Электромагнитное поле
Электромагнитное поле относится к такому виду материи, которая возникает вокруг движущихся зарядов. Оно состоит из электрического, а также магнитного полей. Их существование взаимосвязано, так как существовать отдельно и независимо друг от друга они не могут, потому что, одно поле порождает другое.
А теперь попробуем подойти к теме электромагнитного поля более подробно. Из определения можно сделать вывод, что в случае изменения электрического поля появляются предпосылки к возникновению магнитного поля. А так как электрическое поле имеет свойство со временем изменяться и его нельзя назвать неизменным, то магнитное поле также является переменным.
При изменении одного поля, порождается другое. И независимо от того, каким будет последующее поле, источником будет служить предыдущее поле, то есть проводник с током, а не первоначальный его источник.
И даже в том случае, когда в проводнике будет отключен ток, все равно электромагнитное поле никуда не исчезнет, а будет продолжать существовать и распространятся в пространстве.
Свойства электромагнитных волн
Теория Максвелла. Вихревое электрическое поле
Джеймсом Клерком Максвеллом, известным британским физиком в 1857 году была написана работа, в которой он привел доказательства того, что такие поля, как электрическое и магнитное тесно связаны между собой.
По его теории следовало, что переменное магнитное поле имеет свойство создавать такое новое ЭП, которое отличается от предыдущего электрического поля, созданного при помощи источника тока, так как это новое электрическое поле является вихревым.
И здесь мы с вами видим, что вихревым электрическим полем является такое поле, у которого силовые линии являются замкнутыми. То есть, следует отметить, что у электрического поля линии такие же замкнутые, как и у магнитного поля.
Из этого следует вывод, что переменное магнитное поле способно создавать вихревое электрическое поле, а вихревое электрическое поле имеет способность заставить двигаться заряды. И в итоге мы получаем индукционный электрический ток. Из работы Максвелла следует, что такие поля, как электрическое и магнитное тесно существуют друг с другом.
То есть, для существования магнитного поля необходим движущийся электрический заряд. Ну а электрическое поле создается благодаря покоящемуся электрическому заряду. Вот такая прозрачная взаимосвязь существует между полями. Из этого мы можем сделать еще один вывод, что в разных системах отсчета можно наблюдать различные виды полей.
Если следовать теории Максвелла, то можно подвести итог, что переменные электрические и магнитные поля не способны существовать по отдельности, ведь при изменении магнитное поле порождает электрическое, а меняющееся электрическое поле порождает магнитное.
Природные источники электромагнитных полей
Для современного человека не является секретом тот факт, что электромагнитные поля хоть и остаются невидимыми нашему глазу, но окружают нас повсюду.
К природным источникам ЭМП относятся:
Во-первых, это постоянное электрическое и магнитное поло Земли.
Во-вторых, к таким источникам относятся радиоволны, преобразовывающие такие космические источники, как Солнце, звезды и т.д.
В-третьих, этими источниками выступают и такие атмосферные процессы, как разряды молний и т.д.
Антропогенные (искусственные) источники электромагнитных полей
Кроме природных источников появления ЭМП, они еще возникают и благодаря антропогенными источниками. К таким источникам можно отнести рентгеновские лучи, которые используют в медицинских учреждениях. Они используются и для передачи информации при помощи различных радиостанций, станций мобильной связи и также ТВ антенн. Да и электричество, которое есть в каждой розетке, также образовывает ЭМП, но правда, более низкой частоты.
Влияние ЭМП на здоровье человека
Современное общество в настоящее время не мыслит своей жизни, без таких благ цивилизации, как присутствие различной бытовой техники, компьютеров, мобильной связи. Они, конечно же, облегчают нашу жизнь, но создают вокруг нас электромагнитные поля. Естественно, мы с вами ЭМП не можем видеть, но они нас окружают повсюду. Они присутствуют в наших домах, на работе и даже в транспорте.
Можно смело сказать, что современный человек живет в сплошном электромагнитном поле, которое, к сожалению, оказывает огромное влияние на здоровье человека. При длительном влиянии электромагнитного поля на организм человека, появляются такие неприятные симптомы, как хроническая усталость, раздражительность, нарушение сна, внимания и памяти. Такое продолжительное воздействие ЭМП способно вызвать у человека головную боль, бесплодие, нарушения в работе нервной и сердечной систем, а так же появление онкологических заболеваний.
Подробности Категория: Электричество и магнетизм Опубликовано 05.06.2015 20:46 Просмотров: 11962Переменные электрическое и магнитное поля при определённых условиях могут порождать друг друга. Они образуют электромагнитное поле, которое вовсе не является их совокупностью. Это единое целое, в котором эти два поля не могут существовать друг без друга.
