Что такое электромагнитное поле

Электромагнитное поле — основные понятия, формулы и определения с примерами

Сильное электромагнитное поле отрицательно действует на человеческий организм — повреждается центральная нервная система, может возникнуть рак головного мозга, уровень гемоглобина в крови понижается, нарушается память и понижается внимание.

Карта электромагнитного поля:

Электрический заряд и электромагнитное поле

При трении тел друг о друга на них возникают электрические заряды. В этом случае говорят, что тело наэлектризовано, оно получило электрический заряд, или оно потеряло электрический заряд.

Электрическое взаимодействие между наэлектризованными телами в зависимости от знаков их зарядов может носить характер притяжения или отталкивания:

• — тела, обладающие зарядами одинакового знака, отталкиваются друг от друга;
• — тела, обладающие зарядами противоположного знака, притягиваются друг к другу.

В природе существуют заряды двух видов: положительный электрический заряд (+) и отрицательный электрический заряд (-). Заряды одинакового знака отталкиваются друг от друга, а заряды разного знака притягиваются друг к другу. Тела, не обладающие избытком электрического заряда, называют электрически нейтральными, или незаряженными телами.

Электрический заряд обозначают буквой q. За единицу измерения электрического заряда в СИ принят 1 кулон, названный так в честь французского ученого Шарля Кулона: [q] = 1 Кл.

Электростатическое поле — вид материи, который создается неподвижными электрическими зарядами.

Напряженность электрического поля — силовая характеристика этого поля. Являясь векторной величиной, напряженность электрического поля направлена так же, как и электрическая сила, действующая на положительный заряд.

Вещества, продолжительное время сохраняющие свои магнитные свойства, называются постоянными магнитами или просто магнитами. Каждый магнит имеет два полюса: северный (N) и южный (S). Одноименные полюсы магнита отталкиваются, разноименные полюсы магнита притягиваются.

Магнитное поле — вид материи, который создается движущимися зарядами.

Индукция магнитного поля (или магнитная индукция) является силовой характеристикой этого поля. Направление вектора магнитной индукции в данной точке магнитного поля совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки, помещенной в эту точку поля.

Кстати:

Было выяснено, что при полете пчела заряжается положительно. А цветы обладают отрицательным зарядом. Поэтому, когда пчела садится на цветок, ее пыльца прилипает к пчеле. Самым интересным является то, что после контакта пчелы с цветком электромагнитное поле растения меняется. Это изменение как будто подает знаки другим пчелам, находящимся в воздухе: «На этом цветке нет пыльцы!».

Электрический заряд

Электрический заряд — это свойство тел и частиц создавать вокруг себя электромагнитное ноле. Электрический заряд принят также количественной мерой измерения этого свойства тел.

Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным взаимодействием. Например, когда говорят, что протон несет положительный заряд, а электрон несет отрицательный заряд, то можно с уверенностью говорить о наличии электромагнитного взаимодействия между ними. Между незаряженными (электрически нейтральными) частицами не существует электромагнитного взаимодействия. Поэтому говорят: Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитного взаимодействия.

Электрический заряд обладает следующими особенностями:

1. Электрический заряд дискретен (не непрерывен, делим) — электрический заряд любого тела кратен целому числу элементарных зарядов:

Здесь N — число приобретенных или потерянных телом электронов.

Абсолютное значение наименьшего электрического заряда в природе называют элементарным зарядом. Элементарный заряд обозначают буквой е, численное его значение равно абсолютному значению заряда электрона или протона:

Кроме электрона и протона в природе существуют ещё несколько видов элементарных частиц. Однако только электроны и протоны могут существовать в свободном состоянии неограниченно долго. Время жизни остальных заряженных частиц очень мало — миллионные доли секунды. Они образуются в результате столкновений быстрых элементарных частиц, и через ничтожно малое время превращаются в другие частицы.

Дискретность заряда позволяет ему равномерно распределяться по поверхности проводника. Предположим, что заряд равномерно распределился по поверхности площадью S.

Величина, численно равная электрическому заряду, приходящемуся на единицу площади поверхности, называется поверхностной плотностью электрического заряда ():

Единицей поверхностной плотности электрического заряда в СИ является:

2. Для электрического заряда выполняется закон сохранения — алгебраическая сумма электрических зарядов частиц (или тел) замкнутой системы остается неизменной:

3. Электрический заряд является аддитивной величиной — электрический заряд системы равен алгебраической сумме электрических зарядов частиц (или тел) этой системы.

4. Электрический заряд является инвариантной величиной — электрический заряд частиц (или тел) одинаков во всех инерциальных системах отсчета.

Электромагнитное поле

Раздел физики, в котором изучаются электрические и магнитные явления, проявляющиеся при движении и взаимодействии электрических зарядов, называется электродинамикой.

Электродинамика — раздел физики, изучающий закономерности взаимодействия между электрическими зарядами посредством электромагнитного поля.

Электромагнитное поле — вид материи, осуществляющий взаимодействие между электрически заряженными частицами и телами.

Электрическое и магнитное поля являются особыми формами проявления электромагнитного поля. Поэтому состояние электромагнитного поля в произвольной точке пространства и в любой момент времени характеризуется двумя величинами — напряженностью электрического поля и индукцией магнитного поля Эти величины являются силовыми характеристиками электромагнитного поля и определяют силы, с которыми оно действует на заряженные частицы. Под «определением силовых характеристик электромагнитного поля» имеется в виду определение сил, действующих на внесенный в поле пробный заряд (положительный точечный заряд). Отметим, что действие электромагнитного поля на заряд может быть различным, в зависимости от того, покоится заряд или движется.

Силу, с которой электромагнитное поле действует на заряд, покоящийся в данной инерциальной системе отсчета, называют электрической. Электрическая сила всегда прямо пропорциональна количественному значению заряда, помещенного в данную точку поля:

На электрический заряд, движущийся в данной инерциальной системе отсчета, электромагнитное поле действует, кроме электрической силы, ещё с силой, называемой магнитной силой. Магнитная сила прямо пропорциональна и значению движущегося заряда, и проекции скорости заряда, перпендикулярной вектору магнитной индукции:

Поэтому на электрический заряд, движущийся в электромагнитном поле, действует результирующая сила, равная сумме электрической и магнитной сил. Эту силу называют обобщенной силой Лоренца:

Напряженность электростатического поля

Поле, созданное неподвижными электрическими зарядами, называется электростатическим.

Напряженность электрического поля — векторная физическая величина, равная отношению электрической силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда:

Единица измерения напряженности электрического поля в СИ:

Электрическая сила равна произведению напряженности электрического поля на величину помещенного в поле заряда:

Закон Кулона: сила взаимодействия двух неподвижных точечных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Учитывая кулоновскую силу в формуле напряженности, выясняем, от каких величин зависит напряженность электрического поля.

Модуль напряженности электрического поля, создаваемого точечным зарядом в данной точке, прямо пропорционален величине этого заряда и обратно пропорционален квадрату расстояния до этой точки:

Одной из задач электродинамики является определение силовой характеристики электростатического поля, созданного данным электрическим зарядом. Одним из особых состояний электромагнитного поля является создаваемое неподвижным зарядом электростатическое поле.

Электрическое поле — это электромагнитное поле, в котором относительно данной системы отсчета. Электрическое поле, созданное покоящимися относительно данной системы отсчета электрическими зарядами, называется электростатическим. В дальнейшем для упрощения, называя поле электрическим, будем подразумевать, что это электростатическое поле.

Электрическое иоле может быть однородным и неоднородным.

Однородное электрическое поле — поле, в каждой точке которого численное значение и направление напряженности электрического поля одинаковы. В противном случае поле неоднородное.

Например, поле между двумя параллельными пластинами, одна из которых обладает положительным, а другая таким же но модулю отрицательным зарядом, является однородным (а), а электрическое поле, создаваемое точечным зарядом, является неоднородным (b).

Напряженность электрического поля, создаваемого точечным электрическим зарядом в вакууме и в среде. Известно, что при внесении пробного заряда в электрическое поле точечного заряда в вакууме между зарядами возникает кулоновское взаимодействие.

Силы взаимодействия двух точечных электрических зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними и направлены вдоль прямой, соединяющей эти заряды (с).

Здесь — коэффициент пропорциональности, равный

Эта постоянная показывает, что два точечных заряда по 1 Кл каждый, находящиеся в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой 9•10 9 Н.

Здесь — электрическая постоянная:

Таким образом, на основе закона Кулона можно определить модуль напряженности электрического поля, созданного в вакууме зарядом в любой точке на расстоянии от источника поля:

Напряженность в данной точке электрического поля, созданного точечным зарядом в вакууме, прямо пропорциональна величине этого заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника поля до этой точки.

