Электромагнетизм кратко: 3. Электромагнетизм. Электричество и магнетизм. Физика. Курс лекций

Электромагнетизм. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

На концах проводника длиной l, движущегося со скоростью в магнитном поле с индукцией перпендикулярной скорости движения, возникает разность потенциалов

На концах проводника длиной l, движущегося со скоростью в магнитном поле с индукцией перпендикулярной скорости движения, возникает разность потенциалов

Электромагнитная индукция — физическое явление, заключающееся в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении потока магнитной индукции, через поверхность, ограниченную этим контуром

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея): ЭДС электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром

Правило Ленца: индукционный ток в контуре имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток

Самоиндукция — возникновение ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении силы тока ЭДС самоиндукции в катушке где L — индуктивность катушки

Трансформатор — устройство, применяемое для повышения или понижения переменного напряжения Коэффициент трансформации К — величина, равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора Повышающий трансформатор — трансформатор, увеличивающий напряжение (К < 1).

Понижающий трансформатор — трансформатор, уменьшающий напряжение (К > 1)

Мгновенное значение напряжения — напряжение в данный момент времени

Фаза колебаний — аргумент функции, описывающей гармонические колебания

Напряжение и сила тока в резисторе совпадают по фазе в любой момент времени.

Действующее значение силы переменного тока равно силе постоянного тока, выделяющего в проводнике такое же количество теплоты, что и переменный ток за один и тот же промежуток времени Если переменный ток изменяется по гармоническому закону, в качестве промежутка времени выбирается период изменения тока.

Действующее (эффективное) значение силы переменного тока в раз меньше его амплитуды

Активное сопротивление — сопротивление элемента электрической цепи, в котором электрическая энергия необратимо преобразуется во внутреннюю (тепловую) Изменяющееся со временем электрическое поле является источником магнитного поля.

Магнитоэлектрическая индукция — явление возникновения магнитного поля в переменном электрическом поле Колебания силы тока в цепи конденсатора опережают по фазе колебания напряжения на его обкладках на π/2. Реактивное сопротивление — элемент цепи, для которого средняя мощность переменного тока равна нулю

Емкостное сопротивление — реактивное сопротивление конденсатора. Колебания силы тока в конденсаторе опережают по фазе на π/2 колебания напряжения на его обкладках

Индуктивное сопротивление — реактивное сопротивление катушки. Колебания силы тока в катушке индуктивности отстают по фазе на π/2 от колебаний напряжения на ней. Формула Томсона:

Полное сопротивление колебательного контура переменному току зависит от частоты тока

Резонанс в колебательном контуре — физическое явление резкого возрастания амплитуды колебаний силы тока в контуре при совпадении частоты вынужденных колебаний с частотой собственных колебаний в контуре

Резонансная кривая — график зависимости амплитуды вынужденных колебаний силы тока от частоты приложенного к контуру напряжения.

В полупроводниках существует два механизма собственной проводимости: электронная и дырочная

Электронная проводимость — результат направленного перемещения в межатомном пространстве свободных электронов, покинувших валентную оболочку атома в результате нагревания полупроводника или под действием внешних полей.

Дырочная проводимость — результат направленного перемещения валентных электронов между электронными оболочками соседних атомов на вакантные места — дырки.

Примеси в полупроводнике — атомы посторонних химических элементов, содержащихся в основном полупроводнике. Различают донорные и акцепторные примеси. Атомы донорной примеси имеют валентность, большую валентности основного полупроводника Атомы акцепторной примеси имеют валентность, меньшую валентности основного полупроводника

Полупроводник n-типа — полупроводник с донорной примесью

Полупроводник p-типа — полупроводник с акцепторной примесью

p-n-Переход — контактный слой двух примесных полупроводников p-и n-типа

Запирающий слой — двойной слой разноименных электрических зарядов, создающий электрическое поле на p—n-переходе, препятствующее свободному разделению зарядов

Полупроводниковый диод — элемент электрической схемы, содержащий p—n-переход и два вывода для включения в электрическую цепь

Транзистор — полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя выводами для включения в электрическую цепь. Транзистор используется для усиления и генерации электрических сигналов.

