Что создает электромагнитное поле

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.

Электромагнитное поле

В 1820 г. Эрстед открывает влияние проводника с током на магнитную стрелку компаса. В 1824 г. Ампер закладывает основы электродинамики, устанавливает силы взаимодействия проводников, устанавливает силу действия магнитного поля на проводник с током, определяет правило нахождения этих сил. В 1831 г. Фарадей открывает явление электромагнитной индукции, заключающееся в том, что в замкнутом контуре, находящемся в изменяющемся магнитном поле, возникает ЭДС индукции и генерируется индукционный ток. Также Фарадей конструирует генератор переменного тока, в котором проводники последовательно проходили через электромагнит. Джозеф Генри создаёт мощнейший электромагнит и открывает явление самоиндукции. В 1834 г. Якоби конструирует двигатель постоянного тока.

Так к середине ХIХ века накопилось огромное количество экспериментальных фактов, которые требовали объяснения и теоретического описания. Поэтому Максвелл разработал свою теорию, о которой мы узнаем на уроке. В рамках этой темы мы познакомимся с электромагнитным полем.

1. Эксперимент

Проведём эксперимент, для которого соберём электрическую цепь (рис. 1), состоящую из последовательно соединённой лампочки и конденсатора, а также переключателя между двумя источниками питания: постоянного и переменного тока.

После замыкания цепи на источник постоянного тока лампочка не светится. После замыкания на источник переменного тока наблюдаем свечение лампочки.

Рассмотрим первый случай. Как только подключают цепь к источнику постоянного тока, подаётся напряжение на обкладки конденсатора, и на нём собирается заряд. Внутри конденсатора образуется электрическое поле. Но электрического тока быть не может, потому что конденсатор (рис. 2) состоит из двух параллельных металлических пластинок, между которыми находится диэлектрик. Диэлектрик – вещество, содержащее малое количество свободных носителей зарядов, поэтому при малых напряжениях в нем тока быть не может.

Рассмотрим случай, в котором цепь переключена на источник переменного тока. Удивительно, но без видимых изменений в цепи и, в частности, в диэлектрике конденсатора начинает протекать ток. Этот ток Максвелл назовет в свое время током смещения. Во время изучения явления электромагнитной индукции мы предполагали, что изменяющееся магнитное поле порождает электрическое, иначе невозможно было бы объяснить возникновение индукционного тока в контуре, который находится в изменяющемся магнитном поле. Это вихревое электрическое поле отличается от электрического поля, которое создают заряды. Линии напряжённости электростатического поля (рис. 3) исходят из положительного заряда и замыкаются на отрицательном, а линии вихревого электрического поля замкнуты.

Рис. 2. Конденсаторы (Источник)

Рис. 3. Линии напряжённости электростатического поля (Источник)

Работа по перемещению заряда по замкнутому контуру в электростатическом поле равна нулю. В вихревом электрическом поле (рис. 4) работа по замкнутому контуру такого поля не равна нулю. Таким образом, изменяющееся магнитное поле порождает вокруг себя вихревое электрическое поле.

Рис. 4. Вихревое поле (Источник)

2. Главная гипотеза Максвелла

Главная гипотеза Максвелла поднимала вопрос, возможна ли обратная ситуация, когда изменяющееся электрическое поле, порождает вихревое магнитное. Опираясь на гипотезу, можно объяснить, что происходит в цепи. При замыкании цепи на источник переменного тока, помимо электрического тока, который течёт в проводах, возникает ток смещения конденсатора, который порождает точно такое же магнитное поле, как то, которое порождает ток в проводниках. Из-за переменного напряжения, соответственно, меняется напряжение на обкладках конденсатора, и, соответственно, меняется электрическое поле между обкладками конденсатора. Такое изменение электрического поля порождает вихревое магнитное поле: ток смещения замыкает разорванную цепь в диэлектрике. Основываясь на этой гипотезе, Максвелл построил теорию, объясняющую огромное количество экспериментальных фактов и кажущихся парадоксов.

3. Теория Максвелла

В основу теории Максвелла положена система его уравнений, из которой следует, что изменяющиеся в пространстве электрическое и магнитное поле тесно сцеплены друг с другом и представляют единое целое. Они распространяются в пространстве в виде поперечных волн с конечной скоростью. Неразрывная связь электрического и магнитного полей указывает на то, что они не могут существовать обособленно. Невозможно создать электрическое поле без того, чтобы вокруг него не создалось магнитное, и наоборот.