Из истории
Опыт датского учёного Ханса Кристиана Эрстеда, проведенный в 1821 г., показал, что электрический ток порождает магнитное поле . В свою очередь, изменяющееся магнитное поле способно порождать электрический ток . Это доказал английский физик Майкл Фарадей , открывший в 1831 г. явление электромагнитной индукции. Он же является автором термина «электромагнитное поле».
В те времена в физике была принята концепция дальнодействия Ньютона . Считалось, что все тела действуют друг на друга через пустоту с бесконечно большой скоростью (практически мгновенно) и на любом расстоянии. Предполагалось, что и электрические заряды взаимодействуют подобным образом. Фарадей же считал, что пустоты в природе не существует, а взаимодействие происходит с конечной скоростью через некую материальную среду. Этой средой для электрических зарядов является электромагнитное поле . И оно распространяется со скоростью, равной скорости света .
Теория Максвелла
Объединив результаты предыдущих исследований, английский физик Джеймс Клерк Максвелл в 1864 г. создал теорию электромагнитного поля . Согласно ей, изменяющееся магнитное поле порождает изменяющееся электрическое поле, а переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле. Конечно, вначале одно из полей создаётся источником зарядов или токов. Но в дальнейшем эти поля уже могут существовать независимо от таких источников, вызывая появление друг друга. То есть, электрическое и магнитное поля являются составляющими единого электромагнитного поля . И всякое изменение одного из них вызывает появление другого. Эта гипотеза составляет основу теории Максвелла. Электрическое поле, порождаемое магнитным полем, является вихревым. Его силовые линии замкнуты.
Эта теория феноменологическая. Это означает, что она создана на основе предположений и наблюдений, и не рассматривает причину, вызывающую возникновение электрических и магнитных полей.
Свойства электромагнитного поля
Электромагнитное поле - это совокупность электрического и магнитного полей, поэтому в каждой точке своего пространства оно описывается двумя основными величинами: напряжённостью электрического поля Е и индукцией магнитного поля В .
Так как электромагнитное поле представляет собой процесс превращения электрического поля в магнитное, а затем магнитного в электрическое, то его состояние постоянно меняется. Распространяясь в пространстве и времени, оно образует электромагнитные волны. В зависимости от частоты и длины эти волны разделяют на радиоволны, терагерцовое излучение, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское и гамма-излучение .
Векторы напряжённости и индукции электромагнитного поля взаимно перпендикулярны, а плоскость в которой они лежат, перпендикулярна направлению распространения волны.
В теории дальнодействия скорость распространения электромагнитных волн считалась бесконечной большой. Однако Максвелл доказал, что это не так. В веществе электромагнитные волны распространяются с конечной скоростью, которая зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости вещества. Поэтому Теорию Максвелла называют теорией близкодействия.
Экспериментально теорию Максвелла подтвердил в 1888 г. немецкий физик Генрих Рудольф Герц. Он доказал, что электромагнитные волны существуют. Более того, он измерил скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, которая оказалась равной скорости света.
В интегральной форме этот закон выглядит так:
Закон Гаусса для магнитного поля
Поток магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю .
Физический смысл этого закона в том, что в природе не существует магнитных зарядов. Полюса магнита разделить невозможно. Силовые линии магнитного поля замкнуты.
Закон индукции Фарадея
Изменение магнитной индукции вызывает появление вихревого электрического поля.
,
Теорема о циркуляции магнитного поля
В этой теореме описаны источники магнитного пόля , а также сами поля, создаваемые ими.
Электрический ток и изменение электрической индукции порождают вихревое магнитное поле .
,
,
Е – напряжённость электрического поля;
Н – напряжённость магнитного поля;
В – магнитная индукция. Это векторная величина, показывающая, с какой силой магнитное поле действует на заряд величиной q, движущийся со скоростью v;
D – электрическая индукция, или электрическое смещение. Представляет собой векторную величину, равную сумме вектора напряжённости и вектора поляризации. Поляризация вызывается смещением электрических зарядов под действием внешнего электрического поля относительно их положения, когда такое поле отсутствует.
Δ – оператор Набла. Действие этого оператора на конкретное поле называют ротором этого поля.
Δ х Е = rot E
ρ - плотность стороннего электрического заряда;
j - плотность тока - величина, показывающая силу тока, протекающего через единицу площади;
с – скорость света в вакууме.