Если заряд alt=»Электромагнитное поле — основные понятия, формулы и определения с примерами» />положительный, то вектор напряженности в произвольной точке поля направлен радиально от источника поля (d), а если же заряд отрицательный — вектор напряженности направлен радиально к источнику поля (заряду alt=»Электромагнитное поле — основные понятия, формулы и определения с примерами» />).

Для электрических полей выполняется принцип суперпозиции.

Напряженность результирующего электрического поля в данной точке пространства, создаваемого несколькими электрическими зарядами, равна геометрической сумме напряженностей отдельных полей:

На рисунке изображена схема определения напряженности результирующего ноля в точке А, созданного двумя точечными зарядами (е).

В среде (внутри однородного диэлектрика) кулоновская сила взаимодействия зарядов слабее по сравнению с силой их взаимодействия в вакууме в раз:

Здесь — величина, называемая диэлектрической проницаемостью среды и показывающая, во сколько раз кулоновская сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме при неизменном расстоянии между ними:

Напряженность электрического поля в среде меньше, чем в вакууме, в раз:

Значит, диэлектрическая проницаемость среды также является физической величиной, показывающей, во сколько раз напряженность электрического поля, созданного электрическим зарядом в данной точке внутри однородного диэлектрика, меньше, чем в вакууме:

Диэлектрическая проницаемость различных сред различна. Например, для дистиллированной воды alt=»Электромагнитное поле — основные понятия, формулы и определения с примерами» />=81 (для вакуума alt=»Электромагнитное поле — основные понятия, формулы и определения с примерами» /> = 1).

Работа однородного электрического поля

Энергетическая характеристика электрического поля называется электрическим напряжением или просто напряжением.

Скалярная величина, показывающая, какую работу совершило электрическое поле при перемещении единичного заряда из одной точки поля в другую, называется электрическим напряжением между этими точками поля:

Единицей измерения напряжения в СИ является вольт:

Механическая работа — скалярная физическая величина, равная произведению модуля силы, действующей на тело, модуля перемещения тела и косинуса угла между векторами силы и перемещения:

Работа силы тяжести в гравитационном поле Земли:

Работа силы тяжести не зависит от формы траектории движения тела, она зависит от разности уровней начального и конечного положений центра тяжести тела.

Силы, работа которых не зависит от формы траектории движения тела, называются консервативными. Значит, сила тяжести — консервативная сила.

Это положение позволяет вывести понятие «потенциальной энергии» для системы тел, взаимодействующих с силами гравитационного взаимодействия. Так, выражение mgh в последней формуле является потенциальной энергией взаимодействия Земли и тела, находящегося на высоте h от поверхности Земли:

Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком:

Проведенные учеными исследования показали, что Земля обладает отрицательным электрическим зарядом, а слой ионосферы в её атмосфере — положительным зарядом. Слои атмосферы, лежащие между ними, играют роль изолятора.

Работа однородного электрического поля:

Работа однородного электрического поля, в котором положительный пробный заряд под действием постоянной электрической силы совершает перемещение между двумя точками поля, равна (а):

Здесь — угол между силовой линией поля и вектором перемещения заряда.

Так как проекция вектора перемещения на силовую линию равна то работа поля будет равна:

Работа однородного электрического поля при перемещении пробного положительного заряда равна произведению модуля этого заряда на модуль напряженности электрического поля и на проекцию его перемещения на направление силовых линий.

Выражение (1) можно написать и так:

Здесь и — соответственно расстояния от отрицательной пластины до точек 1 и 2. Вследствие пропорциональности работы электрического поля величине пробного заряда отношение не зависит от величины пробного заряда и не зависит от траектории его движения. Это отношение зависит от электрического поля, а также от начального и конечного положений заряда в поле.

Так как работа электрической силы при переносе пробного заряда из одной точки электрического поля в другую не зависит от формы траектории, то электрическая сила является консервативной, а электрическое поле — потенциальным.

Скалярная физическая величина, равная отношению работы электрического поля при переносе электрического заряда из одной точки поля в другую к величине этого заряда, называется разностью потенциалов между этими точками, или напряжением между ними:

Здесь — разность потенциалов. Индексы 1 и 2 указывают на точки

поля, между которыми перемещается заряд. Единицей измерения разности потенциалов в СИ является вольт:

Из выражения (3) можно определить работу поля при перемещении заряда между двумя его точками:

Работа электрического поля при перемещении заряда между двумя его точками равна произведению заряда на разность потенциалов (напряжение) между ними :

Сравнивая (1) и (3), получим формулу, связывающую напряженность и напряжение:

Напряженность электрического поля направлена от точки поля с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом.

Потенциал электрического поля

Для выражения энергетической характеристики электрического ноля в произвольной точке используется физическая величина, называемая потенциалом. Разность потенциалов между любой точкой электрического поля и точкой, принятой за нулевой потенциал, называют потенциалом поля в этой точке. Обычно вычисление потенциала производится относительно бесконечности.

Потенциал — скалярная величина, численно равная работе поля по перемещению единичного положительного заряда в бесконечность при его отталкивании от положительного заряда q:

Потенциал обозначается символом . Единицей измерения потенциала в СИ

является вольт:

Потенциальная энергия заряда в электрическом поле. Так как электрическое поле является потенциальным, то к замкнутой системе заряд-электрическое поле можно применить теорему о потенциальной энергии.

Работа, совершенная в потенциальном поле, равна изменению потенциальной энергии системы, взятому с противоположным знаком:

Здесь и — потенциальные энергии заряда в точках 1 и 2 ноля (b).

Сравнив выражения (4) и (7), получим:

Значит, величина, определяемая отношением потенциальной энергии пробного заряда в данной точке поля к величине заряда, равна потенциалу поля.

Эквипотенциальные поверхности

Поверхность, во всех точках которой потенциал поля принимает одинаковые значения, называется эквипотенциальной. Для точечного заряда эквипотенциальными являются концентрические сферы, центры которых совпадают с местонахождением заряда (с). Для однородного электрического поля — это поверхности, перпендикулярные силовым линиям поля (d).

Конденсатор и электрическая емкость

Конденсатор-устройство, используемое для накопления электрических зарядов. Его название происходит от латинского слова «kondensare», что означает сгущение.

Самый простой конденсатор — плоский конденсатор, состоит из двух близко расположенных параллельных металлических пластин с тонким слоем диэлектрика (например, воздуха) между ними (а). На схемах электрических цепей конденсатор обозначают как .

Пластины конденсатора электризуются равными по модулю зарядами противоположных знаков.

Способность конденсатора накапливать электрический заряд характеризуется физической величиной, называемой электрической ёмкостью.

Для разделения, накопления и передачи большого количества электрического заряда разных знаков используются устройства, называемые электрофорной машиной (b).

Быстро вращаясь, диски электрофорной машины трутся о воздух между ни-ми и электризуются зарядами разного знака. Заряды пластин снимаются с помощью металлических щеток и накапливаются в двух лейденских банках (1), а оттуда передаются на сферические металлические кондукторы (2). В результате на одном из кондукторов накапливается положительный, а на другом — отрицательный заряд.

Известный сербский ученый Никола Тесла (1856-1943) выдвинул идею о том, что система Земля — атмосфера представляет собой гигантский конденсатор, который является источником дешевой электрической энергии. Согласно этой идее, совпадение частоты слабого электромагнитного излучения, посылаемого в ионосферу Земли, с собственной частотой заряженных частиц ионосферы вызовет в ней резонанс. В результате возникнет очень сильное излучение, окружающее Землю. В это время достаточно будет в любой точке поверхности Земли воткнуть длинный металлический стержень, чтобы непрерывно получать из неба бесплатную электрическую энергию. Главной проблемой было построение башни для создания возбуждающих ионосферу импульсов — резонатора. Американский миллиардер Морган принял решение о финансировании постройки этой башни в Лонг-Айленде (США). Однако незадолго до завершения работы он приостановил и отменил этот проект в целях предотвращения возможной экологической катастрофы.

Известно, что простейшим конденсатором является плоский конденсатор, состоящий из двух параллельных пластин. Характеристикой конденсатора является электрическая ёмкость.

Электрическая ёмкость конденсатора (С) — скалярная физическая величина, равная отношению заряда конденсатора к разности потенциалов (напряжению) между его пластинами:

Единицей измерения электрической ёмкости в СИ является фарад (1Ф):

1 фарад — это электрическая емкость конденсатора, когда заряд пластин 1 Кл создает между ними напряжение 1В:

Фарад — очень большая ёмкость, поэтому на практике используются его дольные единицы (микрофарад, нанофарад, пикофарад и др.):

Заряд конденсатора равен модулю заряда одной из пластин конденсатора. Этот заряд прямо пропорционален напряжению на концах источника, подключенного к конденсатору:

Значит, электроёмкость является коэффициентом пропорциональности между зарядом и напряжением и не зависит ни от заряда, ни от напряжения. От чего же зависит электроёмкость?

Электрическая ёмкость плоского конденсатора зависит от площади его пластин, расстояния между пластинами и диэлектрической проницаемости вещества, находящегося между ними:

Здесь S — площадь одной из пластин конденсатора, d — расстояние между пластинами, alt=»Электромагнитное поле — основные понятия, формулы и определения с примерами» />— диэлектрическая проницаемость вещества, которое находится между его пластинами. Именно диэлектрик, находящийся между пластинами, дает конденсатору возможность длительное время сохранять заряд. Если диэлектриком между пластинами является только воздух ( alt=»Электромагнитное поле — основные понятия, формулы и определения с примерами» />= 1), то такой конденсатор называется воздушным и его электроёмкость:

Энергия электрического поля конденсатора

Энергия однородного электрического поля между пластинами плоского заряженного конденсатора определяется нижеприведенной формулой:

Примечание. Множитель в выражении (5) указывает на то, что при движении пластин конденсатора в отдельности каждая из них оказывается движущейся в электрическом поле, созданным зарядом другой пластины. Напряженность поля одной пластины в 2 раза меньше напряженности электрического поля между пластинами.

Если учесть здесь выражение (2), то получаются выражения, отражающие зависимость энергии конденсатора от ёмкости и заряда конденсатора:

Если учесть выражение (3) в выражениях (6) и (7), то можно получить следующие выражения для энергии электрического поля плоского конденсатора:

Распределение энергии электрического ноля в пространстве выражается физической величиной, называемой плотностью энергии электрического поля:

Плотность энергии электрического поля — физическая величина, численно равная энергии электрического поля, приходящейся на единицу объёма:

Здесь — плотность энергии электрического поля, единица её измерения в СИ:

Если в последнем выражении учесть формулу (8), выражения то станет очевидным, что плотность энергии электрического поля прямо пропорциональна квадрату напряженности поля:

Примечание. Конденсатор не может служить аккумулятором, длительное время сохраняющим в себе электрическую энергию (из-за утечки заряда). Однако он, в отличие от аккумулятора, способен мгновенно разряжаться в цепи с малым сопротивлением. Это свойство конденсатора широко используется на практике (например, во вспышках фотоаппаратов и лампах мобильных телефонов).

Соединение конденсаторов

Электрическая цепь может состоять из различных элементов: источник тока, потребители (лампа, электрический звонок, электрический нагреватель, телевизор и др.), ключ, соединительные провода. Одной из простейших цепей является последовательное соединение этих элементов.

При последовательном соединении конец каждого проводника соединяется с началом последующего.

При последовательном соединении силы токов одинаковы в любой части цепи:

Общее напряжение цепи при последовательном соединении равно сумме напряжений отдельных участков этой цепи:

Общее сопротивление при последовательном соединении равно сумме сопротивлений отдельных ее участков:

Общее сопротивление цепи, состоящей из n проводников с одинаковым сопротивлением R, в n раз больше сопротивления каждого проводника:

Параллельным называется соединение проводников, при котором начапа всех проводников соединяются в одной точке (например, в точке А), а концы в другой (например, в точке В).

Напряжения на концах параллельно соединенных проводников одинаковы:

При параллельном соединении сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов в отдельных ветвях цепи:

Величина, обратная общему сопротивлению параллельно соединенных проводников, равна сумме величин, обратных сопротивлению каждого проводника:

Общее сопротивление участка цепи, состоящей из двух параллельно соединенных проводников, равно:

В соответствии с этим общее сопротивление участка цепи, состоящей из n числа параллельно соединенных проводников с одинаковым сопротивлением R, меньше сопротивления каждого из них в n раз:

На практике часто случается, что при выходе из строя бытовых приборов для срочного их ремонта отсутствуют конденсаторы с необходимым номиналом электроёмкости и напряжения. В таких случаях приходится получить необходимый номинал, используя конденсаторы различного номинала. А для этого необходимо знать правила их соединений.

С целью получения различных значений электроёмкости собирают батареи конденсаторов, соединяя их либо последовательно, либо параллельно.

Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении конденсаторов отрицательно заряженная пластина первого конденсатора соединена с положительно заряженной пластиной второго и т.д. (с).

Заряды последовательно соединенных конденсаторов одинаковы:

Общее напряжение на концах цепи, состоящей из последовательно соединенных конденсаторов, равно сумме напряжений отдельных конденсаторов:

Величина, обратная общей электроемкости батареи последовательно соединенных конденсаторов, равна сумме величин, обратных значениям электроёмкостей отдельных конденсаторов:

Общая ёмкость цепи, состоящей из последовательно соединенных n конденсаторов одинаковой ёмкости, в n раз меньше ёмкости одного конденсатора:

Напряжение и энергия последовательно соединенных конденсаторов обратно пропорциональны их электрическим ёмкостям:

Параллельное соединение конденсаторов

При параллельном соединении положительно заряженные пластины всех конденсаторов соединяют в одной точке, а отрицательно заряженные пластины в другой точке (d).

Общий заряд параллельно соединенных конденсаторов равен сумме зарядов отдельных конденсаторов:

Напряжения на концах параллельно соединенных конденсаторов одинаковы:

Общая электроёмкость батареи параллельно соединенных конденсаторов равна сумме электроёмкостей отдельных конденсаторов:

Общая электроёмкость n числа параллельно соединенных одинаковых конденсаторов в n раз больше электроёмкости одного конденсатора:

Электрические заряды и энергии параллельно соединенных конденсаторов прямо пропорциональны их электроёмкостям:

Движение заряженных частиц в магнитном поле

При равномерном движении по окружности линейная скорость материальной точки численно равна отношению пройденного пути ко времени, за которое этот путь пройден:

При равномерном движении по окружности модуль центростремительного ускорения материальной точки равен отношению квадрата линейной скорости к радиусу окружности:

Сила, с которой магнитное поле действует на движущуюся заряженную частицу, называется силой Лоренца:

Если заряженная частица влетает в магнитное поле в направлении, перпендикулярном линиям индукции, то сила Лоренца принимает максимальное значение:

Сила Лоренца перпендикулярна векторам и её направление определяется правилом левой руки.

Правило левой руки для определения направления силы Лоренца

Правило левой руки для определения направления силы Лоренца: левую руку следует расположить в магнитном поле так, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительного заряда (против движения отрицательного заряда), тогда отогнутый на 90 о большой палец покажет направление действующей на заряд силы Лоренца.

Вблизи Северного и Южного полюсов Земли наблюдаются очень красивые природные явления, называемые «полярным сиянием». Причиной возникновения полярного сияния является действие магнитного поля Земли на поток заряженных частиц в атмосфере.

Магнитное поле — это электромагнитное поле, индукция магнитного поля которого относительно данной системы отсчета отлична от нуля напряженность электрического поля которого равна нулю

На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца:

Так как направление силы Лоренца перпендикулярно направлению скорости частицы то эта сила не совершает работы: По этой причине сила Лоренца не может изменить модуль скорости и импульса частицы, а также ее кинетическую энергию. Она способна изменить лишь направление движения частицы. Согласно II закону Ньютона, уравнение движения заряженной частицы в неизменном во времени однородном магнитном поле (при условии ) имеет вид:

Если частица влетает в поле в направлении, перпендикулярном силовым линиям поля то на неё действует максимальная сила Лоренца (sin 90° = 1):

В этом случае уравнение движения частицы:

Сообщая телу центростремительное ускорение (так как ), сила Лоренца заставляет его вращаться по окружности радиусом R (b):

Уравнение движения частицы преобразуется:

Из выражения (4) можно выяснить, от каких величин зависит радиус окружности, по которой вращается частица:

Здесь р и Е_к — соответственно модуль импульса и кинетическая энергия частицы.

Радиус окружности, которую описывает заряженная частица в однородном магнитном поле, прямо пропорционален модулю скорости его движения (импульса) и обратно пропорционален модулю вектора магнитной индукции поля.

Период обращения частицы по окружности зависит от массы частицы, величины заряда и модуля индукции магнитного поля:

Кстати:

Прибор, используемый для определения массы частицы, называется «масс-спектрограф». Принцип его работы заключается в следующем: вакуумная камера прибора помещается в однородное магнитное поле (вектор его индукции направлен к нам перпендикулярно плоскости рисунка). Заряженные частицы сначала ускоряются электрическим полем, а затем, отклоняясь магнитным полем, описывают дугу, оставляя след на фотопластинке (с). Радиус кривизны дуги измеряется. Это позволяет точно вычислить массу частицы с известным значением заряда.

Действие магнитного поля на проводник с током

Направление вектора индукции магнитного поля, созданного электрическим током, удобно определять правилом правого буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика показывает направление вектора индукции магнитного поля, созданного этим током (1). Направление вектора индукции магнитного поля кругового тока также определяется правилом правого буравчика: если вращать рукоятку буравчика по направлению кругового тока, то направление поступательного движения буравчика покажет направление вектора индукции магнитного поля, созданного током (2).

При помещении проводника с током в однородное магнитное поле модуль действующей на него силы Ампера равен произведению модуля индукции магнитного поля, длины этого проводника, силы тока в нем и синуса угла между направлением тока и вектором магнитной индукции:

Направление силы Ампера определяется правилом левой руки: если расположить левую руку в магнитном поле так, чтобы линии магнитной индукции были направлены в ладонь, а четыре пальца были вытянуты по направлению тока, то отведенный под 90 о большой палец укажет направление силы Ампера.

В начале XIX века один из основоположников математической теории электромагнетизма, немецкий математик и физик Карл Фридрих Гаусс (1777-1855) разработал теорию электромагнитной пушки, называемой «пушкой Гаусса». Принцип её работы основан на взаимодействии катушки с током и железного снаряда (постоянный магнит). На рисунке изображены модель пушки Гаусса и схема принципа его работы (а).

После того, как датский ученый X. Эрстед экспериментально установил существование взаимодействия проводника с током и магнитной стрелки, французский физик А. Ампер выяснил, что два параллельных проводника с током взаимодействуют как два постоянных магнита. Стало известно, что между параллельными проводниками с токами одинакового направления взаимодействие носит характер притяжения, а между проводниками с токами противоположного направления -характер отталкивания. Так как электрический ток является упорядоченным движением заряженных частиц, то магнитное взаимодействие является взаимодействием магнитных полей, созданных движущимися заряженными частицами в пространстве.

Магнитное поле действует с определенной силой на любой проводник с током (пробный ток), помещенный в это поле. Модуль этой силы, называемой силой Ампера, равен произведению силы тока в проводнике, модуля вектора магнитной индукции, длины проводника и синуса угла между направлением тока и вектором индукции магнитного поля:

Известно, что направление силы Ампера определяется правилом левой руки. Если проводник с током перпендикулярен вектору магнитной индукции (sin90°=l), то сила Ампера принимает максимальное значение:

С помощью этой формулы можно выразить физическую суть силовой характеристики магнитного поля — индукции магнитного поля.

Индукция магнитного поля — векторная величина, численно равная максимальной силе, действующей на элемент тока (), помещенный в это поле:

За направление вектора магнитной индукции в данной точке поля принимают направление, которое указывает северный полюс свободной магнитной стрелки, помещенной в эту точку поля (с). Единицей измерения магнитной индукции в СИ является тесла (Тл):

1 тесла — индукция такого магнитного поля, которое на проводник длиной 1 м, расположенный перпендикулярно линиям магнитной индукции, и силой тока 1 А, действует с силой 1 Н.

Магнитное поле, в каждой точке которого числовое значение и направление вектора магнитной индукции одинаковы, называется однородным магнитным полем.

Для магнитного поля выполняется принцип суперпозиции: вектор индукции результирующего магнитного поля, созданного несколькими проводниками с током, равен геометрической сумме векторов индукции отдельных магнитных полей, созданных этими проводниками:

С целью визуализации магнитного поля его изображают с помощью линий магнитной индукции (силовые линии поля) (d):

Линия индукции магнитного поля — линия, касательная к каждой точке которой совпадает с вектором магнитной индукции в этой точке.

Линии индукции магнитного поля замкнутые, они не имеют ни начала, ни конца.

Поле, силовые линии которого являются замкнутыми, называют вихревым.

Применение силы Ампера в электроизмерительных приборах

Известно, что существуют различные системы электроизмерительных приборов — амперметра, вольтметра и ваттметра. Это магнитоэлектрические, электромагнитные и электродинамические системы. Принцип работы всех этих систем основан на действии магнитного поля на проводник с током.

Принцип работы приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с магнитным полем, возникающим вследствие прохождения измеряемого тока через проводящую рамку (е).

Принцип работы прибора электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, возникающего в результате прохождения измеряемого тока через неподвижную катушку, с подвижным стальным сердечником, помещенным в это поле (f).

Принцип действия прибора электродинамической системы основан на взаимодействии магнитных полей токов, протекающих по неподвижной и подвижной катушкам (или системам катушек) (g).

Магнитный поток и явление электромагнитной индукции

После проведения многочисленных опытов М. Фарадей в 1831 году установил, что изменения магнитного поля приводят к возникновению электрического тока в замкнутом проводящем контуре.

Явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре, помещенном в изменяющееся магнитное поле, называют электромагнитной индукцией, а возникающий ток — индукционным током.

Возникновение переменного магнитного поля всегда сопровождается созданием в окружающем пространстве вихревого электрического поля.

Вихревое электрическое поле отличается от электростатического:

• a) электростатическое поле создается неподвижным электрическим зарядом, а вихревое электрическое поле создается переменным магнитным полем;
• b) линии напряженности электростатического поля не замкнуты: они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах. Линии напряженности вихревого электрического поля не имеют ни начала, ни конца — эти линии замкнуты.

В 1833 году русский физик Э. Ленц установил общее правило определения направления индукционного тока, так называемое правило Ленца:

Индукционный ток принимает такое направление, что созданное им магнитное поле противодействует тому изменению внешнего магнитного поля, которое стало причиной возникновения тока.

При усилении внешнего магнитного поля магнитное поле индукционного тока ослабляет это изменение — вектор индукции магнитного поля индукционного тока направлен против вектора индукции внешнего магнитного поля (1).

При ослаблении внешнего магнитного поля магнитное поле индукционного тока препятствует изменению, то есть стремится к тому, чтобы это поле не ослабло. Вектор индукции магнитного поля индукционного тока направлен так же, как и вектор индукции внешнего магнитного поля (2).

Магнитный поток

Если поместить замкнутый контур (рамку) в однородное магнитное поле, то через площадь S, ограниченную этим контуром, проходит определенное количество линий магнитной индукции (с). Величину, прямо пропорциональную числу этих линий индукции, называют потоком магнитной индукции, или просто магнитным потоком.

Поток магнитной индукции (Ф) — скалярная физическая величина, равная произведению модуля вектора магнитной индукции, площади контура и косинуса угла между вектором магнитной индукции и нормалью к площади контура:

Магнитный поток относится к скалярным величинам, которые могут принимать положительные, отрицательные значения, а также равняться нулю:

• — если угол между вектором индукции и нормалью к плоскости контура острый, то магнитный поток принимает положительные значения, а если этот угол тупой — отрицательные;
• — если вектор индукции перпендикулярен плоскости контура, то есть параллелен нормали к плоскости, то тогда магнитный поток, пронизывающий плоскость контура, принимает максимальное значение:

• — если вектор индукции параллелен поверхности, то есть перпендикулярен нормали, то тогда магнитный поток не проходит через плоскость контура, то есть он равен нулю: Значит, линии магнитной индукции не пронизывают поверхность контура.

Единицей измерения магнитного потока в СИ является вебер (1 Вб):

1 Вебер — магнитный поток, пронизывающий поверхность площадью 1 м 2 , ограниченную проводящим контуром, расположенным в магнитном поле с индукцией 1 Тл перпендикулярно линиям индукции поля.

Явление электромагнитной индукции

В 1831 году английский ученый Майкл Фарадей (1791-1867) открыл явление электромагнитной индукции и показал существование взаимосвязи между электрическим и магнитным полем.

Вы знаете, что при введении в катушку, соединенную с гальванометром, постоянного магнита, и выведении его из катушки в витках катушки возникает индукционный ток. А если магнит неподвижен внутри катушки или совершает вращательное движение внутри катушки, то ток не возникает. Значит, причиной возникновения индукционного тока является изменение магнитного потока, пронизывающего контур (d и е).

Возникновение электрического тока в проводящем контуре в результате изменений магнитного потока, пронизывающего площадь, ограниченную этим контуром, называют явлением электромагнитной индукции.

Направление индукционного тока зависит от того, увеличивается или уменьшается пронизывающий контур магнитный поток.

1. Магнитный поток увеличивается Это случай, когда магнит приближается к контуру. В результате магнитный поток растет, индукционный ток, возникающий в контуре при изменении внешнего поля, создает свое собственное магнитное поле. Это вновь созданное поле отталкивает приближающийся к катушке магнит. Значит, вектор индукции внешнего поля, создавшего ток в контуре, направлен против вектора собственного магнитного поля контура с током (см. d). В этом случае магнит и контур отталкиваются одноименными магнитными полюсами. Для круговых токов можно применять правило правого буравчика и легко определить, как направлен индукционный ток — его направление совпадает с направлением вращения стрелки часов.

Правило правого буравчика для кругового тока

Правило правого буравчика для кругового тока: при вращении рукоятки буравчика по направлению кругового тока направление его поступательного движения совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля внутри кругового тока (f).

2. Магнитный поток уменьшается Это случай, когда магнит выводится из катушки. В результате магнитный поток уменьшается. Возникающий в контуре индукционный ток принимает такое направление, при котором вектор индукции его собственного магнитного ноля направлен так же, как и вектор индукции внешнего магнитного поля . В этом случае магнит и контур притягиваются, как магниты, противоположными полюсами (см. е). На основе правила правого буравчика устанавливается, что индукционный ток направлен против направления вращения стрелки часов.

Итак, возникающий в замкнутом проводящем контуре индукционный ток всегда направлен так, что его собственное магнитное поле препятствует тем изменениям внешнего магнитного поля, которые стали причиной возникновения этого тока.

Это правило Ленца, позволяющее определить направление индукционного тока.

Закон электромагнитном индукции

Упорядоченное движение заряженных частиц называется электрическим током.

Для существования непрерывного электрического тока в проводнике необходимо выполнение следующих условий: наличие в проводнике заряженных частиц (носителей заряда), способных свободно перемещаться по проводнику; действие электрической силы, способной перемещать эти частицы в определенном направлении; проводник (цепь, состоящая из проводников), по которому проходит электрический ток, должен быть замкнутым.

За направление электрического тока условно принято направление вектора напряженности электрического поля внутри проводника.

За направление электрического тока принято направление движения положительных зарядов (против направления движения свободных электронов).

Зависимость силы тока в данном проводнике от напряжения на его концах проводника и от его сопротивления выражается законом Ома для участка цепи постоянного тока.

Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению:

Индукционный ток, как и любой другой, создается электрическим полем.

Существование переменного магнитного поля всегда сопровождается появлением в окружающем пространстве вихревого электрического поля. Именно вихревое электрическое поле (а не переменное магнитное) действует на свободные электроны в замкнутом контуре и способствует возникновению индукционного тока в нем.

Вихревое электрическое поле существенно отличается от электростатического:

• а) Электростатическое поле создается покоящимися зарядами, а вихревое электрическое переменным магнитным полем;
• b) Линии напряженности электростатического поля не замкнуты: они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах. Линии напряженности вихревого электрического поля не имеют ни начала, ни конца, они замкнуты как линии индукции магнитного поля.

Одним из современных видов общественного транспорта является поезд на воздушной подушке, движущийся в подвешенном состоянии левитации -без непосредственного контакта с дорогой. Вместо колес шасси этого поезда, называемого МагЛев, оснащено электромагнитной опорой и направляющими магнитами. Железная дорога состоит из проводящего рельса Т-образной формы, оснащенного электромагнитом, создающим мощный индукционный ток. Такой поезд, испытания которого проводились в Японии вблизи города Фудзияма, показал рекордную скорость 603 На рисунке показана упрощенная схема МагЛева (а).

Вихревое электрическое поле и ЭДС индукции

Причиной возникновения индукционного тока в замкнутом проводящем контуре является возникновение вихревого электрического поля вокруг переменного магнитного ноля, которое, действуя на свободные электроны в контуре, приводит их в упорядоченное движение -создает индукционный электрический ток. Работа вихревого электрического поля по перемещению положительного единичного заряда по замкнутому проводнику характеризуется физической величиной, называемой электродвижущей силой индукции (ЭДС индукции).

Электродвижущая сила индукции — скалярная физическая величина, равная отношению работы, совершенной вихревым электрическим полем при перемещении положительного единичного заряда вдоль замкнутого контура, к величине этого заряда:

В проведенном исследовании явления электромагнитной индукции вы определили, что значение возникшего в замкнутом контуре индукционного тока пропорционально скорости изменения магнитного потока, проходящего через поверхность, ограниченную этим контуром. Значит, и электродвижущая сила индукции, создающая индукционный ток в проводящем контуре, зависит от скорости изменения внешнего магнитного потока.

Если за очень малый промежуток времени магнитный поток изменяется на то отношение является скоростью изменения магнитного потока.

Закон электромагнитной индукции

На основе вышесказанного можно выразить закон электромагнитной индукции:

ЭДС индукции, возникающая в замкнутом проводящем контуре, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока, проходящего через ограниченную этим контуром поверхность:

Знак минус в выражении (2) указывает на то, что магнитный поток индукционного тока препятствует изменению внешнего магнитного потока, породившего индукционный ток.

Если контур состоит из N числа витков, го выражение (2) принимает вид:

Здесь — ЭДС индукции, единицей ее измерения является вольт (1 В):

Сила индукционного тока, возникающего в замкнутом проводящем контуре, определяется согласно закону Ома для участка цепи:

Здесь R — сопротивление контура.

ЭДС индукции в движущихся в магнитном поле проводниках. При движении проводника в магнитном поле находящиеся внутри него свободные заряженные частицы движутся вместе с ним. По этой причине на каждую частицу действует сила Лоренца. В результате свободные заряды, перемещаясь внутри проводника, совершают упорядоченное движение — в проводнике возникает ЭДС индукции.

Возникающая ЭДС индукции зависит от скорости проводника, длины части проводника, находящейся в поле, и модуля вектора магнитной индукции. Это легко доказывается на основе закона электромагнитной индукции.

Представим, что проводник длиной переместился в магнитном поле индукцией на в направлении, перпендикулярном вектору индукции (b). ЭДС индукции, возникающая при этом в проводнике:

Здесь принято во внимание, что и (см. b). Если вектор скорости составляет угол с вектором магнитной индукции, то ЭДС индукции определяется так:

Направление индукционного тока в проводнике, движущегося в магнитном иоле, удобно определять правилом правой руки:

Правую руку следует держать в магнитном поле так, чтобы вектор входил в ладонь, а отогнутый на 90° большой палец показывал направление движения проводника, тогда четыре вытянутых пальца укажут направление индукционного тока.

Кстати:

Принцип работы электронных счетчиков потребления, используемых в быту, основан на применении закона электромагнитной индукции. Например, в электронных счетчиках потребления воды в проводящем электрический ток потоке жидкости возникает ЭДС индукции, пропорциональная скорости жидкости. Индукционный ток в электронной части прибора преобразуется в цифровой сигнал.

ЭДС самоиндукции и энергия магнитного поля

Инертность — одно из важнейших свойств тела (происходит от латинского слова «inertia» — бездеятельность, ленивость).

Инертность — это свойство тел, выражающееся в том, что на изменение скорости тела всегда требуется определенное время. Явление сохранения телом состояния покоя или прямолинейного равномерного движения при отсутствии действия на тело других тел (когда действующие на тело силы уравновешивают друг друга) называется инерцией.

Мера инертности тела — его масса.

Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения, называется кинетической энергией. Кинетическая энергия тела зависит от массы тела и модуля его скорости (не от направления):

Так как магнитные свойства разных веществ различны, то индукция магнитного поля, созданного в них одним и тем же источником поля, будет различна. Магнитные свойства веществ характеризуются величиной, называемой магнитной проницаемостью вещества.

Магнитная проницаемость вещества показывает, во сколько раз модуль индукции однородного магнитного поля В в веществе отличается от индукции этого магнитного поля в вакууме В_о:

Здесь (мю) — магнитная проницаемость вещества. Это безразмерная величина.

Прохождение электрического тока через газ при отсутствии внешнего воздействия называется самостоятельным разрядом. Одним из видов самостоятельного газового разряда является искровой разряд.

Искровой разряд возникает в воздухе при высоком напряжении между электродами и наблюдается в виде светящихся узких каналов зигзагообразной формы. Температура в канале разряда может достигать 10 ООО °С, сила тока до 5000 А, напряжение до 10 4 В.

Кстати:

Наверно, каждый из вас наблюдал появление кратковременной искры при вынимании вилки прибора в рабочем режиме из электрической розетки. Это значит, что в воздухе между вилкой прибора и электрической розеткой возник самостоятельный разряд с напряжением несколько тысяч вольт. Такая искра иногда приводит к выводу из строя вилки или розетки.

ЭДС самоиндукции

Электрический ток, существующий в любом замкнутом контуре, создает собственное магнитное поле (находится в собственном магнитном поле). При изменении силы тока в контуре одновременно происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока приводит к возникновению вихревого электрического поля, и в результате в этом контуре возникает ЭДС индукции.

Явление возникновения ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре в результате изменения силы тока в нем называют самоиндукцией.

При увеличении силы тока в замкнутом контуре от нуля до определенного значения увеличивается и проходящий через этот контур магнитный поток. Возникающая в контуре в результате увеличения магнитного потока ЭДС самоиндукции создает индукционный ток, направленный против проходящего по контуру основного тока — индукционный ток замедляет рост основного тока и достижение им максимального значения — на увеличение силы тока до максимального значения уходит определенное время (кривая OA, b).

При размыкании цепи сила тока уменьшается от максимального значения до нуля, вместе с этим уменьшается магнитный поток. Уменьшение магнитного потока приводит к возникновению в контуре ЭДС самоиндукции, которая в свою очередь создает в этом контуре индукционный ток, направленный, согласно правилу Ленца, так же, как и основной ток, и замедляющий его уменьшение (кривая ВС, b).

Из вышесказанного становится ясно, что возникающий в контуре собственный магнитный поток прямо пропорционален силе проходящего через контур тока — или:

Здесь L является коэффициентом пропорциональности (между и ) и называется индуктивностью контура (катушки).

Индуктивность зависит от геометрических размеров контура (катушки), от магнитной проницаемости среды внутри него, от числа витков. Она не зависит от силы тока в контуре и магнитного потока.

Индуктивность — скалярная величина, единица ее измерения в СИ названа генри (1 Гн), в честь американского ученого Джозефа Генри:

1 Гн — индуктивность такого контура (катушки), в которой при силе тока 1 А через контур проходит собственный магнитный поток 1 Вб.

Если учесть выражение (1) в законе электромагнитной индукции, то получим, что ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока, проходящего через контур:

Здесь — ЭДС самоиндукции, — скорость изменения силы тока в контуре.

Энергия магнитного поля

Согласно закону сохранения энергии, работа, совершенная при создании ЭДС индукции, будет равна энергии магнитного поля, создавшего его. Для определения этой энергии удобно воспользоваться схожестью явления самоиндукции с явлением инерции. Так, индуктивность L играет такую же роль при изменениях силы тока в электромагнитных процессах, какую играет масса — при изменениях скорости в механических процессах. Тогда для энергии магнитного поля, создаваемого контуром в электромагнитных явлениях, можно принять выражение, аналогичное выражению кинетической энергии тела в механических явлениях:

Если в этом выражении учесть формулу (1), получим ещё две формулы для энергии магнитного поля:

Из теоретических вычислений получено, что плотность энергии магнитного поля прямо пропорциональна квадрату магнитной индукции и обратно пропорциональна магнитным свойствам среды:

Здесь — магнитная постоянная:

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

1. Теория электромагнитного поля

Если магнит лежит на столе, то вокруг него возникает только магнитное поле. Но наблюдатель, движущийся относительно стола, зафиксирует и электрическое поле.

Поэтому утверждение о существовании электрического или магнитного полей в заданной точке имеет смысл только при указании системы отсчёта, относительно которой они рассматриваются. Оба поля являются проявлением единого электромагнитного поля.

Сообщество «Клуб интеллектуалов»

Дмитрий Сидоров # написал комментарий 9 апреля 2017, 12:08 «. электромагнитные явления возникают тогда и только тогда, когда происходит нарушение равновесия в едином информационном поле.»
А что является нарушителем в так называемом «равновесии в едином информационном поле»?

• редактировать
• удалить

Галина Иванова # ответила на комментарий Дмитрий Сидоров 9 апреля 2017, 12:10 Спасибо, что просветили.

• редактировать
• удалить

Дмитрий Сидоров # ответил на комментарий Галина Иванова 9 апреля 2017, 12:18 Тот текст уже убран. Вместо того текста посмотрите, пожалуйста, на сформулированный в комментарии вопрос.

• редактировать
• удалить

Галина Иванова # ответила на комментарий Дмитрий Сидоров 9 апреля 2017, 12:41 С точки зрения единого информационного поля никакого «нарушителя» нет. Но в зависимости от соотношения внутреннего и внешнего составляющих конкретного объекта мы наблюдаем те или иные электромагнитные явления. А все вместе они представляют собой единый электромагнитный спектр, золотой серединой которого является оптический диапазон.

• редактировать
• удалить

Дмитрий Сидоров # ответил на комментарий Галина Иванова 9 апреля 2017, 14:22 Интересно было бы узнать на каких принципах построено так называемое «единое информационное поле».

• редактировать
• удалить

Галина Иванова # ответила на комментарий Дмитрий Сидоров 9 апреля 2017, 14:25 На принципе ЕДИНСТВА.

• редактировать
• удалить

Дмитрий Сидоров # ответил на комментарий Галина Иванова 9 апреля 2017, 14:59 Единство информационного и энергетического?

• редактировать
• удалить

Галина Иванова # ответила на комментарий Дмитрий Сидоров 9 апреля 2017, 15:59 Единство всего и вся в этом мире. Единство физической реальности, которая имеет информационную природу.

• редактировать
• удалить

Ефим Андурский # написал комментарий 9 апреля 2017, 17:30 «вокруг янтаря возникает статическое электрическое поле. Значит, внутри янтаря (или другого диэлектрика) существует небольшое магнитное поле».
Магнитное поле возникает ТОЛЬКО вокруг магнита.
«внутри магнита есть небольшое электрическое поле».
Электрическое поле возникает ТОЛЬКО в диэлектрике.
И пусть физики меня поправят, если я неправ.

• редактировать
• удалить

Галина Иванова # ответила на комментарий Ефим Андурский 9 апреля 2017, 17:49 Такое разделение мешает пониманию электромагнитных явлений и не соответствует действительности.

• редактировать
• удалить

Vladimir DrPoruchik # ответил на комментарий Ефим Андурский 9 апреля 2017, 22:56 … если коротко (… и как для сержантов и старшин) то:
1. источником электрического поля является электрический заряд
2. магнитных зарядов не существует, а источником магнитного поля является электрический ток (движущийся заряд)
3. изменение во времени магнитного поля порождает вихревое электрическое поле.
4. а изменение во времени электрического поля, также как и электрический ток, порождают вихревое магнитное поле.
5. …вот в рамках этих связей и объясняется ЛЮБОЕ злектромагнитное явление…, и не обращайте внимания на весь то безграмотный шум, что производит Галина. 🙂

• редактировать
• удалить

Галина Иванова # ответила на комментарий Vladimir DrPoruchik 10 апреля 2017, 12:07 Электрических зарядов тоже не существует. Источником электрического поля является всегда магнитное, и наоборот. Это логично, правильно, и всё прекрасно объясняет.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Электромагнитное поле — особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами. Электромагнитная энергия широко используется в радиосвязи, телевидении, радиолокации; для осуществления различных технологических процессов и операций (нагрева, сварки, напыления металлов, сушки различных материалов, диэлектрической обработки пластмасс), для таких видов термообработки пищевых продуктов как размораживание, стерилизация, сублимация, а также в научных исследованиях. В медицине энергия электромагнитного поля применяется в физиотерапии (см. Диатермия, Микроволновая терапия) для быстрого снятия гипотермии после операций на открытом сердце, для нагрева крови при трансфузиях.

Основными источниками излучений при использовании электромагнитной энергии являются различные типы антенных устройств, рабочие элементы высокочастотных установок, плавильные, закалочные индукторы, рабочие конденсаторы для осуществления диэлектрического нагрева, различные элементы ламповых и машинных генераторов. В вакууме электромагнитное поле характеризуется вектором напряженности электрического поля (Е) и магнитной индукцией (В), которые определяют силы, действующие со стороны ноля на неподвижные и (или) движущиеся заряженные частицы: в среде, напр, в воздухе, тканях,— дополнительно двумя вспомогательными величинами: напряженностью магнитного поля (Н) и электрической индукцией (Д). Электромагнитное поле неподвижных и равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами. При их ускоренном движении электромагнитное поле излучается в виде квантов (фотонов) и существует в виде электромагнитных волн, которые представляют собой взаимосвязанные изменения напряженности электрического и магнитного полей. Основными параметрами электромагнитной волны являются: длина волны (λ) — расстояние, на которое распространяется волна за один период (Т); частота колебаний (f) — число колебаний за одну секунду; скорость распространения электромагнитной волны (V), равная λ/Т.

В зависимости от энергии фотонов (V-квантов) весь спектр электромагнитного излучения (см.) принято подразделять на область неионизирующих и ионизирующих излучений. К неионизирующим излучениям относят электромагнитные колебания, энергия квантов которых недостаточна для ионизации молекул и атомов вещества; к ионизирующим излучениям — электромагнитные колебания, кванты которых при взаимодействии с веществом вызывают ионизацию атомов. Часть спектра неионизирующих излучений составляют излучения радиоволнового диапазона, другая часть относится к излучениям оптического диапазона, который принято подразделять на инфракрасное излучение (см.), видимый свет (см.) и ультрафиолетовое излучение (см.). Наиболее длинноволновая часть излучений радиоволнового диапазона смыкается с квазистатическими электрическими (см. Электростатическое поле) и магнитными полями (См. Магнитное поле), наименее коротковолновая часть (ультрафиолет А) примыкает к рентгеновским лучам (см. Рентгеновское излучение).

По источнику возникновения электромагнитные излучения подразделяются на излучения искусственного (антропогенное) и естественного (земные, солнечные, галактические) происхождения. К последним должны быть отнесены также электромагнитные колебания, возникновение которых связано с протеканием процессов жизнедеятельности на различных уровнях организации живых систем. Особенностью искусственных электромагнитных излучений является их высокая временная и пространственная когерентность, обусловливающая возможность значительной концентрации энергии в узких областях спектра, тогда как для естественных характерен широкий спектр частот.

Область распространения электромагнитных волн принято подразделять на три зоны: ближнюю (зону индукции), промежуточную и дальнюю (волновую). Энергетическим показателем Электромагнитное поле ближней и промежуточной зон является объемная плотность энергии. При оценке электромагнитного поля данных зон с гигиенических позиций учитывают напряженность электрической (в/м) и магнитной (а/м) составляющих. В волновой зоне электромагнитное поле оценивают по плотности потока энергии (ППЭ), которая выражается в вт*м -2 , мвт*см -2 , мквт*см -2 .

При воздействии электромагнитного поля на организм действующим фактором являются наведенные внутренние поля. Их параметры и распределение в теле человека зависят от частоты электромагнитных колебаний, электрических свойств тканей, формы и размеров тела и его ориентации относительно векторов напряженности электрического (Е) и магнитного (Н) полей. Электрические свойства тканей в значительной степени определяются частотой воздействующего электромагнитному полю. При одних частотах ткань проявляет свойства проводника, при других — изолятора (диэлектрика). Одними из основных показателей, характеризующих электрические свойства тканей, являются их диэлектрическая постоянная и магнитная проницаемость. По диэлектрическим свойствам все биологические ткани принято подразделять на две группы: к тканям с высоким содержанием (свыше 80%) воды относятся кровь, мышцы, кожа, ткань мозга, печени, почек, селезенки и др., к тканям с относительно низким содержанием воды — жировая и костная (см. Электропроводность биологических систем). По магнитным свойствам ткани тела относятся к слабым диамагнетикам и парамагнетикам. Их магнитная проницаемость практически не отличается от магнитной проницаемости воздуха, в силу чего напряженность магнитного поля в тканях практически не отличается от напряженности внешнего магнитного поля. Переменное магнитное поле наводит в тканях вихревое электрическое поле индукции, которое, в свою очередь, вызывает колебания ионов и дипольных молекул среды, что в конечном счете приводит к поглощению энергии и образованию тепла.

Спектр действия электромагнитных излучений радиочастотного диапазона ограничивается преимущественно нагревом вещества. Поглощение энергии электромагнитного поля в тканях определяется двумя процессами: колебанием свободных зарядов и колебанием дипольных молекул с частотой воздействующего поля. Первый процесс приводит к потерям энергии за счет электрического сопротивления среды, второй — за счет трения дипольных молекул в вязкой среде. Оба процесса ведут к образованию тепла и нагреву тканей.

Исходя из особенностей взаимодействия электромагнитного поля с биологическими тканями и телом человека в целом весь спектр электромагнитных излучений радиочастот может быть подразделен на 5 участков. Первый — от единиц гц до 10 кгц, второй — 10 кгц — 30 Мгц, третий — 30 Мгц — 10 Ггц, четвертый — 10—200 Ггц, пятый — 200— 3000 Ггц. Так как для электромагнитных колебаний, относящихся к первому диапазону частот, волновая зона находится на расстояниях, где интенсивность электромагнитного поля утрачивает свою биологическую значимость, то применительно к этому диапазону частот практическое значение представляют лишь отдельные составляющие ближнего поля (Е и Н). По отношению к электрической составляющей поля тело человека имеет свойства достаточно хорошего проводника, в связи с чем внутри тела оно практически отсутствует. При действии магнитного поля в тканях тела индуцируются магнитно наведенные электрические поли, напряженность которых пропорциональна напряженности магнитного поля, его частоте и радиальному расстоянию от оси тела.

Для второго диапазона частот характерно также поглощение энергии электромагнитного поля преимущественно поверхностными структурами тела. При этом с увеличением частоты величина поглощенной энергии, а следовательно, и поглощенная мощность возрастают приблизительно пропорционально квадрату частоты.

Характерной особенностью третьего диапазона частот является возникновение выраженных интерференционных явлений, приводящих к существенным различиям как в величине общего поглощения энергии, так и в ее распределении в теле. Максимальное поглощение энергии имеет место в случае резонансного поглощения при определенном соотношении длины волны с размерами биологического объекта. При этом поглощенная энергия распределяется в теле весьма неравномерно, образуя области так называемых горячих пятен.

Для четвертого диапазона частот характерно быстрое затухание энергии при прохождении ее через ткани. При общем облучении энергия проникает в ткани примерно на глубину 0,1—0,01 длины волны. Удельное поглощение энергии в этом случае не зависит от размеров и формы тела.

Электромагнитные колебания, относящиеся к пятому диапазону частот, поглощаются самыми поверхностными слоями кожи. Вызываемые кии эффекты связывают исключительно с раздражением рецепторов кожи или действием на биологически активные точки.

Под действием радиочастот возникают реакции организма, характеризующие проявление радиоволновой чувствительности, реакции, отражающие явления адаптационного характера, а также реакции, указывающие на развитие радиоволновых поражений. Установить четкие границы между ними трудно, особенно при применении электромагнитных излучений в лечебных целях. Некоторые эффекты, связанные с воздействием на организм излучения высокой интенсивности, могут представлять опасность для организма.

В связи с существенным различием в характере поглощения энергии электромагнитного поля на разных частотах, а следовательно, и в значениях удельной поглощенной мощности развитие тепловых эффектов возможно при существенно отличающихся значениях внешних полей. В области резонансных частот порог возникновения отчетливых термических эффектов лежит для человека в диапазоне интенсивностей 5—11 мет/см 2 , для животных средних размеров — 2,5—5 мвт/см 2 , для мелких животных — 0,5—1 мвт/см 2 . С тепловыми эффектами связывают физиологические и биохимические реакции, а также морфологические, изменения, наибольшая выраженность которых проявляется в структурах или органах с низким уровнем метаболических процессов, слабой васкуляризацией (хрусталик, стекловидное тело глаза, желчный пузырь) и высокой чувствительностью к повышению температуры (семенники, некоторые структуры мозга). Характерным проявлением теплового действия СВЧ-излучений являются нарушение процессов сперматогенеза, развитие экспериментальной язвы желудка у животных, образование катаракты.

Наиболее полно изучено биологическое действие СВЧ-излучений. Самыми чувствительными по отношению к указанному диапазону частот являются центрально-нервная система, сердечно-сосудистая в иммунная системы. Все биологические эффекты, возникающие при действии СВЧ-излучений, принято подразделять на две основные группы: тепловые, развитие которых обусловлено существенным нагревом тканей, и нетепловые, возникающие при относительно низкой интенсивности воздействия и не сопровождающиеся интегральным повышением температуры тела.

Реакции организма, возникающие при действии нетепловых интенсивностей (специфическое действие микроволн), связывают с поляризацией мембран, изменением их проницаемости, в том числе селективного характера, с возникновением химических или структурных изменений в синаптическом аппарате, в энзимах.

Все большее распространение приобретает концепция, согласно которой в основе реакций организма, возникающих при действии микроволновых излучений, лежат энергетические процессы и процессы передачи информации. К энергетическим процессам относят изменения и реакции, возникновение которых всецело определяется количеством поглощенной энергии или мощностью электромагнитного излучения. Процессы передачи информации составляют основу реакций, при которых эффект воздействия электромагнитного излучения осуществляется через один из каналов передачи и обработки информации (например, точки акупунктуры, нервную, нейроэндокринную, гуморальную и некоторые другие системы).