Важно отметить: о существовании постоянного электрического поля и о существовании постоянного магнитного поля можно говорить только по отношению к какой-либо выбранной инерциальной системе отсчёта. Если есть заряд, который вокруг себя создаёт постоянное электрическое поле, но относительно других инерциальных систем этот заряд может двигаться, в тех инерциальных системах помимо электрического поля будет и магнитное.

Электрическое и магнитное поле – проявление единого целого электромагнитного поля. Электромагнитное поле – это особая форма существования материи, которая выражается во взаимодействии заряжённых частиц и обнаруживает себя под действием на заряжённые частицы. Поскольку электромагнитное поле изменяет состояние заряжённых частиц, оно обладает энергией. Справедливость теории Максвелла была доказана экспериментальным обнаружением электромагнитных волн.

4. Итоги

1. Изменяющееся магнитное поле порождает вокруг себя вихревое электрическое поле, которое действует на заряды токопроводящего контура.

2. Изменяющееся электрическое поле порождает вокруг себя магнитное.

5. Ток смещения

Термин «ток смещения» не очень удачен. Так, для диэлектриков он имеет смысл, потому что происходит смещение зарядов в атомах и молекулах. Но в вакууме тоже используется этот термин, никаких зарядов нет – никаких смещений тоже нет. И термин остался в силу исторических традиций.

6. Вихревое электрическое поле

Чтобы лучше понимать появление электрического поля в изменяющемся магнитном поле, проведём эксперимент. Предположим, имеется заряд, который движется в пространстве прямолинейно с постоянной скоростью. На пути движения заряда есть соленоид с однородным магнитным полем. Что увидит наблюдатель, который движется в том же направлении с той же скоростью вместе с этим зарядом? Пока заряд не приблизился к соленоиду, для наблюдателя заряд будет оставаться неподвижным. Как только заряд и наблюдатель приблизились к соленоиду, заряд относительно наблюдателя начинает двигаться. И далее движется по какой-то кривой траектории. Но на неподвижный заряд для наблюдателя может действовать только электрическая сила. Только сила со стороны электрического поля. Поэтому наблюдатель скажет, что появилось электрическое поле, которое стало действовать на заряд. Откуда появилось это электрическое поле? По мере приближения к соленоиду индукция магнитного поля для наблюдателя изменялась от нуля до конечного значения. Значит, наблюдатель скажет, что электрическая сила появилась только потому, что изменилось магнитное поле. Этот пример наглядно объясняет то, как в изменяющемся магнитном поле появляется вихревое электрическое.

7. Уравнения Максвелла

Рассмотрим основные уравнения Максвелла, которые лежат в основе его теории.

1. Каждый заряд окружён электрическим полем (рис. 6), которое действует на другой заряд. Изображаем электрическое поле при помощи силовых линий или линий напряжённости. Густота линий напряжённости обычно ставится в некоторое соответствие значению напряжённости электрического поля.

Произведение напряжённости электрического поля на площадь поверхности, через которую проходят линии напряжённости электрического поля, на косинус угла между нормалью к поверхности и вектором напряжённости – это поток напряжённости электрического поля.

(1)

Допустим, что есть заряд (q), который можем окружить некоторой поверхностью (S), и тогда, для того чтобы высчитать поток, который проходит через всю эту поверхность, мы можем разбить эту поверхность на элементарные бесконечно малые кусочки (∆S) и просуммировать поток по всей площадке. Тогда суммарный поток окажется пропорционален заряду, заключённому внутри этой поверхности. Сумма всех элементарных потоков равна отношению суммарного заряда, заключённого внутри поверхности, к электрической постоянной.

(2)

Уравнение 2 – первое уравнение Максвелла.

2. Магнитное поле прямого тока – это вихревое магнитное поле, в котором магнитные линии замкнуты на себе. Если возьмём поверхность, из которой выходят линии магнитного поля, то сколько линий вышло из неё, столько и вернётся обратно.

Суммарный поток магнитного поля через замкнутую поверхность будет равен нулю.

(3)

Уравнение 3 – второе уравнение Максвелла, которое означает, что магнитное поле вихревое.

3. Третье уравнение Максвелла (5) относится к явлению электромагнитной индукции. Известно, что ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока, взятого со знаком минус. Также утверждаем, что вокруг изменяющегося магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Это электрическое поле совершает работу по переносу заряда в контуре, если контур оказывается в области изменения магнитного поля. Суммарная ЭДС определяется суммой элементарных ЭДС на всех участках линий напряжённости вихревого электрического поля.

(4)

(5)

4. Прямой ток создаёт вокруг себя магнитное поле. Индукция магнитного поля определяется величиной тока. Однако идея Максвелла заключается в том, что электрический ток может быть не только током проводимости, но и током смещения. В общем случае закон Био-Савара-Лапласа запишем так (6). Суммарное значение индукции на длину линий поля будет равно произведению магнитной постоянной на сумму тока проводимости и тока смещения.

(6)

Так, индукция магнитного поля будет определяться двумя слагаемыми: током проводимости и током смещения.

(7)

Список литературы

1. Буховцев Б.Б., Мякишев Г.Я, Чаругин В.М. Физика 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. – 17-е изд., преобраз. и доп. – М.: Просвещение, 2008.

2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. – М.: Мнемозина.

3. Тихомирова С.А., Яровский Б.М., Физика 11. – М.: Мнемозина.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Классная физика (Источник).

2. Интегральная медицина (Источник).

Домашнее задание

1. Какое электрическое поле образуется при изменении магнитного поля?

2. Каким током объясняется свечение лампочки в цепи переменного тока с конденсатором?

3. Какое из уравнений Максвелла указывает зависимость магнитной индукции от тока проводимости и смещения?

Электромагнитное поле

Электромагни́тное по́ле — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Представляет собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут, при определённых условиях, порождать друг друга, а по сути являются одной сущностью, формализуемой через тензор электромагнитного поля.

Электромагнитное поле (и его изменение со временем) описывается в электродинамике в классическом приближении посредством системы уравнений Максвелла. При переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой электрическое и магнитное поле в новой системе отсчета — каждое зависит от обоих — электрического и магнитного — в старой, и это ещё одна из причин, заставляющая рассматривать электрическое и магнитное поле как проявления единого электромагнитного поля.

В современной формулировке электромагнитное поле представлено тензором электромагнитного поля, компонентами которого являются три компонента напряжённости электрического поля и три компонента напряжённости магнитного поля (или — магнитной индукции) [

1] , а также четырёхмерным электромагнитным потенциалом — в определённом отношении ещё более важным.

Действие электромагнитного поля на заряженные тела описывается в классическом приближении посредством силы Лоренца.

Квантовые свойства электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами (а также квантовые поправки к классическому приближению) — предмет квантовой электродинамики, хотя часть квантовых свойств электромагнитного поля более или менее удовлетворительно описывается упрощённой квантовой теорией, исторически возникшей заметно раньше.

Возмущение электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве, называется электромагнитной волной (электромагнитными волнами) [

2] . Любая электромагнитная волна распространяется в пустом пространстве (вакууме) с одинаковой скоростью — скоростью света (свет также является электромагнитной волной). В зависимости от длины волны электромагнитное излучение подразделяется на радиоизлучение, свет (в том числе инфракрасный и ультрафиолет), рентгеновское излучение и гамма-излучение.

Содержание

История открытия

До начала XIX в. электричество и магнетизм считались явлениями, не связанными друг с другом, и рассматривались в разных разделах физики.

В 1819 г. датский физик Г. Х. Эрстед обнаружил, что проводник, по которому течёт электрический ток, вызывает отклонение стрелки магнитного компаса, расположенного вблизи этого проводника, из чего следовало, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны.

Французский физик и математик А. Ампер в 1824 г. дал математическое описание взаимодействия проводника тока с магнитным полем (см. Закон Ампера).

В 1831 г. английский физик М. Фарадей экспериментально обнаружил и дал математическое описание явления электромагнитной индукции — возникновения электродвижущей силы в проводнике, находящемся под действием изменяющегося магнитного поля.

В 1864 г. Дж. Максвелл создаёт теорию электромагнитного поля, согласно которой электрическое и магнитное поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого — электромагнитного поля. Эта теория с единой точки зрения объясняла результаты всех предшествующих исследований в области электродинамики, и, кроме того, из неё вытекало, что любые изменения электромагнитного поля должны порождать электромагнитные волны, распространяющиеся в диэлектрической среде (в том числе, в пустоте) с конечной скоростью, зависящей от диэлектрической и магнитной проницаемости этой среды. Для вакуума теоретическое значение этой скорости было близко к экспериментальным измерениям скорости света, полученным на тот момент, что позволило Максвеллу высказать предположение (впоследствии подтвердившееся), что свет является одним из проявлений электромагнитных волн.

Теория Максвелла уже при своем возникновении разрешила ряд принципиальных проблем электромагнитной теории, предсказав новые эффекты и дав надежную и эффективную математическую основу описанию электромагнитных явлений. Однако при жизни Максвелла наиболее яркое предсказание его теории — предсказание существования электромагнитных волн — не получило прямых экспериментальных подтверждений.

В 1887 г. немецкий физик Г. Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические выводы Максвелла. Его экспериментальная установка состояла из находящихся на некотором расстоянии друг от друга передатчика и приёмника электромагнитных волн, и фактически представляла собой исторически первую систему радиосвязи, хотя сам Герц не видел никакого практического применения своего открытия, и рассматривал его исключительно как экспериментальное подтверждение теории Максвелла.

В XX в. развитие представлений об электромагнитном поле и электромагнитном излучении продолжилось в рамках квантовой теории поля, основы которой были заложены великим немецким физиком Максом Планком. Эта теория, в целом завершенная рядом физиков около середины XX века, оказалась одной из наиболее точных физических теорий, существующих на сегодняшний день.

Во второй половине XX века (квантовая) теория электромагнитного поля и его взаимодействия была включена в единую теорию электрослабого взаимодействия и ныне входит в так называемую стандартную модель в рамках концепции калибровочных полей (электромагнитное поле является с этой точки зрения простейшим из калибровочных полей — абелевым калибровочным полем).

Классификация

Электромагнитное поле с современной точки зрения есть безмассовое [

Среди известных (не гипотетических) фундаментальных полей электромагнитное поле — единственное, относящееся к указанному типу. Все другие поля такого же типа (которые можно рассматривать, по крайней мере, чисто теоретически) — (были бы) полностью эквивалентны электромагнитному полю, за исключением, быть может, констант.

Физические свойства

Физические свойства электромагнитного поля и электромагнитного взаимодействия – предмет изучения электродинамики, с классической точки зрения оно описывается классической электродинамикой, а с квантовой – квантовой электродинамикой. В принципе, первая является приближением второй, заметно более простым, но для многих задач – очень и очень хорошим.

В рамках квантовой электродинамики электромагнитное излучение можно рассматривать как поток фотонов. Частицей-переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон (частица, которую можно представить как элементарное квантовое возбуждение электромагнитного поля) — безмассовый векторный бозон. Фотон также называют квантом электромагнитного поля (подразумевая, что соседние по энергии стационарные состояния свободного электромагнитного поля с определенной частотой и волновым вектором различаются на один фотон).

Электромагнитное взаимодействие — это один из основных видов дальнодействующих фундаментальных взаимодействий, а электромагнитное поле — одно из фундаментальных полей.

Существует теория (входящая в Стандартную модель), объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействие в одно — электрослабое. Также существуют теории, объединяющие электромагнитное и гравитационное взаимодействие (например, теория Калуцы-Клейна). Однако последняя, при её теоретических достоинствах и красоте, не является общепринятой (в смысле её предпочтительности), так как экспериментально не обнаружено ее отличий от простого сочетания обычных теорий электромагнетизма и гравитации, как и теоретических преимуществ в степени, заставившей бы признать её особенную ценность. Это же (в лучшем случае) можно сказать пока и о других подобных теориях: даже лучшие из них по меньшей мере недостаточно разработаны, чтобы считаться вполне успешными.

