей, и электрический заряд накапливается в банке. При соединении внутренней обкладки с внешней происходит разряд — очень быстрое уравновешение внутреннего и внешнего поля до нейтрального состояния.

Динамические явления связаны с переменным током. Для его возникновения необходим длинный проводник, например, катушка медной проволки. В таком сильно вытянутом теле внутреннее и внешнее поля практически сливаются в одно электромагнитное поле, вытянутое вдоль проводника. И при вращении катушки вокруг постоянного магнита происходит вращение этого электромагнитного поля, которое мы называем электрическим током.

Такое объяснение переменного тока является очень простым и не требует введения таких понятий, как электроны, дырки, которые «бегают» по проводникам. Ток — это волна, пробегающая по проводнику и приводящая к его нагреванию, более или менее выраженному, в зависимости от свойств материала, от химической структуры металла.

Таким образом, электромагнитные явления возникают тогда и только тогда, когда происходит нарушение равновесия в едином информационном поле. И чем больше величина этого нарушения, тем больше становятся «силы», стремящиеся восстановить это равновесие.

В природе эти явления происходят стихийно и очень часто бывают разрушительными. Люди научились использовать энергию электромагнитного поля наиболее безопасным образом, и даже приспособили эту энергию для логических, вычислительных целей, изобретя компьютеры. В свою очередь, новые информационные технологии помогают нам лучше понимать физическую природу явлений.

Электромагнитное поле

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: электромагнитное поле.

Вспомним, каким образом Максвелл объяснил явление электромагнитной индукции. Переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Если в переменном магнитном поле находится замкнутый проводник, то вихревое электрическое поле приводит в движение заряженные частицы этого проводника — так возникает индукционный ток, наблюдаемый в эксперименте.

Линии вихревого электрического поля охватывают линии магнитного поля. Если смотреть с конца вектора , то линии вихревого электрического поля идут по часовой стрелке при возрастании магнитного поля и против часовой стрелки при убывании магнитного поля. Такое направление вихревого электрического поля, напомним, задаёт направление индукционного тока в соответствии с правилом Ленца.

Таким способом Максвелл объяснил, почему в экспериментах Фарадея появлялся индукционный ток. Но затем Максвелл пошёл ещё дальше и уже без какой-либо опоры на экспериментальные данные высказал симметричную гипотезу: переменное электрическое поле порождает магнитное поле (рис. 1 , 2 ).

Рис. 1. Симметричная гипотеза Максвелла (возрастание поля)

Линии этого магнитного поля охватывают линии переменного электрического поля и идут в другую сторону по сравнению с линиями вихревого электрического поля. Так, при возрастании электрического поля линии порождаемого магнитного поля направлены против часовой стрелки, если смотреть с конца вектора (рис. 1 , справа).

Рис. 2. Симметричная гипотеза Максвелла (убывание поля)

Наоборот, при убывании электрического поля линии порождаемого магнитного поля идут по часовой стрелке (рис. 2 , справа).

У электрического поля может быть два источника: электрические заряды и переменное магнитное поле. В первом случае линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.

Во втором случае электрическое поле является вихревым — его линии оказываются замкнутыми.

У магнитного поля также может быть два источника: электрический ток и переменное электрическое поле. При этом линии магнитного поля замкнуты в обоих случаях (оно всегда вихревое). Максвелл предположил, что оба источника магнитного поля равноправны в следующем смысле. Рассмотрим, например, процесс зарядки конденсатора (рис. 3 ):

Рис. 3. Магнитное поле внутри конденсатора совпадает с магнитным полем тока

В данный момент по проводам, соединяющим обкладки конденсатора, течёт ток . Заряд конденсатора увеличивается, и, соответственно, возрастает электрическое поле между обкладками. Это переменное электрическое поле порождает магнитное поле . Так вот, согласно гипотезе Максвелла магнитное поле внутри конденсатора оказывается точно таким же, как и магнитное поле тока — как если бы ток протекал в пространстве между обкладками конденсатора.