Коэффициент усиления — отношение изменения выходного напряжения к изменению входного Излучение и прием электромагнитных волн радио- и СВЧ-диапазона

Источник:

Решебник по физике за 11 класс (Касьянов В.А., 2002 год),
задача №49
к главе «Электромагнетизм. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ».

Все задачи

← Ответы на вопросы «Электромагнетизм. § 46. Транзистор»

Ответы на вопросы «Излучение и прием электромагнитных волн радио- и СВЧ-диапазона. § 47. Электромагнитные волны» →

3.4. Электромагнетизм

Явление электромагнитной индукции. Самоиндукция. Взаимная индукция. Трансформатор. Переменный электрический ток. Понятие об электромагнитном поле. Электромагнитные волны. Электрические колебания. Шкала электромагнитных волн. Микроволновая терапия.

Литература: [1, с. 89–101]; [2, с. 353–379]

При рассмотрении вопроса о движении заряженных частиц в магнитном поле было установлено, что на них действует сила Лоренца. В каждом проводнике содержатся свободные электроны. Если этот проводник перемещать в магнитном поле, то каждый электрон, находящийся в проводнике, подвергнется воздействию силы Лоренца. Произойдет перемещение зарядов и на концах проводника возникнет некоторая разность потенциалов. Если такой проводник замкнуть по цепи пойдет электрический ток. Следовательно, в проводнике

индуцируется (от латинского слова inductio – наведение) электродвижущая сила (ЭДС индукции ε_i). Возникающий в проводнике ток называют индукционным, а само явление – явлением электромагнитной индукции.

Электрический ток возникает не только при поступательном движении контура (замкнутого проводника) в магнитном поле, но и в случаях, когда он вращается, происходит его деформация или неподвижный контур находится в переменном магнитном поле.

Явление электромагнитной индукции открыл в 1831 году английский физик Майкл Фарадей. Это фундаментальное открытие явилось опытным подтверждением неразрывной связи магнитных и электрических явлений и является основой всей электротехники.

Условием возбуждения индукционного тока в контуре является изменение потока магнитной индукции (Ф), пронизывающего площадь S этого контура. Фактически магнитный поток равен числу линий магнитной индукции пронизывающих поверхность, ограниченную контуром. Если магнитное поле однородно то

(3.4.1)

где B – магнитная индукция, α – угол между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к поверхности (рисунок 3.9). Единица измерения магнитного потока – вебер (Вб). Данная единица названа в честь немецкого физика Вильгельма Вебера. Под 1 Вб понимают магнитный поток через площадку в 1 м

2, перпендикулярную магнитному полю, магнитная индукция которого равна 1 Тл.

Рисунок 3. 9

Таким образом, величина ЭДС индукции ε_i определяется скоростью изменения магнитного потока

(3.4.2)

Данное выражение носит название закона электромагнитной индукции или закона Фарадея. Знак «-» в формуле (3.4.2) отражает направление индукционного тока. Общее правило для определения направления индукционного тока установил в 1833 г. русский физик Ленц: индуцированный ток имеет такое направление, что его собственное магнитное поле компенсирует изменение магнитного потока, вызывающее этот ток. Исходя из формулы (3.4.2) можно дать другое определение единице магнитного потока. Если магнитный поток через площадь ограниченную контуром, изменяется на 1 Вб за 1 с, то в контуре индуцируется ЭДС равная 1 В. Следовательно: 1 Вб = 1 В·с.

Закон Фарадея применим не только к отдельному контуру (витку), но и к катушке, которую можно представить как N витков

(3.4.3)

Рассмотрим частные случаи явления электромагнитной индукции: самоиндукцию и взаимную индукцию. Ток, текущий по контуру создает вокруг себя магнитное поле. Магнитный поток Ф, связанный с контуром, пропорционален силе тока I в контуре, т.е.

(3.4.4)

где L – коэффициент, получивший название – индуктивность. Он зависит от формы и размеров проводника. Предположим теперь, что за время dt ток в контуре меняется на величину dI. Тогда согласно формуле (3.4.4) магнитный поток, связанный с контуром, изменится на величину

(3.4.5)

в результате чего в этом контуре появится электродвижущая сила самоиндукции

(3.4.6)

Из формулы (3.4.6) вытекает единица измерения индуктивности – генри (Гн):

Единица названа в честь американского физика Джозефа Генри. Знак минус в формуле (3.4.6) показывает, что э. д. с. самоиндукции (следовательно, и ток самоиндукции) всегда препятствует изменению основного (внешнего) тока. Если основной ток увеличивается (), тоε_i <0 и ток самоиндукции направлен навстречу основ­ному току. Если же основной ток уменьшается (), тоε_i>0 и ток самоиндукции направлен одинаково с основным током.

Наглядным примером явления самоиндукции служат так называемые экстратоки замыкания и размыкания, возникающие при включении и выключении тока в контуре, обладающем значительной индуктивностью. При включении тока возникает экстраток замыкания, направленный противоположно включенному току и потому задерживающий нарастание этого тока; если в контуре имеется электрическая лампочка, то она разгорается не сразу, а с заметным запаздыванием (тем большим, чем больше индуктивность контура).

В момент выключения тока возникает экстраток размыкания, направленный одинаково с выключаемым током и потому усиливающий этот ток (задерживающий его спадание). Вследствие этого на размыкаемом участке цепи (ключе, рубильнике и т. п.) образуется искра.

Взаимной индукцией называется возбуждение тока в контуре при изменении тока в соседнем контуре. Данное явление лежит в основе работы трансформатора, устройства применяемого для изменения силы тока и напряжения. Две обмотки трансформатора – первичная и вторичная надеты на общий замкнутый железный сердечник. Первичная обмотка имеет n₁ витков, а вторичная обмотка n₂ витков. Изменение магнитного потока в сердечнике, вызванное например подключением к первичной обмотке внешней ЭДС ε₁, вызовет во второй обмотке появление ε₂. Отношение этих ЭДС:

(3.4.7)

где к – коэффициент трансформации.

Таким образом, задавая число витков в обмотке трансформатора можно понижать или повышать электродвижущую силу и соответственно понижать или повышать ток. При к > 1 трансформатор является повышающим, а при к < 1 понижающим

Возбуждение электродвижущей силы индукции в контуре, вращаемом в магнитном поле, используется для получения переменного электрического тока.

Пусть прямоугольный контур площади S равномерно вращается в постоянном однородном магнитном поле, магнитная индукция которого

равна В, с угловой скоростью ω (рисунок 3.10).

Рисунок 3.10

Магнитный поток, пронизывающий контур в любой момент времени t будет равен

(3.4.9)

где α = ωt – угол между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к плоскости контура. Изменение магнитного потока вызовет в контуре периодически изменяющуюся ЭДС индукции, которая согласно закону Фарадея равна

(3.4.10)

где BSω=ε_m максимальное значение этой ЭДС (наступающее при sinωt=1).

Таким образом

(3.4.11)

Данная переменная ЭДС, изменяющаяся по закону синуса, порождает в контуре переменный синусоидальный ток силой

(3. 4.12)

где R – сопротивление контура и электрической цепи, куда отводится ток.

Переменный ток является колебательным процессом. Поэтому его описывают при помощи характеристик колебательного процесса. А именно: ε_m – амплитуда ЭДС, I_m – амплитуда тока (максимальное значение силы тока), ω – круговая частота, α = ωt – фаза, Т – период, ν – частота.

Рассмотренный способ получения переменного тока лежит в основе устройства генератора переменного тока. В генераторе переменного тока контур состоит из N последовательно соединенных витков проволоки, намотанной на ферромагнитный сердечник (ротор). Ротор приводится во вращение внешней силой в мощном магнитном поле создаваемом электромагнитом. Промышленные генераторы переменного тока создают напряжение в десятки тысяч вольт. Если через обмотку ротора генератора пропускать ток, то под действием силы Лоренца ротор придет во вращение, то есть получится электродвигатель.

Когда проводник движется в постоянном магнитном поле, индукционный ток вызывается силой Лоренца. Какая же сила возбуждает индукционный ток в неподвижном проводнике, находящемся в переменном магнитном поле? Ответ на этот вопрос был дан выдающимся английским физиком Максвеллом. Согласно Максвеллу, всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле. Последнее и является причиной возникновения индукционного тока в контуре.

Между максвелловым и фарадеевым пониманием явления электромагнитной индукции имеется существенное различие. Согласно Фарадею, электромагнитная индукция состоит в возбуждении электрического тока. А Максвелл видит сущность электромагнитной индукции, прежде всего в возбуждении электрического поля, а не тока. Появление индукционного тока в замкнутом проводнике есть лишь одно из проявлений электрического поля. Электромагнитная индукция может наблюдаться и тогда, когда в пространстве вообще нет никаких проводников. Возникающее электрическое поле может производить и другие действия: поляризовать диэлектрик, вызывать пробой конденсатора, изменять скорость заряженных частиц и т.д.

На основе исследований Фарадея по электромагнитной индукции Максвеллом в 60-х годах 19 века была разработана теория единого электромагнитного поля. Согласно этой теории переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, а переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле. Эти вторичные поля имеют вихревой характер. Образуется система «переплетенных» между собой электрических и магнитных полей – электромагнитное поле. Постоянные электрические и магнитные поля являются лишь частными случаями единого электромагнитного поля. Источниками электромагнитного поля служат всевозможные переменные токи: переменный ток в проводниках, колебательное движение заряженных частиц, движение электронов в атомах и т.д. Максвелл сформулировал систему уравнений, в которой в сжатой и точной форме содержатся все количественные законы электромагнитного поля. То есть Максвелл облек основные идеи Фарадея в математическую форму. Система уравнений Максвелла является наиболее крупным достижением физики 19 века.

Из уравнений Максвелла следует существование электромагнитных волн. Каждая точка электромагнитного поля характеризуется определенным значением напряженностей (Е) электрического поля и магнитного поля (Н). Напряженности Е и Н связаны между собой и изменяются синхронно. Изменение Н в некоторой точке будет вызывать появление Е не только в этой точке, но и в соседних и наоборот, и эти изменения будут передаваться от одной точки к другой. Таким образом, в пространстве с определенной скоростью будет распространяться электромагнитное поле. Из теории Максвелла следует, что эта скорость равна

(3.4.13)

следовательно, скорость распространения электромагнитного поля совпадает со скоростью распространения света (в вакууме 3·10⁸ м/с), которая была определена экспериментально. Данный результат не является случайным и указывает на связь между оптическими и электромагнитными явлениями.

Распространяющееся в пространстве электромагнитное поле, в котором напряженности электрического и магнитного полей изменяются по периодическому закону, называется электромагнитной волной. Электромагнитную волну графически представляют в виде двух синусоид, лежащих во взаимно перпендикулярных плоскостях. Одна синусоида отображает колебания вектора напряженности электрического поля, а другая вектора напряженности магнитного поля. Вектор скорости электромагнитной волны перпендикулярен векторам и. Электромагнитные волны также как и механические характеризуются длиной волны λ, частотой ν и периодом Т

Расчеты показывают, что интенсивность электромагнитной волны (электромагнитная энергия, переносимая за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной электромагнитному лучу) пропорциональна квадрату частоты волны. Поэтому для создания электромагнитных волн, способных переносить энергию на значительное расстояние, необходим переменный ток с частотой порядка миллиона герц. Переменные токи такой высокой частоты называют электрическими колебаниями.

Обычные генераторы переменного тока не могут создать ток такой частоты. В качестве источника электромагнитных волн высокой частоты используется так называемый колебательный контур. Простейший колебательный контур состоит из конденсатора и катушки самоиндукции (рисунок 3.11).

Рисунок 3.11

Для возбуждения в контуре электрических колебаний конденсатор предварительно заряжают. Пусть верхняя пластина конденсатора заряжена положительно, а нижняя отрицательно. В начальный момент времени вся энергия контура будет сосредоточена в конденсаторе. Конденсатор начнет разряжаться, через катушку потечет электрический ток. Электрическая энергия конденсатора начнет превращаться в магнитную энергию катушки.

Когда конденсатор разрядится, ток в контуре и энергия катушки достигнут максимального значения. С этого момента ток в контуре, не меняя направления, будет уменьшаться, перезаряжая при этом конденсатор (нижняя пластина заряжается положительно, а верхняя отрицательно). Через некоторый промежуток времени конденсатор полностью перезарядится и энергия контура вновь окажется в электрическом поле конденсатора. В контуре появится ток, и процесс пойдет в обратном направлении.

Таким образом, в контуре возникает переменный электрический ток (электрические колебания). Период возникающих электрических колебаний определяется формулой Томсона (получена американским физиком Томсоном)

(3.4.14)

Подбирая соответствующие значения индуктивности и емкости можно получать переменный ток очень высокой частоты, который создает интенсивное электромагнитное излучение.

В 1887 – 1891 гг. немецкий физик Герц, используя колебательный контур усовершенствованной конструкции (вибратор Герца), установил идентичность природы электромагнитного излучения и света. Он установил, что скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света, чем экспериментально подтвердил теорию Максвелла.

Дальнейшие исследования показали, что электромагнитную природу имеет не только видимый свет, но и инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, рентгеновские и гамма – лучи, то есть существует целый спектр электромагнитных волн. Они распространяются в пространстве с одной и той же скоростью и отличаются друг от друга только длиной волны (частотой). Так в вакууме

(3.4.15)

Названия для излучений, лежащих в различных областях спектра, сложились исторически.

Так радиоволны и ультракороткие волны имеют длину волны от нескольких километров до нескольких сантиметров. Генерируют их при помощи колебательных контуров различных конструкций. Инфракрасное излучение, видимый свет и ультрафиолетовые лучи испускают тела, нагретые до различных температур. Рентгеновские лучи генерируются

при резком торможении электронов. Гамма – лучи испускаются при радиоактивном распаде атомов.

Широкое распространение в технике (микроволновые печи, сотовые телефоны, устройства Bluetooth, WiFi и т. д.) получили так называемые микроволны или сверхвысокочастотное излучение (СВЧ-излучение). Они представляют собой электромагнитное излучение, включающее в себя сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн (от 30 см – частота 1 ГГц до 1 мм – 300 ГГц).

В медицине получила распространение микроволновая терапия – использование энергии электромагнитного поля СВЧ небольшой мощности для лечения воспалительных, травматических и дистрофических заболеваний суставов, некоторых болезней нервной системы, органов малого таза и внутренних органов.

ОПТИКА

Электромагнетизм | Определение, уравнения и факты

электрическое поле

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Майкл Фарадей Уильям Томсон, барон Кельвин Джеймс Клерк Максвелл Карл Фридрих Гаусс Дж.Дж. Томсон

Похожие темы:

электромагнитное излучение электричество Кулоновская сила магнитная сила электромагнитное поле

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

электромагнетизм , наука о заряде и силах и полях, связанных с зарядом. Электричество и магнетизм — два аспекта электромагнетизма.