Безопасность электромагнитных полей

В связи со всё большим распространением источников ЭМП в быту (СВЧ-печи, мобильные телефоны, теле-радиовещание) и на производстве (оборудование ТВЧ, радиосвязь), большое значение приобретают нормирование уровней ЭМП и изучение возможного влияния ЭМП на человека [1] . Нормирование уровней ЭМП проводится раздельно для рабочих мест и санитарно-селитебной зоны.

Контроль за уровнями ЭМП возложен на органы санитарного надзора и инспекцию электросвязи, а на предприятиях — на службу охраны труда.

Предельно-допустимые уровни ЭМП в разных радиочастотных диапазонах различны [2] .

Электромагнитное поле: становление теории

Фундаментальные исследования М. Фарадея и других ученых в области электромагнетизма, а также идеи Фарадея о связи между электрическими и магнитными полями и его модель электромагнитного поля были тем необходимым звеном в развитии науки, на основе которого была завершена теоретическая разработка классической электродинамики, создана теория электромагнитного поля и сформулирована электромагнитная теория света.

  • С чего всё началось
  • Доказательство теории Максвелла
  • Генрих Герц и экспериментальное подтверждение теории Максвелла
  • Телеграфия и радио

С чего всё началось

Продолжил фундаментальные исследования Фарадея английский физик Джеймс Максвелл (1831–1879). В 1861–1862 гг. был напечатан ряд статей Максвелла, где он предложил новую теорию, выдвинув на первый план роль среды, и поставил перед собой цель найти механическую модель, которая раскрывала бы поведение этой среды в магнитных взаимодействиях.

С помощью построенной им модели он приходит к своим знаменитым уравнениям. Система уравнений Максвелла обобщила идеи Фарадея и раскрыла взаимосвязь электрических и магнитных полей. Из уравнений Максвелла следует чрезвычайно важный вывод, предсказанный еще Фарадеем: переменное электромагнитное поле распространяется с конечной скоростью, которая равна скорости света в вакууме.

Итак, это свидетельствовало о существовании электромагнитных волн со всеми научными и техническими последствиями этого открытия.

В 1873 г. вышла в свет знаменитая работа Дж. Максвелла «Трактат по электричеству и магнетизму». Подытожив свои исследования в области электромагнитного поля, автор показал, что свет есть не что иное, как электромагнитные волны, отметил тесную связь между оптическими и электромагнитными свойствами среды, впервые ввел понятие тока смещения, который возникает в диэлектрике между обкладками конденсатора и образует магнитное поле.

Следует заметить, что основную идею об электромагнитной природе света Максвелл высказал еще в 1865 г. К заслугам Максвелла следует отнести и то, что он первый исследовал зависимость показателя преломления света от диэлектрической проницаемости среды, а также установил наличие вращения плоскости поляризации света в электромагнитном поле.

Теорию Максвелла, которая завершила разработку классической электродинамики, создала научные основы электромагнитного поля и открыла электромагнитную природу света, физики сначала встретили недоверчиво. Дело в том, что основные ссылки и выводы теории не были в достаточной степени подтверждены экспериментально. Последняя четверть XIX в. прошла по сути под лозунгом экспериментальной и теоретической проверки теории Максвелла.

Доказательство теории Максвелла

Одна из первых проблем, которая вытекала из теории Максвелла, утверждала, что если есть неразрывная связь между электрическими и магнитными явлениями, то должна быть такая же связь между электростатическими и электромагнитными системами единиц, то есть что электродинамическая постоянная (отношение электростатических и электромагнитных единиц) должна равняться скорости света в вакууме. Эта гипотеза требовала экспериментальной проверки.

Важные предыдущие исследовательские результаты по определению постоянной в уравнениях Максвелла принадлежат российскому ученому А. Г. Столетову (1839–1896), который разработал достаточно точный метод определения отношения этих единиц и впервые установил, что оно равно скорости света.

Это было едва ли не одно из первых доказательств справедливости теории Максвелла.

Большое значение для решения вопроса о движении и распространении энергии имели работы русского ученого Н.А. Умова (1846–1915), в которых он сделал важный шаг в направлении углубления теории поля, ввел понятие движения и потока энергии.

Исходя из закона сохранения энергии, он вывел уравнение движения энергии в среде и ввел вектор плотности потока энергии — вектор Умова.