Подчеркнём ещё раз, что симметричная гипотеза Максвелла была поначалу чисто умозрительной. На тот момент не наблюдалось каких-либо неясных физических явлений, для объяснения которых потребовалась бы такая гипотеза. Лишь впоследствии (и уже после смерти Максвелла) она получила блестящее экспериментальное подтверждение. Об этом — чуть ниже.

Прежде всего, симметричная гипотеза указала на то, что электрическое и магнитное поля тесно взаимосвязаны. Они не являются обособленными физическими объектами и всегда существуют рядом друг с другом. Если в какой-то системе отсчёта электрическое (магнитное) поле отсутствует, то в другой системе отсчёта, движущейся относительно первой, оно непременно появится.

Допустим, например, что в движущемся автомобиле покоится электрический заряд. В системе отсчёта, связанной с автомобилем, этот заряд не создаёт магнитного поля. Но относительно земли заряд движется, а любой движущийся заряд является источником магнитного поля. Поэтому наблюдатель, стоящий на земле, зафиксирует магнитное поле, создаваемое зарядом в автомобиле.

Пусть также на земле лежит магнит. Наблюдатель, стоящий на земле, регистрирует постоянное магнитное поле, создаваемое этим магнитом; коль скоро это поле не меняется со временем, никакого электрического поля в земной системе отсчёта не возникает. Но относительно автомобиля магнит движется — приближается к автомобилю или удаляется от него. В системе отсчёта автомобиля магнитное поле меняется со временем — нарастает или убывает; наблюдатель в автомобиле фиксирует вихревое электрическое поле, порождаемое переменным магнитным полем нашего магнита.

Но все инерциальные системы отсчёта абсолютно равноправны, среди них нет какой-то одной привилегированной. Законы природы выглядят одинаково в любой инерциальной системе отсчёта, и никакой физический эксперимент не может отличить одну инерциальную систему отсчёта от другой (это — принцип относительности Эйнштейна, о котором пойдёт речь в листке «Принципы СТО»). Поэтому естественно считать, что электрическое поле и магнитное поле служат двумя различными проявлениями одного физического объекта — электромагнитного поля.

Таким образом, в произвольной, наудачу выбранной системе отсчёта будут присутствовать обе компоненты электромагнитного поля — поле электрическое и поле магнитное. Но может случиться и так, что в некоторой системе отсчёта, специально приспособленной для данной задачи, одна из этих компонент обратится в нуль. Мы видели это в наших примерах с автомобилем.

Электромагнитное поле можно наблюдать и исследовать по его действию на заряженные частицы. Силовой характеристикой электромагнитного поля является пара векторов и — напряжённость электрического поля и индукция магнитного поля. Сила, с которой электромагнитное поле действует на заряд , движущийся со скоростью , равна:

Силы в правой части нам хорошо известны. Сила действует со стороны электрического поля. Она не зависит от скорости заряда.

Сила действует со стороны магнитного поля. Её направление определяется по правилу часовой стрелки или левой руки, а модуль — по формуле , где — угол между векторами и .

Теория электромагнитного поля была создана Максвеллом. Он предложил свою знаменитую систему дифференциальных уравнений (уравнений Максвелла), которые позволяют найти векторы и в любой точке заданной области пространства по известным источникам — зарядам и токам (для однозначного нахождения полей необходимо знать ещё начальные условия — значения полей в начальный момент времени, а также граничные условия — некоторые условия для полей на границе рассматриваемой области). Уравнения Максвелла легли в основу электродинамики и позволили объяснить все известные на тот момент явления электричества и магнетизма. Но мало того — уравнения Максвелла дали возможность предсказывать новые явления!

Так, среди решений уравнений Максвелла обнаружились поля с неизвестными ранее свойствами — электромагнитные волны. А именно, уравнения Максвелла допускали решения в виде электромагнитного поля, которое может распространяться в пространстве, захватывая с течением времени все новые и новые области. Скорость этого распространения конечна и зависит от среды, заполняющей пространство. Но электромагнитные волны не нуждаются ни в какой среде — они могут распространяться даже сквозь пустоту. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме совпадает со скоростью света м/с ( сам свет также является электромагнитной волной).

