Элементы теории электромагнитного поля
Подобный материал:
- Единая теория электродинамики и гравитации Абрамов А. П., 2006, 103.9kb.
- 1. Основные законы электрического поля, 316.07kb.
- 1. Основные понятия и законы электромагнитного поля и теории электрических и магнитных, 87.26kb.
- Электромагнитная, 132.63kb.
- «Становление электромагнитного поля над наклонными геоэлектрическими границами и поляризующимися, 358.12kb.
- Электротехника Цели и задачи дисциплины, 13.18kb.
- Книга Дж. Дж. Томсона "Электричество и материя", появившаяся в 1903 году, сохраняет, 527.71kb.
- Программа вступительного экзамена в магистратуру элементы теории погрешностей, 51.03kb.
- Лекция 4 понятие о зонной теории кристаллов, 186.12kb.
- Задачи: Исследовать литературу содержащую, необходимую информацию для проекта. Исследовать, 165.52kb.
Элементы теории электромагнитного поляЭлектрическое поле – это особый вид материи,посредством которой осуществляется взаимодействие электрических зарядов.Силовой характеристикой электрического поля является напряженность Е, которая численно равна силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля:
E=

(Н Кл
–1 = В м
–1)
Напряженность – вектор, направленный от (+) к (-). Принцип суперпозиции позволяет находить напряженность поля, создаваемого несколькими зарядами, как векторную сумму напряженностей, создаваемых отдельными зарядами:
E=
Энергетической характеристикой электрического поля является потенциал. Потенциал электрического поля в данной точке – это работа по переносу единичного, положительного, точечного заряда из точки, потенциал которой принят равным нулю ( обычно этой точкой является бесконечность), в данную точку поля:

(Дж Кл
–1 = В)
Разностью потенциалов (напряжением ) между точками поля называют работу, производимую силами поля по перемещению единичного,положительного, точечного заряда из одной точки поля в другую:
U=

=

. Здесь E
l –проекция вектора напряженности поля Е на перемещение dl .Отсюда видно,что работа по замкнутому пути в электростатическом поле
А =

=0, а работа перемещения заряда между двумя точками не зависит от формы пути. Такое поле называется потенциальным. Т.к. работа переходит в какой-либо вид энергии, то можно дать определение потенциала как величины энергии единичного, положительного заряда, помещеного в данную точку поля:

.
Работа dA = F dx, если разделить на q, то

=

, dφ = E dx E =

, т.е. напряженность поля равна градиенту потенциала.
В однородном электрическом поле E=

, где d- расстояние между точками с разностью потенциалов U.
В диэлектрике напряженность электрического поля меньше, чем в вакууме.Относительной диэлектрической проницаемостью среды
ε называется величина, показывающая во сколько раз ослабляется поле в диэлектрике: ε =

, где Е
0-напряженность поля в вакууме, а Е-напряженность поля в среде.
Та область пространства, где имеется электрическое поле, содержит энергию. Объемная плотность энергии электрического поля равна:
w
e = 
=

(Дж м
-3), где

= 8,85 10
-12 ( Ф м
-1) – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, Е- напряженность поля в среде.
Емкость.
Если на проводник поместить заряд, возникнет поле с потенциалом φ и отношение

зависит лишь от геометрии проводника и называется емкостью проводника.

. Другими словами, емкостью проводника называется способность проводника накапливать заряды. Два проводника, разделенных диэлетриком, образуют конденсатор, который также характеризуется емкостью.

, где Δφ = U – разность потенциалов или напряжение на коденсаторе. Емкость плоского конденсатора

, где S – площадь пластин конденсатора и d – расстояние между пластинами. Емкость шарового конденсатора С=

R, где R-радиус шара.
Если конденсаторы соединяются друг с другом последовательно , то

, а общее напряжение

.
Общая емкость соединения

=

+
Если конденсаторы соединяются параллельно

, общий заряд q = q
1 +q
2. Общая емкость соединения С = С
1+ С
2.
Энергия электрического поля конденсатора W
конд.=
. Если в проводящей среде приложить разность потенциалов (напряжение), в среде пойдет ток проводимости. Ток проводимости – это направленное движение электрических зарядов под действием электрического поля. Численно он равен заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени:

(Кл с
-1=А). Ток проводимости подчиняется закону Ома I=

, R – характеристика проводника: R =

[

], R = ρ

,

- длина проводника, S – площадь его поперечного сечения, ρ- удельное сопротивление. ρ =

зависит от вещества и температуры. При последовательном соединении проводников: I
1 = I
2 U = U
1 +U
2, общее R = R
1+R
2.
При параллельном соединении проводников: I = I
1+I
2, U
1 = U
2 Общее
Плотность тока проводимости j
пр =

, S – площадь поперечного сечения проводника. j
пр =
λЕ,

Е – напряженность, λ – удельная электропроводность (уд. Проводимость) проводника.
λ =
Магнитное поле – особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие движущихся электрических зарядов (токов).
1) Действие магнитного поля на рамку с током (замкнутый ток).
Такой ток имеет характеристику «магнитный момент Р
m». Он равен произведению тока в рамке I на ее площадь S.

=

. Магнитный момент – вектор, направление которого определяется по правилу винта. Если рамку с током поместить в магнитное поле, то на нее будет действовать момент пары сил, который поворачивает рамку так, чтобы вектор Р
m совпал с силовой характеристикой магнитного поля. Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции
М
max – максимальный момент сил, действующий на рамку с током, равный произведению силы на плечо.
2), Действие магнитного поля на прямолинейный токI, длиной l. Сила ампера.
Сила ампера

l, отсюда другое определение вектора магнитной индукции В =
3). Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца.

q – заряд V – скорость заряда, B – вектор магнитной индукции. Сила Ампера, ток и вектор магнитной индукции, а следовательно и сила Лоренца, скорость и вектор магнитной индукции – три взаимноперпендикулярных вектора, поэтому работа по перемещению в магнитном поле по замкнутому пути не равна нулю. Такое поле называется вихревым.
В веществе (магнетике) магнитная индукция изменяет свое значение: В = μ В
0, где μ – относительная магнитная проницаемость,В
0 – магнитна индукция поля в вакууме. Величина
Н =

называется напряженностью магнитного поля. Здесь μ
0 = 4π10
-7 (Гн м
-1) – абсолютная магнитная проницаемость в вакууме. Напряженность поля соленоида: Н = I n, где I – ток в солениде, n – количество витков, отнесенных к единице длины
n =

. Объемная плотность энергии магнитного поля в среде:
w
m =

[Дж м
-3]
Явление электромагнитной индукции.
Было доказано Фарадеем , что переменное во времени магнитное поле порождает электрическое поле , но не стационарное , а вихревое, т.е. переменное по координате. Работа по перемещению заряда в таком полепо замкнутому контуру А=

dx не равна нулю. Величина такой работы, в расчете на единичный положительный заряд, называется электродвижущей силой (ЭДС)
Е
=
Поток магнитной индукции Ф
В=

, где В
n- нормальная составляющая вектора В на поверхности S. Для однородного поля поток магнитной индукции Ф
В=B S cos α [Тл м
2=Вебер=Вб], где
α- угол между В и нормалью к плоскости S.
Закон электромагнитной индукции Фарадея.

(ЭДС) Е= -

При изменении магнитного поля по времени возникает вихревое электрическое поле , ЭДС которого равна скорости изменения потока вектора магнитной индукции. Знак минус выражает правило Ленца , инерционность любой формы материи: вещества и поля. Частным случаем явления электромагнитной индукции является явление самоиндукции: если имеется переменный по времени электрический ток, он создает вихревое электрическое поле , т.е. ЭДС , которая называется ЭДС самоиндукции: Е
си = -L

. ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока

. L- индуктивность , характеристика проводника , зависящая от его геометрии и среды :
L =

=[

=Ом С]
Энергия магнитного поля в индуктивности : W
m=

.
Количественной мерой явления порождения вихревого магнитного поля переменным по времени электрическим полем является ток смещения, введенный Д. Максвеллом: I
см =

, где Ф
Д – поток вектора электрической индукции D=ε
0 ε Е, Ф
Д =

. Плотность тока смещения : ј
см =

= ε
0 ε

.
Интегральные основные уравнения Максвелла.
1).

- это закон электромагнитной индукции, запись того положения ,что переменное по времени магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Или : существует вихревое электрическое поле , источником которого является переменное по времени магнитное поле.
2).
полный I
полный = I
пр + I
см , где I
пр - ток проводимости – движение зарядов, I
см – ток смещения – переменное по времени электрическое поле. Следовательно , источниками магнитного поля являются движущиеся заряды и переменное по времени электрическое поле.
3).

Поток вектора электрической индукции D через замкнутую поверхность S равен алгебраической сумме свободных электрических зарядов, охватываемых этой поверхностью (теорема Гаусса- Остроградского). Следовательно, источником потенциального электрического поля являются свободные заряды.
4).

Поток вектора магнитной индукции сквозь замкнутую поверхность равен нулю. Следовательно, в природе нет потенциального магнитного поля , т.к. нет свободных магнитных зерядов.
Уравнения Максвелла утверждают неразрывную связь переменных электрических и магнитных полей и возможность их распространения , т.е. существование электромагнитных волн.