Изучением электромагнитного поля занимается наука, называемая электродинамикой . Она рассматривает его взаимодействие с телами, имеющими электрический заряд. Такое взаимодействие называется электромагнитным . Классическая электродинамика описывает только непрерывные свойства электромагнитного поля с помощью уравнений Максвелла. Современная квантовая электродинамика считает, что электромагнитное поле обладает также и дискретными (прерывными) свойствами. И такое электромагнитное взаимодействие происходит с помощью неделимых частиц-квантов, не имеющих массы и заряда. Квант электромагнитного поля называют фотоном .
Электромагнитное поле вокруг нас
Электромагнитное поле образуется вокруг любого проводника с переменным током. Источниками электромагнитных полей являются линии электропередач, электродвигатели, трансформаторы, городской электрический транспорт, железнодорожный транспорт, электрическая и электронная бытовая техника – телевизоры, компьютеры, холодильники, утюги, пылесосы, радиотелефоны, мобильные телефоны, электробритвы - словом, всё, что связано с потреблением или передачей электроэнергии. Мощные источники электромагнитных полей – телевизионные передатчики, антенны станций сотовой телефонной связи, радиолокационные станции, СВЧ-печи и др. А так как таких устройств вокруг нас довольно много, то электромагнитные поля окружают нас повсюду. Эти поля воздействуют на окружающую среду и человека. Нельзя сказать, что это влияние всегда негативное. Электрические и магнитные поля существовали вокруг человека давно, но мощность их излучения ещё несколько десятилетий назад был в сотни раз ниже нынешнего.
До определённого уровня электромагнитное излучение может быть безопасным для человека. Так, в медицине с помощью электромагнитного излучения низкой интенсивности заживляют ткани, устраняют воспалительные процессы, оказывают обезболивающее действие. Аппараты УВЧ снимают спазмы гладкой мускулатуры кишечника и желудка, улучшают обменные процессы в клетках организма, снижая тонус капилляров, понижают артериальное давление.
Но сильные электромагнитные поля вызывают сбои в работе сердечно-сосудистой, имунной, эндокринной и нервной систем человека, могут вызывать бессонницу, головные боли, стрессы. Опасность в том, что их воздействие практически незаметно для человека, а нарушения возникают постепенно.
Каким образом защититься от окружающего нас электромагнитного излучения? Полностью это сделать невозможно, поэтому нужно постараться свести к минимуму его воздействие. Прежде всего нужно расположить бытовые приборы таким образом, чтобы они находились подальше от тех мест, где мы находимся чаще всего. Например, не нужно садиться слишком близко к телевизору. Ведь чем дальше расстояние от источника электромагнитного поля, тем слабее оно становится. Очень часто мы оставляем прибор, включенным в розетку. Но электромагнитное поле исчезает, лишь когда прибор отключается от электрической сети.
Влияют на здоровье человека и естественные электромагнитные поля – космическое излучение, магнитное поле Земли.
Электромагни́тное по́ле, особая форма материи. Посредством электромагнитного поля осуществляется взаимодействие между заряженными частицами.
Поведение электромагнитного поля изучает классическая электродинамика . Электромагнитное поле описывается Уравнениями Максвелла , которые связывают величины, характеризующие поле, с его источниками, то есть с зарядами и токами, распределенными в пространстве. Электромагнитное поле неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами; при ускоренном движении частиц электромагнитное поле «отрывается» от них и существует независимо в форме электромагнитных волн .
Из уравнений Максвелла следует, что переменное электрическое поле порождает магнитное, а переменное магнитное поле порождает электрическое, поэтому электромагнитное поле может существовать и в отсутствие зарядов. Порождение электромагнитного поля переменным магнитным полем и магнитного поля переменным электрическим приводит к тому, что электрические и магнитные поля не существуют обособленно, независимо друг от друга. Поэтому электромагнитное поле есть вид материи, определяющийся во всех точках двумя векторными величинами, которые характеризуют две его составляющие - «электрическое поле» и «магнитное поле», и оказывающий силовое воздействие на заряженные частицы, зависящее от их скорости и величины их заряда.
Электромагнитное поле в вакууме, то есть в свободном состоянии, не связанное с частицами вещества, существует в виде электромагнитных волн, и распространяется в пустоте при отсутствии весьма сильных гравитационных полей со скоростью, равной скорости света c = 2, 998 . 10 8 м/с. Такое поле характеризуется напряженностью электрического поля Е и индукцией магнитного поля В . Для описания электромагнитного поля в среде используют также величины электрической индукции D и напряженности магнитного поля Н . В веществе, а также при наличии весьма сильных гравитационных полей, то есть вблизи весьма больших масс вещества, скорость распространения электромагнитного поля меньше величины c .