Это был один из удивительных случаев в физике, когда фундаментальное открытие делалось «на кончике пера» — новое явление открывалось чисто теоретически, опережая эксперимент. Опытное подтверждение пришло позже: электромагнитные волны были впервые обнаружены в опытах Герца через восемь лет после смерти Максвелла. Эти опыты подтвердили справедливость симметричной гипотезы и основанной на ней теории электромагнитного поля, построенной Максвеллом.

Электромагнитное поле в физике

Электромагнитное поле

Электромагнитное поле — это та часть пространства, которая содержит в себе или окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии.
Таково определение электромагнитного поля, впервые данное Дж. К. Максвеллом.

В настоящее время электромагнитное поле определяется как особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие электрически заряженных тел.
Термин * электромагнитное поле» ввёл М. Фарадей, причём для него это был реальный физический объект, распределённый в пространстве. Описание электромагнитных явлений с помощью представления об электромагнитном поле было альтернативой теории дальнодействия. Впоследствии Дж. Максвелл облёк идеи М. Фарадея в математическую форму. Он определил электромагнитное поле как совокупность взаимосвязанных векторных полей и установил законы, которым они подчиняются. В своей теории

Максвелл показал, что:
1) электрическое поле может быть создано неподвижными зарядами;
2) электрическое поле может быть создано переменным магнитным полем, и в этом случае его силовые линии являются замкнутыми; они охватывают изменяющийся магнитный поток (переменное электрическое поле называется вихревым);
3) магнитное поле не имеет источников (нет магнитных зарядов), его силовые линии всегда замкнуты;
4) переменное электрическое поле (переменный поток электрических силовых линий) создаёт переменное магнитное поле. Линии магнитной индукции этого поля охватывают линии напряжённости электрического поля (рис. 140) аналогично случаю создания переменным магнитным полем вихревого электрического поля.

Рис. 140

Однако теперь при возрастании напряжённости электрического поля направление вектора индукции образует правый винт с направлением вектора . При убывании напряжённости магнитного поля вектор магнитной индукции образует с направлением вектора левый винт.
Источником переменного магнитного поля служат ускоренно движущиеся заряды. Оно, в свою очередь, создаёт переменное электрическое поле, которое вызывает переменное магнитное поле. Эти порождающие друг друга переменные магнитные и электрические поля и представляют собой электромагнитное поле.

Таким образом, источником электромагнитного поля являются ускоренно движущиеся заряды.
Переменные электрическое и магнитное поля существуют в пространстве независимо от наличия в них проводников. Проводник, замкнутый на гальванометр, в опытах Фарадея по электромагнитной индукции явился лишь индикатором, с помощью которого было обнаружено переменное электрическое поле, индуцированное переменным магнитным полем.

Согласно законам Максвелла, переменное электрическое поле не может существовать без переменного магнитного, а переменное магнитное — без переменного электрического.

Электрическое поле может существовать без магнитного или магнитное без электрического лишь по отношению к определённой системе отсчёта. Так, покоящийся в данной системе отсчёта заряд создаёт только электрическое поле. Однако относительно любой другой движущейся (относительно данной) системы отсчёта он создаёт магнитное поле. То же самое можно сказать относительно неподвижного магнитного поля (например, постоянного магнита). Относительно движущегося к нему наблюдателя магнитное поле будет переменным и, следовательно, будет порождать вихревое электрическое поле.

Таким образом, электромагнитное поле — это единое целое: в зависимости от системы отсчёта проявляются те или иные свойства поля.
Теорию Максвелла по своей значимости можно сравнить с законами Ньютона.
Предсказания теории Максвелла в полной мере были подтверждены экспериментально и явились основой для всей современной электротехники и радиотехники.

Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий