Справочник от Автор24
Найди эксперта для помощи в учебе
Найти эксперта
+2

Электромагнетизм

Теория электромагнетизма в ее классическом понимании сформировалась в XIX веке. Это фундаментальное учение о том, как устроен наш мир.

Значение электромагнетизма заключается в том, что:

  1. Философское и мировоззренческое значение данной теории придает описание электромагнитного поля, как особой формы существования материи.
  2. Электромагнетизм играл значимую роль в появлении и развитии теории относительности.
  3. Данный раздел физики играет большую роль в научно – техническом прогрессе.
Замечание 1

Курс «Электромагнетизма» длительное время остается консервативным. Причиной тому служит завершенность теории.

Определение 1

Электромагнетизмом называют раздел физики, который посвящен изучению законов и явлений, связанных с электрическими и магнитными полями, их связью и взаимозависимостью.

Фундаментальными понятиями теории электромагнетизма являются:

  • заряд;
  • электрическое поле;
  • потенциал;
  • энергия поля;
  • электромагнитное взаимодействие;
  • магнитное поле;
  • магнитная индукция;
  • электромагнитное поле и др.

К основным законам электромагнетизма можно отнести следующие:

  • закон Кулона;
  • закон Ампера;
  • закон Био-Савара-Лапласа;
  • закон Ома;
  • закон индукции Фарадея;
  • уравнения Максвелла.

Закон Кулона

Обобщая результаты экспериментов с крутильными весами, Кулон предложил закон, в соответствии с которым пара точечных зарядов (рис.1) q1 и q2, находящихся в вакууме действуют друг на друга с силами равными F, направленными вдоль прямой, которая соединяет рассматриваемые заряды, при этом:

F12=14πε0q1q2|r2r1|3(r2r1)=F21(1),

где ϵ0=8,851012 Ф/м – электрическая постоянная; F12 - сила, действующая на заряд q2 со стороны заряда q1.

Закон Кулона. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 1. Закон Кулона. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

«Электромагнетизм» 👇
Помощь эксперта по теме работы
Найти эксперта
Решение задач от ИИ за 2 минуты
Решить задачу
Помощь с рефератом от нейросети
Написать ИИ
Замечание 2

Одноименные заряды отталкиваются, противоположные притягиваются.

Закон Кулона – это основной закон электростатики.

Для вычисления сил взаимодействия заряженных тел произвольных форм и размеров используют принцип суперпозиции, который можно сформулировать следующим образом:

Взаимодействие пары точечных зарядов не изменяется, если внести третий заряд. Он будет взаимодействовать с первыми двумя зарядами.

Закон Ампера

Датский физик Г. Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка, при нахождении рядом с проводом с током может поворачиваться. Данное открытие стало основанием для вывода о связи магнитных и электрических явлений. Основным в открытии Эрстеда было то, что магнит реагировал на перемещающийся электрический заряд. Появилось понимание того, что магнитное поле создается перемещающимся зарядом.

Проводя анализ экспериментов Эрстеда, А. Ампер выдвинул гипотезу о том, что земной магнетизм порождается токами, которые обтекают нашу планету в направлении с запада на восток.

Вывод был сделан следующий:

Магнитные свойства каждого тела определены замкнутыми электрическими токами в нем.

Ампер установил, что два проводника с токами взаимодействуют. Если токи в параллельных проводниках однонаправленные, то эти проводники притягиваются.

Результатом экспериментов Ампера стал закон, который назвали его именем.

Сила взаимодействия пары контуров с током зависит от силы тока в каждом контуре и уменьшается при увеличении расстояния между рассматриваемыми контурами:

dF12=μ04πI1I2(dl2×(dl1×r12)r123(2),

где μ0=4π107 Н/A2 - магнитная постоянная; dF12 – сила, с которой первый элемент с током действует на второй. Выражение (2) содержит двойное векторное произведение; I1;I2 - силы токов, которые текут в проводниках; I1dl1; I2dl2 - элементы токов (рис.2).

Закон Ампера. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 2. Закон Ампера. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Закон Био – Савара – Лапласа

Проводники с током воздействуют друг на друга, посредством магнитных полей, которые их окружают.

Введем векторную величину B, которая будет характеристикой магнитного поля. Для этого параметра поля был установлен экспериментально закон, который получил название по именам его первооткрывателей, закон Био – Савара- Лапласа:

dB=μ04πIdlr2sinα(3),,

где Idl - элемент с током, который создает магнитное поле; r - расстояние до точки в которой поле рассматривается поле; α - угол между векторами dl и r.

Полученный вектор индукции нормален к векторам dl и r, его направление определяют при помощи правила буравчика:

Если правый винт поворачивать по направлению тока, то вектор индукции в каждой точке параллелен направлению бесконечно малого перемещения конца рукоятки буравчика.

Замечание 3

Закон Био – Савара- Лапласа играет такую же роль в магнитостатике, как закон Кулона в электростатике.

Закон Ома

В начале XIX века Г. Ом рассматривая процессы течения электрического тока в цепи, имеющей источник установил, что:

I=Ɛr+R(4),

где I - сила тока в цепи; Ɛ - электродвижущая сила источника тока; r - внутреннее сопротивление источника; R - сопротивление цепи (внешнее). Выражение (4) описывает ситуацию в замкнутой цепи.

Если рассматривать участок цепи, по которому течет ток, то закон Ома представляется в виде:

I=UR(5).

где U - напряжение участка; R - сопротивление участка.

Если участок цепи содержит источник, то закон Ома предстанет в виде:

IR=ƐIr(6).

Выражение (6) означает, что напряжение на нагрузке меньше ЭДС на величину, равную падению напряжения (Ir) на внутреннем сопротивлении источника.

Закон Ома в виде (4-6) называют законом в интегральной форме.

Закон Ома в дифференциальной форме можно записать как:

j=1ρE(7),

где j - вектор плотности тока; ρ – удельное сопротивление проводника; E - вектор напряженности электрического поля.

Закон индукции Фарадея

Электромагнитная индукция была открыта Фарадеем в 1881 году.

Фарадей понимал электромагнитную индукцию как возбуждение токов в проводниках под воздействием магнитного поля.

Экспериментально доказано, что электродвижущая сила (ЭДС) (Ɛ) индукции в контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока сквозь рассматриваемый контур. В Международной системе единиц (СИ) данный результат выражен формулой:

Ɛ=dФdt(8),

где Ф -переменный магнитный поток через замкнутый контур или его часть.

В общем случае изменение магнитного потока сквозь плоский контур вызвано:

  • переменным во времени магнитным полем;
  • движением контура в поле и переменой его ориентации.

Уравнения Максвелла

Максвелл доказал, что сущностью электромагнитной индукции стало создание магнитным полем вихревого электрического поля. Индукционный ток является вторичным эффектом, который появляется в проводящих веществах. Трактовка электромагнитной индукции, которую дал Максвелл стала более общей.

Уравнения Максвелла стали математическим основанием классического электромагнетизма.

Запишем их в виде системы:

rotE=Bt(9),

rotH=j+Dt(10),

divD=ρ(11),

divB=0(12).

В выражениях (9)- (12) мы имеем: E и D - напряженность и индукция электрического поля;

H и B - напряженность и магнитная индукции;

ρ - объемная плотность электрического заряда;

j - плотность тока.

Уравнения Максвелла у нас представлены в дифференциальной форме. Для однозначного описания электромагнитных полей уравнения Максвелла дополняют материальными уравнениями среды. В общем виде они записываются в виде функций:

D=D(E); B=B(H); j=j(E).

Дата последнего обновления статьи: 18.04.2024
Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответов
Крупнейшая русскоязычная библиотека студенческих решенных задач
Все самое важное и интересное в Telegram

Все сервисы Справочника в твоем телефоне! Просто напиши Боту, что ты ищешь и он быстро найдет нужную статью, лекцию или пособие для тебя!

Перейти в Telegram Bot

Изучаешь тему "Электромагнетизм"? Могу объяснить сложные моменты или помочь составить план для домашнего задания!

AI Assistant