Компоненты векторов, характеризующих электромагнитное поле, образуют, согласно теории относительности , единую физическую величину - тензор электромагнитного поля, компоненты которого преобразуются при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой в соответствии с преобразованиями Лоренца .
Электромагнитное поле обладает энергией и импульсом. Существование импульса электромагнитного поля впервые было обнаружено экспериментально в опытах П. Н. Лебедева по измерению давления света в 1899 г. Электромагнитное поле всегда обладает энергией. Плотность энергии электромагнитного поля = 1/2(ЕD+ВН) .
Электромагнитное поле распространяется в пространстве. Плотность потока энергии электромагнитного поля определяется вектором Пойтинга S = , единица измерения Вт/м 2 . Направление вектора Пойтинга перпендикулярно E и H и совпадает с направлением распространения электромагнитной энергии. Его величина равна энергии, переносимой через единичную площадку, перпендикулярную S за единицу времени. Плотность импульса поля в вакууме К = S/с 2 = /с 2 .
При больших частотах электромагнитного поля существенными становятся его квантовые свойства и электромагнитное поле можно рассматривать как поток квантов поля - фотонов . В этом случае электромагнитное поле описывается
Электромагнитное поле - это порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля.
Теория электромагнитного поля создана Джеймсом Максвеллом в 1865 г.
Он теоретически доказал, что:
любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле.
Если электрические заряды движутся с ускорением, то создаваемое ими электрическое поле периодически меняется и само создает в пространстве переменное магнитное поле и т.д.
Источниками электромагнитного поля могут быть:
- движущийся магнит;
- электрический заряд, движущийся с ускорением или колеблющийся (в отличие от заряда движущегося с постоянной скоростью, например, в случае постоянного тока в проводнике, здесь создается постоянное магнитное поле).
Электрическое поле существует всегда вокруг электрического заряда, в любой системе отсчета, магнитное – в той, относительно которой электрические заряды движутся.
Электромагнитное поле существует в системе отсчета, относительно которой электрические заряды движутся с ускорением.
ПОПРОБУЙ РЕШИ
Кусок янтаря потёрли о ткань, и он зарядился статическим электричеством. Какое поле можно обнаружить вокруг неподвижного янтаря? Вокруг движущегося?
Заряженное тело покоится относительно поверхности земли. Автомобиль равномерно и прямолинейно движется относительно поверхности земли. Можно ли обнаружить постоянное магнитное поле в системе отсчета, связанной с автомобилем?
Какое поле возникает вокруг электрона, если он: покоится; движется с постоянной скоростью; движется с ускорением?
В кинескопе создаётся поток равномерно движущихся электронов. Можно ли обнаружить магнитное поле в системе отсчёта, связанной с одним из движущихся электронов?
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
Электромагнитные волы - это электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды
Свойства электромагнитных волн:
-распространяются не только в веществе, но и в вакууме;
- распространяются в вакууме со скоростью света (С = 300 000 км/c);
- это поперечные волны;
- это бегущие волны (переносят энергию).
Источником электромагнитных волн являются ускоренно движущиеся электрические заряды.
Колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов.
ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
Все окружающее нас пространство пронизано электромагнитным излучением. Солнце, окружающие нас тела, антенны передатчиков испускают электромагнитные волны, которые в зависимости от их частоты колебаний носят разные названия.
Радиоволны-это электромагнитные волны (c длиной волны от более чем 10000м до 0,005м), служащие для передачи сигналов (информации) на расстояние без проводов.
В радиосвязи радиоволны создаются высокочастотными токами, текущими в антенне.
Радиоволны различной длины распространяются по-разному.
Электромагнитные излучения с длиной волны, меньшей чем 0,005м, но большей чем 770 нм, т. е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением (ИК).
Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источниками инфракрасного излучения служат печи, батареи водяного отопления, электрические лампы накаливания. С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте. Инфракрасное излучение применяется для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины.
К видимому свету относят излучения с длинной волны примерно от 770нм до 380нм, от красного до фиолетового света. Значения этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Свет является обязательным условием для развития зеленых растений и, следовательно, необходимым условием для существования жизни Земле.
Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиннной волны меньше, чем у фиолетового света, называют ультрафиолетовым излучением (УФ).. Ультрафиолетовые излучение способно убивать белезнетворных бактерий, поэтому его широко применяют а медицине. Ультрафиолетовое излучение в составе солнечного света вызывает биологические процессы, приводящие к потемнению кожи человека – загару. В качестве источников ультрафиолетового излучения в медицине используются оразрядные лампы. Трубки таких ламп изготовляют из кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей; поэтому эти лампы называют кварцевыми лампами.
Рентгеновские лучи (Ри) невидимы азом. Они проходят без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света. Обнаруживают рентгеновские лучи по их способности вызывать определенное свечение некоторых кристаллов и действовать на фотопленку. Способность рентгеновских лучей проникать через толстые слои веществ используется для диагностики заболеваний внутренних органов человека.
Электромагнитное поле это такой вид материи, которая возникает вокруг движущихся зарядов. Например, вокруг проводника с током. Электромагнитное поле состоит из двух составляющих это электрическое и магнитное поле. Независимо друг от друга они существовать не могут. Одно порождает другое. При изменении электрического поля тут же возникает магнитное. Скорость распространения электромагнитной волны V=C/EM где e и м соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемость среды, в которой распространяется волна. Электромагнитная волна в вакууме распространяется со скоростью света, то есть 300 000 км/с. Поскольку диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума считается равными 1. При изменении электрического поля возникает магнитное поле. Так как вызвавшее его электрическое поле не является неизменным (то есть изменяется во времени) то и магнитное поле также будет переменным. Изменяющееся магнитное поле в свою очередь порождает электрическое поле и так далее. Таким образом, для последующего поля (неважно будет оно электрическое или магнитное) источником будет служить предыдущее поле, а не первоначальный источник, то есть проводник с током. Таким образом, даже после отключения тока в проводнике электромагнитное поле будет продолжать существовать и распространятся в пространстве. Электромагнитная волна распространяется в пространстве во все стороны от своего источника. Можно себе представить включению лампочку, лучи света от нее распространяются во все стороны. Электромагнитная волна при распространении переносит энергию в пространстве. Чем сильнее ток в проводнике вызвавший поле, тем больше энергия переносимая волной. Также энергия зависит от частоты излучаемых волн, при увеличении ее в 2,3,4 раза энергия волны увеличится в 4,9,16 раз соответственно. То есть энергия распространения волны пропорциональна квадрату частоты. Наилучшие условия распространения волн создаются, когда длинна проводника, равна длине волны. Силовые линии магнитного и электрического полетим взаимно перпендикулярно. Магнитные силовые линии охватывают проводник с током и всегда замкнуты. Электрические силовые линии идут от одного заряда к другому. Электромагнитная волна это всегда поперечная волна. То есть силовые линии как магнитные, так и электрические лежат в перпендикулярной плоскости к направлению распространения. Напряжённость электромагнитного поля силовая характеристика поля. Также напряженность, векторная величина то есть у нее есть начало и направление. Напряжённость поля направлена по касательной к силовым линиям. Поскольку напряжённость электрического и магнитного поля перпендикулярны между собой, то есть правило, по которому можно определить направление распространения волны. При вращении винта по кратчайшему пути от вектора напряжённости электрического поля к вектору напряжённости магнитного поля поступательное движение винта укажет направление распространения волны.
Магнитное поле и его характеристики. При прохождении электрического тока по проводнику вокруг него образуетсямагнитное поле . Магнитное поле представляет собой один из видов материи. Оно обладает энергией, которая проявляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдельные движущиеся электрические заряды (электроны и ионы) и на их потоки, т. е. электрический ток. Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути в направлении, перпендикулярном полю (рис. 34).Магнитное поле образуется только вокруг движущихся электрических зарядов, и его действие распространяется тоже лишь на движущиеся заряды. Магнитное и электрические поля неразрывны и образуют совместно единое электромагнитное поле . Всякое изменение электрического поля приводит к появлению магнитного поля и, наоборот, всякое изменение магнитного поля сопровождается возникновением электрического поля. Электромагнитное поле распространяется со скоростью света, т. е. 300 000 км/с.
Графическое изображение магнитного поля. Графически магнитное поле изображают магнитными силовыми линиями, которые проводят так, чтобы направление силовой линии в каждой точке поля совпадало с направлением сил поля; магнитные силовые линии всегда являются непрерывными и замкнутыми. Направление магнитного поля в каждой точке может быть определено при помощи магнитной стрелки. Северный полюс стрелки всегда устанавливается в направлении действия сил поля. Конец постоянного магнита, из которого выходят силовые линии (рис. 35, а), принято считать северным полюсом, а противоположный конец, в который входят силовые линии,- южным полюсом (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны). Распределение силовых линий между полюсами плоского магнита можно обнаружить при помощи стальных опилок, насыпанных на лист бумаги, положенный на полюсы (рис. 35, б). Для магнитного поля в воздушном зазоре между двумя параллельно расположенными разноименными полюсами постоянного магнита характерно равномерное распределение силовых магнитных линий (рис. 36)