Конспект по физике для 9 класса «Электромагнитное поле». Что такое вихревое электрическое поле. Каков характер взаимосвязи электрического и магнитного полей. Кто создал теорию электромагнитного поля.
Конспекты по физике Учебник физики Тесты по физике
Электромагнитное поле.
На предыдущих уроках вы узнали, при каких условиях в замкнутом проводящем контуре возникает индукционный ток. Однако остался невыясненным очень важный вопрос: почему хаотически движущиеся между узлами кристаллической решётки свободные электроны пришли в направленное движение?
ИНДУКЦИОННОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
Вопрос действительно непростой, поскольку непонятно, какие силы заставляют электроны двигаться направленно. Само магнитное поле этого сделать не может, так как оно действует только на движущиеся электрические заряды. Наглядно это показали опыты Ампера, в которых магнитное поле оказывало действие на проводник с током.
Ещё одним фактором является то, что электромагнитная индукция выглядит совершенно одинаково в двух внешне различающихся опытах. Например, в одном опыте мы перемещаем магнит относительно неподвижной катушки, а в другом — перемещаем катушку относительно неподвижного магнита.
Принимая во внимание особенности магнитного поля, нужно также помнить о том, что на заряды действует ещё и электрическое поле. Однако это поле, называемое кулоновским, создаётся неподвижными зарядами, а индукционный ток возникает под действием переменного магнитного поля.
Поэтому можно предположить, что электроны в неподвижном проводнике приводятся в движение электрическим полем, которое само порождается изменяющимся со временем магнитным полем.
Это новое фундаментальное свойство магнитного поля впервые теоретически обосновал в 1865 г. английский учёный Дж. Максвелл: изменяющееся во времени магнитное поле порождает электрическое поле. Это поле по своей природе является индукционным.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Теперь явление электромагнитной индукции мы можем трактовать в новом свете. Главное в нём — это процесс порождения магнитным полем поля электрического.
Вместе с тем, теория Максвелла сразу же поставила ряд новых принципиальных вопросов. Например, отличается ли индукционное электрическое поле от обычного кулоновского поля, созданного неподвижными зарядами? Это поле порождается только в проводнике или во всём окружающем проводник пространстве? Какую роль при этом играет наличие самого проводящего контура?
«Теория, которую я предлагаю, может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с пространством, окружающим электрические и магнитные поля. Она может быть названа также динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой и производятся наблюдаемые электромагнитные явления.» (Дж. Максвелл)
Важно отметить, что ответы на эти и другие вопросы заложены в самой теории Максвелла. Индукционное электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, имеет совсем другую структуру, чем кулоновское поле. Оно не связано с какими-либо электрическими зарядами. Поэтому силовые линии этого поля не имеют ни начала, ни конца, и представляют собой некоторые замкнутые линии, похожие на линии магнитного поля. Подобные поля называют вихревыми. При этом неважно, есть ли проводящий контур или его нет. Наличие проводника лишь помогает обнаружить возникающее вихревое электрическое поле.
Теперь пришло время задать, пожалуй, самый важный вопрос: если переменное магнитное поле порождает электрическое поле, то возможен ли реально обратный процесс — порождение переменным электрическим полем поля магнитного? Теория Максвелла даёт утвердительный ответ: изменяющееся со временем электрическое поле порождает переменное магнитное поле. Эти тесно взаимосвязанные и порождающие друг друга поля образуют электромагнитное поле.
Сам Максвелл твёрдо верил в существование электромагнитного поля, хотя экспериментальное подтверждение этого факта было получено лишь спустя 22 года.
Электрические и магнитные поля есть проявления единого материального объекта — электромагнитного поля. Эти поля тесно взаимосвязаны, и изменение одного из них неизбежно ведёт к изменению другого.
Одним из многочисленных примеров использования электромагнитного поля является ускорение микрочастиц. Однако имеются примеры по ускорению макроскопических тел с помощью так называемых электромагнитных пушек. Так, например, ещё в 1845 г. такая пушка катушечного типа была использована для запуска металлического стержня длиной около 20 м.
Кристиан Беркеленд, профессор физики в университете г. Осло, за период с 1901 г. по 1903 г. получил три патента на свою электромагнитную пушку. В 1901 г. Беркеленд создал первую такую электромагнитную пушку катушечного типа и использовал её для разгона снаряда массой 500 г до скорости 50 м/с. С помощью второй большой пушки, созданной в 1903 г. и выставленной в настоящее время в норвежском техническом музее в г. Осло, он достигал разгона снаряда массой 10 кг до скорости примерно 100 м/с.
Электромагнитная пушка катушечного типа состоит из ствола с рядом неподвижных катушек ускорения. На эти катушки последовательно подаётся напряжение, что приводит к возникновению в них электрического тока, порождающего электромагнитного поле. Это поле, воздействуя на катушку снаряда, индуцирует в ней электрический ток. В результате воздействия магнитного поля на ток в катушке снаряда и возникает сила, ускоряющая снаряд.
Электромагнитные пушки сегодня считаются перспективным видом вооружений, где для разгона снаряда используют электромагнитное поле, а не тепловую энергию химических реакций, как это происходит в обычных огнестрельных пушках. Результаты новейших испытаний самой мощной в мире электромагнитной пушки, созданной в США, поражают воображение: это устройство без помощи порохового заряда придаёт снаряду скорость 9 тыс. км/ч, что в несколько раз превышает скорость звука.
Джеймс Клерк Максвелл (1831—1879) — английский физик, создатель классической электродинамики, один из основателей статистической физики.
Вы смотрели Конспект по физике для 9 класса «Электромагнитное поле».
Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).