Вопрос о безопасных уровнях электромагнитных излучений продолжает оставаться предметом дискуссий и решается в разных странах по-разному. Действующие в мировой практике гигиенические нормативы в виде стандартов, санитарных правил, рекомендаций, устанавливающих предельно допустимый уровень (ПДУ) электромагнитных излучений радиочастот, предусматривают различное решение вопроса о контингентах лиц, применительно к которым осуществляется регламентация. Стандарты большинства западноевропейских стран устанавливают ПДУ лишь для персонала, обслуживающего источники электромагнитных излучений. В некоторых странах действие одних и тех же нормативных актов распространяется как на персонал, так и на население (например, в США). Стандарты ряда социалистических стран (ЧССР, ПНР), а также Швеции устанавливают ПДУ радиоволновых воздействий для двух контингентов лиц: профессионально связанных с воздействием этого фактора и населения.

В СССР и ряде социалистических стран в зависимости от места и условий воздействия принято различать четыре вида облучения: профессиональное, непрофессиональное, облучение в быту и осуществляемое в лечебных целях.

Для диапазона частот 300 Мгц — 300 Ггц в качестве нормируемых параметров облучения установлены: для населения в целом — интенсивность излучения ила плотность потока энергии (ППЭ, мквт*см -2 ); для различных категорий работающих наряду с интенсивностью нормируется энергетическая нагрузка (Эw). Последняя представляет собой произведение ППЭ падающего излучения на время (Т) его воздействия: Эw=ППЭ *T и выражается в вт*час/м -2 (мквт*час/м -2 ). Гигиеническими нормативами установлены предельные значения как ППЭ, так и Эw. В диапазоне их допустимых значений величина ПДУ облучения определяется по формуле: ПДУппэ = Эw/T; T = Эw/ПДУппэ

В диапазоне частот до 300 Мгц в качестве нормируемых параметров используются напряженности Е и H поля.

Клинические проявления радиоволновых воздействий

Клинические проявления радиоволновых воздействий наиболее полно исследованы в отношении действия СВЧ-полей. В абсолютном большинстве стран «радиоволновая болезнь» как профессиональное заболевание не значится. Некоторые исследователи считают возможным выделять радиоволновой синдром. Принято различать две формы расстройств: острую и хроническую. Хроническую форму подразделяют на три степени: легкую, средней тяжести и тяжелую. Четкие критерии этого деления отсутствуют.

Острые формы поражений встречаются крайне редко. Их возникновение связано с аварийными ситуациями или грубым нарушением правил техники безопасности. Характерным для них является выраженная полисиндромность. Наиболее часто наблюдаются остроразвивающееся астеноневротическое состояние и нарушение функций сердечно-сосудистой системы. При относительно низких уровнях воздействия возникают головокружение, слабость, головная боль, тошнота, которые нередко сочетаются с изменением ритма сердечных сокращений (тахикардией, реже брадикардией), изменениями АД. При этом первоначально развивающаяся гипертензивная реакция быстро сменяется гипотонией. Наблюдаются местные ангиоспазмы. Возникшие нарушения отличаются стойкостью и сохраняются до 1,5—2 месяцев. При весьма интенсивных воздействиях (порядка сотен мвт/см 2 или нескольких вт/см 2 ) наряду с перечисленными симптомами возможны развитие катаракты и поражение семенников. Специфические клинические признаки радиоволновой патологии не установлены.

Для клинической картины хронические воздействия повышенных уровней радиоволновых излучений характерно развитие астенических состояний в вегетативных расстройств, главным образом со стороны сердечно-сосудистой системы (радиоволновой синдром). Наряду с общей астенизацией, характеризующейся слабостью, повышенной утомляемостью, беспокойным сном, у больных часто возникают головные боли, ослабление памяти, головокружения, психоэмоциональная лабильность, боли в области сердца, повышенная потливость, снижение аппетита; реже отмечаются расстройства менструального цикла, снижение сексуальной потенции. Объективными признаками заболевания являются акроцианоз, регионарный гипергидроз, похолодание кистей и стоп, тремор век и пальцев рук, лабильность пульса и артериального давления с наклонностью к брадикардии и гипотонии, извращение реакций сосудов на Холодовой раздражитель, приглушение тонов сердца, диэнцефальные кризы, изменение функции щитовидной железы (гиперфункция), половых желез и гипоталамо-гипофизарно-адреналовой системы. Характерным признаком считают нестабильность количества лейкоцитов в крови, которая может проявляться как лейкопенией, так и лейкоцитозом.

Диагноз острого поражения СВЧ-полем ставят на основании данных профессионального анамнеза (специальность, возможные уровни и время облучения в случае аварийной ситуации или нарушения правил техники безопасности), жалоб больного и результатов всестороннего обследования. При проведении дифференциальной диагностики необходимо исключить причины, которые могут обусловить развитие сходных нарушений (перегревание, острые интоксикации, другие профвредности). Решающее значение при установлении диагноза хронические поражения имеют профессиональный анамнез и данные периодических медицинских осмотров.

Лечение. Патогенетически обоснованной схемы лечения не существует. В случае острых поражений первый этап включает мероприятия неотложной помощи, направленные на устранение и предупреждение нарушений сердечно-сосудистой системы. При легких поражениях показаны седативные, симптоматические и общеукрепляющие средства. В случае выраженной патологии показано лечение в стационаре с последующим временным переводом на работу, не связанную с воздействием электромагнитного поля радиочастот. При отсутствии лечебного эффекта, а также при выраженных формах заболеваний после лечения показан перевод на работу вне контакта с профессиональными вредностями.

Предупреждение неблагоприятного действия электромагнитных излучений радиочастот достигается системой гигиенических, лечебно-профилактических и инженерно-технических мероприятий. Гигиенические мероприятия предусматривают установление ПДУ для соответствующих категорий лиц, профессионально связанных и не связанных с воздействием электромагнитных излучений, а также для населения, осуществление метрологического контроля за соблюдением ПДУ, проверку эффективности этих мероприятий, обоснование режима труда и отдыха лиц, профессионально связанных с воздействием этого фактора. Применительно к этой категории лиц существенное значение имеют лечебно-профилактические мероприятия, предусматривающие проведение предварительных и периодических медицинских осмотров (см. Медицинский осмотр). Инженерно-технические мероприятия предусматривают осуществление комплекса защитных мер, направленных на снижение уровней электромагнитных излучений на рабочих местах персонала и на селитебных территориях до значений, не превышающих ПДУ. Снижение уровней электромагнитных излучений достигается за счет удаления работающих от источников излучений; применения поглощающих энергию эквивалентных нагрузок; осуществления метрологического контроля В зоне рабочих мест в сроки, установленные нормативными документами. В зависимости от частоты электромагнитных колебаний и природы излучения применяются экранирующие или радиопоглощающие материалы различного типа. Для защиты от СВЧ-полей, УВЧ-полей и ВЧ-полей, а также электрической составляющей электромагнитных колебаний низких и сверхнизких частот используются металлические экраны; для защиты от магнитных полей — материалы с низкой магнитной проницаемостью (листовая сталь, ферромагнетики). В случае невозможности снижения уровней электромагнитных излучений до значений, установленных ПДУ, применяются индивидуальные средства защиты (радиозащитные очки, щитки, радиозащитные комбинезоны). Контроль за соблюдением ПДУ на предприятиях осуществляется ведомственными санитарно-промышленными лабораториями, в лечебных и научно-исследовательских учреждениях — специализированными лабораториями СЭС. Последние контролируют также селитебные территории (см. Санитарный надзор).

Библиогр.: Биологическое действие электромагнитных излучений, под ред. Б. М. Савина и Г. А. Степанского, М., 1978; Введение в электромагнитную биологию, под ред. Г. Ф. Плеханова, Томск, 1979; Гигиена труда при воздействии электромагнитных полей, под ред. В. Е. Ковшило. М., 1983, библиогр.; Гуськова А. К. и Кочанова Б. М. Некоторые аспекты этиологической диагностики профессионального заболевания в связи с воздействием микроволнового излучения, Гиг. труда и проф. заболев., № 3, с. 14, 1976; Давыдов Б. И., Тихончук В. С. и Антипов В. В. Биологическое действие, нормирование и защита от электромагнитных излучений, М., 1984; Думанский Ю. Д., Сердюк А. М. и Лось И. П. Влияние электромагнитных полей радиочастот на человека, Киев, 1975, библиогр.; Методологические вопросы гигиенического нормирования электромагнитных излучений радиочастотного диапазона, под ред. Б. М. Савина, М., 1980; Толгская М. С. и Гордон 3. В. Морфологические изменения при действии электромагнитных волн радиочастот, М., 1971; Biological effects and dosimetry of nonionizing radiation: Radiofrequency and Micro ware energies, ed. by M. Grandolfo a. o., N. Y.—L., 1983; Nonionizing radiation protection, ed. by M. J. Suess, Copenhagen, 1982.