Электричество и магнетизм долгое время считались отдельными силами. Лишь в 19 веке к ним, наконец, стали относиться как к взаимосвязанным явлениям. В 1905 Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна вне всяких сомнений установила, что оба явления являются аспектами одного общего явления. Однако на практическом уровне электрические и магнитные силы ведут себя совершенно по-разному и описываются разными уравнениями. Электрические силы создаются электрическими зарядами либо в состоянии покоя, либо в движении. Магнитные силы, с другой стороны, создаются только движущимися зарядами и действуют исключительно на движущиеся заряды.

Понять, как концепция осязания меняется при наличии электронов между двумя объектами

Посмотреть все видео к этой статье

Электрические явления происходят даже в нейтральной материи, потому что силы действуют на отдельные заряженные составляющие. В частности, электрическая сила отвечает за большинство физических и химических свойств атомов и молекул. Она невероятно сильна по сравнению с гравитацией. Например, отсутствие хотя бы одного электрона из каждого миллиарда молекул у двух 70-килограммовых (154 фунтов) людей, стоящих на расстоянии двух метров (двух ярдов) друг от друга, отталкивало бы их с силой в 30 000 тонн. В более привычном масштабе электрические явления ответственны за молнии и гром, сопровождающие некоторые бури.

Электрические и магнитные силы можно обнаружить в областях, называемых электрическими и магнитными полями. Эти поля фундаментальны по своей природе и могут существовать в пространстве вдали от заряда или тока, которые их породили. Примечательно, что электрические поля могут создавать магнитные поля и наоборот независимо от внешнего заряда. Изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, как обнаружил английский физик Майкл Фарадей в работе, которая лежит в основе производства электроэнергии. И наоборот, изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, как пришел к выводу шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. Математические уравнения, сформулированные Максвеллом, включили световые и волновые явления в электромагнетизм. Он показал, что электрические и магнитные поля путешествуют вместе в пространстве как волны электромагнитного излучения, при этом изменяющиеся поля взаимно поддерживают друг друга. Примерами электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве независимо от материи, являются радио- и телевизионные волны, микроволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Все эти волны распространяются с одинаковой скоростью, а именно со скоростью света (примерно 300 000 километров или 186 000 миль в секунду). Они отличаются друг от друга только частотой, с которой колеблются их электрическое и магнитное поля.

Викторина «Британника»

Викторина «Все о физике»

Уравнения Максвелла до сих пор дают полное и элегантное описание электромагнетизма вплоть до субатомного масштаба, но не включая его. Однако интерпретация его работ была расширена в 20 веке. Специальная теория относительности Эйнштейна объединила электрические и магнитные поля в одно общее поле и ограничила скорость всего вещества скоростью электромагнитного излучения. В конце 19В 60-х годах физики обнаружили, что другие силы в природе имеют поля с математической структурой, аналогичной электромагнитному полю. Этими другими силами являются сильное взаимодействие, ответственное за выделение энергии при ядерном синтезе, и слабое взаимодействие, наблюдаемое при радиоактивном распаде нестабильных атомных ядер. В частности, слабое и электромагнитное взаимодействия были объединены в общую силу, называемую электрослабой силой. Цель многих физиков объединить все фундаментальные силы, включая гравитацию, в одну великую единую теорию до сих пор не достигнута.

Важным аспектом электромагнетизма является наука об электричестве, которая занимается изучением поведения агрегатов заряда, включая распределение заряда в материи и перемещение заряда с места на место. Различные типы материалов классифицируются как проводники или изоляторы в зависимости от того, могут ли заряды свободно перемещаться через составляющие их вещества. Электрический ток является мерой потока зарядов; законы, управляющие токами в материи, важны в технике, особенно в производстве, распределении и контроле энергии.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Понятие напряжения, так же как заряда и тока, является фундаментальным для науки об электричестве. Напряжение — это мера склонности заряда перетекать из одного места в другое; положительные заряды обычно имеют тенденцию перемещаться из области высокого напряжения в область более низкого напряжения. Распространенной проблемой в электричестве является определение соотношения между напряжением и током или зарядом в данной физической ситуации.

В этой статье делается попытка дать качественное понимание электромагнетизма, а также количественную оценку величин, связанных с электромагнитными явлениями.

Повседневная жизнь современного человека пронизана электромагнитными явлениями. Когда лампочка включена, через тонкую нить в колбе течет ток, который нагревает нить до такой высокой температуры, что она светится, освещая все вокруг. Электрические часы и соединения связывают простые устройства такого типа в сложные системы, такие как светофоры, которые отсчитывают время и синхронизируются со скоростью транспортного потока. Радиоприемники и телевизоры получают информацию, переносимую электромагнитными волнами, распространяющимися в пространстве со скоростью света. Чтобы запустить автомобиль, токи в электростартере генерируют магнитные поля, которые вращают вал двигателя и приводят в движение поршни двигателя, сжимая взрывоопасную смесь бензина и воздуха; искра, инициирующая горение, представляет собой электрический разряд, образующий мгновенный ток.

Краткое введение в электромагнетизм

Juan Maldacena Поделиться этой страницей

Представлено Marianne 16 июля 2016 г.

Мы начнем наше обсуждение с рассмотрения силы электромагнетизма. Теория, описывающая эту силу, утверждает, что существуют электрические и магнитные поля. Такие поля создаются электрически заряженными объектами, и мы можем думать о них как о маленьких стрелках. в каждой точке пространства (или, если быть точным, в пространство-время ).

Это На изображении показаны силовые линии магнитного поля идеального цилиндрического магнита, которые вызваны электронами внутри магнита. Математически магнитное поле представлено маленькой стрелкой в ​​каждой точке, которая указывает силу и направление магнитного поля. сила. Изображение: Geek3, CC BY-SA 3.0.

Это изображение иллюстрирует электрическое поле, окружающее положительный (красный) и отрицательный (синий) заряд. Математически электрическое поле представлено маленькой стрелкой в ​​каждой точке, которая указывает силу и направление электрического поля. сила. Изображение: Geek3, CC BY-SA 3. 0.

Мы ощущаем присутствие этих полей по их действию на входящие в них заряженные частицы. Электрические поля действуют на заряженные частицы, толкая их вдоль направления электрического поля. Магнитные поля действуют только на движущиеся заряды. В присутствии магнитного поля движущийся заряд чувствует силу, действующую перпендикулярно направлению его скорости. Итак, если бы вы были заряженной частицей двигаясь вперед в вертикальном магнитном поле, вы почувствуете силу, толкающую вас в вашу сторону. Если бы не было других сил, то в итоге вы двигались бы по круговой траектории. См. рисунок ниже. Таким образом, заряженные частицы движутся по кругу. вокруг магнитных полей.

(а) Электрическое поле действует на заряженную частицу с силой вдоль направления поле. б) Магнитное поле действует на движущуюся заряженную частицу перпендикулярно как к магнитному полю, так и к направлению движения. в) Заряженная частица оказывается движется по кругу вокруг магнитного поля.

Эти электрические и магнитные поля имеют свою собственную динамику. У нас могут быть электромагнитные волны, которые представляют собой взаимосвязанные колебания электрического и магнитного полей. Эти может распространяться через пустое пространство. Это радиоволны, свет, рентгеновские лучи, гамма-лучи и т. д.

Все это может быть знакомо ты. Но не паникуйте, если это не так! Вам не нужно знать подробные уравнения, чтобы понять, что следует. Все, что вам нужно знать, это то, что существуют электрические и магнитные поля, которые могут существовать в противном случае. пустое место. Эти поля действуют на заряженные частицы и влияют на их движение. Электрические поля толкают их вдоль направления электрического поля. Заряженные частицы движутся круги вокруг магнитных полей.

Электромагнетизм можно рассматривать как 9Калибровочная теория 0059 , основанная на калибровочной симметрии . Взгляд калибровочной теории на электромагнетизм особенно полезен для его обобщения на другие силы.