Отдельный случай вектора Умова для электромагнитного поля был рассмотрен через десять лет английским физиком Джоном-Генри Пойнтингом (1852–1914), который в 1884 г. вывел выражение для плотности потока энергии, переносимой электромагнитным полем.

Фото: inaf.it

Итак, до 80-х годов XIX в., то есть до того времени, когда немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857–1894) начал работу над своими знаменитыми экспериментальными исследованиями для подтверждения электромагнитной теории поля, в физике не только было завершено создание классической электродинамики, сформулировано электромагнитную теорию поля и установлено электромагнитную природу света, но и выполнены экспериментальные исследования для подтверждения некоторых выводов и положений электромагнитной теории.

Генрих Герц и экспериментальное подтверждение теории Максвелла

И все же только опыты, выполненные Герцем в 1886–1889 гг., экспериментально подтвердили существование электромагнитных волн и утверждение о том, что скорость электромагнитных волн по величине равна скорости света, доказали полную тождественность свойств электромагнитных и световых волн и тем самым подвели исследовательскую основу к теории Максвелла.

Будучи сторонником взглядов М. Фарадея и Д. Максвелла, которые отвергали действие на расстоянии, Г. Герц с 1887 г., повторяя опыты своего учителя Г. Гельмгольца с индукционными катушками, на основе уравнений Максвелла разработал теорию открытого вибратора, что излучает электромагнитные волны. С помощью «вибратора» и «приемника» он показал, что колеблющийся разряд вызывает волны, которые являются совокупностью двух перпендикулярных колебаний — электрического и магнитного.

Герц выявил отражение, преломление, интерференцию и поляризацию этих волн и доказал, что все исследовательские факты полностью объясняются теорией Максвелла. Исследуя прохождение волн по проводам, Г. Герц разработал классический способ измерения скорости волн в прямолинейном проводнике.

В работе «Основные уравнения электродинамики тел, находящихся в состоянии покоя», опубликованной в 1890 г., Герц придал четкую симметричную форму уравнением Максвелла,
которая хорошо проявляет полную взаимность между электрическими и магнитными действиями.

Герц первый с успехом применил вектор Умова-Пойнтинга для вычисления потока энергии, излучаемой диполем в окружающее пространство, и показал, что количество энергии, которая передается вибратором, будет прямо пропорциональна квадрату длины диполя и обратно пропорциональна кубу длины волны, генерируемой диполем.

Это были отправные соображения в теории антенн и начала теоретических основ радиотехники. Исследования Герца открыли существование свободного электромагнитного поля, и первоочередной задачей физиков стала необходимость генерировать это поле, выявлять его и управлять им. Прежде всего нужно было создать новые типы генераторов, чтобы возбуждать волны все меньших и меньших длин. Сам Герц пользовался волнами длиной 66 см.

Итальянец Аугусто Ричи (1850–1920) в 1893 г. получил волны длиной 10,6 см, а выдающийся русский ученый П.М. Лебедев в 1894 г. продемонстрировал опыты по получению электромагнитных волн длиной 6 мм.

Телеграфия и радио

Итак, в начале 90-х годов XIX в. был доказан синтез электромагнетизма и оптики, полная тождественность электромагнитных и световых волн. Перед наукой возникает новая проблема — использования электромагнитных волн для нужд телеграфии. Решить фундаментальную задачу — об использовании электромагнитных волн для передачи сигналов на расстоянии — впервые удалось русскому ученому А.С. Попову (1859–1906) в 1895 г.

Заслуги Попова в изобретении радио официально были отмечены в 1900 г. присуждением ему почетного диплома и золотой медали на Всемирном электротехническом конгрессе в Париже. Следует заметить, что итальянский радиотехник Гульельмо Маркони предложил в конце 1896 г. Англии, куда он переехал, разработанные им приборы для осуществления беспроводного телеграфа и в 1897 г. получил на них патент.

К заслугам Г. Маркони следует отнести успехи в осуществлении практической радиотелеграфии, в частности в 1901 г. он совершил первую радиосвязь с Америкой через Атлантический океан. В 1896–1899 гг. вопросами разработки антенных устройств занимался блестящий сербский ученый и изобретатель в области электротехники и радиотехники Никола Тесла (1854–1943).

Так была завершена борьба за признание реальности существования электромагнитного поля.

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.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий