Електромагнітна взаємодія належить до чотирьох фундаментальних видів взаємодій, що існують у природі. Вона виявляється між частинками, які мають електричний заряд, і визначає структуру речовини (зв'язує електрони та ядра в атомах і атоми в молекулах), хімічні й біологічні процеси. Різні агрегатні стани речовини, сили пружності, тертя тощо так само визначаються електромагнітною взаємодією. Електромагнітна взаємодія здійснюється за допомогою електромагнітного поля.
Що таке електромагнітне поле
Електромагнітне поле — форма існування матерії, за допомогою якої здійснюється взаємодія між зарядженими частинками.
Умовно прийнято, що електромагнітне поле має дві складові (дві форми виявлення): електричну, яка характеризується впливом поля на рухомі та нерухомі заряджені частинки, і магнітну, яка характеризується впливом тільки на рухомі заряджені частинки. Згадаємо основні властивості складових електромагнітного поля.
Електричне поле — складова електромагнітного поля, яка характеризується дією на заряджену частинку із силою Fex, що прямо пропорційна заряду q частинки: F^=qE. Основною властивістю електричного поля є силовий вплив на заряджені частинки. Відповідно основною характеристикою електричного поля є вектор напруженості Е електричного поля.
Якщо взяти ебонітову паличку та потерти її об шматочок вовни, то паличка набуде електричного заряду і навколо неї виникне електричне поле. Отже, джерелом електричного поля є електричний заряд (будь-яка частинка, що має заряд, або заряджене тіло). Лінії напруженості електричного поля, створеного зарядом, починаються на позитивному заряді або в нескінченності й закінчуються на негативному заряді або в нескінченності (див. рис. 2.5, 2.6).
Джерелом електричного поля є також змінне магнітне поле.
Лінії напруженості електричного поля, створеного змінним магнітним полем, замкнені (це поле є вихровим) й утворюють лівий гвинт із вектором магнітної індукції магнітного поля, якщо магнітна
індукція збільшується (див. рис. 22.1, а), і правий гвинт, якщо магнітна індукція зменшується (див. рис. 22.1, б).
Магнітне поле — складова електромагнітного поля, яка характеризується дією на рухомі заряджені частинки із силою, модуль якої є прямо пропорційним заряду q та швидкості υ руху частинки, а напрямок визначається за правилом лівої руки. (Ви вже знаєте, що ця сила має назву сила Лоренца: Fn = f/Busina.) Основною характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції В.
Джерела магнітного поля — рухомі заряджені тіла й частинки та намагнічені тіла. Лінії магнітної індукції поля завжди замкнені (магнітне поле є вихровим) й утворюють правий гвинт із напрямком руху позитивно зарядженої частинки та лівий гвинт із напрямком руху негативно зарядженої частинки (рис. 25.1). Лінії магнітної індукції виходять з північного полюсу намагніченого тіла і входять у південній (див. рис. 18.6, а). У чому полягає гіпотеза Максвелла Намагаючись перекласти чіткою математичною мовою результати дослідів Фарадея та інших учених, видатний англійський фізик Джеймс Клерк Максвелл (рис. 25.2) припустив, що причиною виникнення електричного струму в дослідах Фарадея є наявність вихрового електричного поля, створеного змінним магнітним полем. Керуючись принципом симетрії, Максвелл висунув гіпотезу про те, що й змінне електричне поле створює магнітне поле.
Рис. 25.3. Напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля: а — напруженість електричного поля збільшується; б — напруженість електричного поля зменшується
Згодом ця гіпотеза одержала блискуче експериментальне підтвердження. Згідно з теорією Максвелла лінії магнітної індукції магнітного поля утворюють правий гвинт із вектором напруженості електричного поля, якщо напруженість електричного поля збільшується (рис. 25.3, а), і лівий — якщо напруженість поля зменшується (рис. 25.3, б).
Спираючись на той факт, що електричне поле породжується змінним магнітним полем, а магнітне поле — змінним електричним, Максвелл дійшов висновку: електричне та магнітне поля не існують окремо, незалежно одне від одного,— існує єдине електромагнітне поле.
На частинку, що має заряд q і рухається в електромагнітному полі, діє зведена сила Лоренца F3в, яку можна визначити за формулою:
де
електрична складова зведеної сили Лоренца;
магніт
на складова зведеної сили Лоренца.
Електромагнітне поле має властивість неперервності: якщо в деяких точках А і В простору існує електромагнітне поле, то воно існує й у просторі між цими точками. Електромагнітне поле поширюється в просторі зі скінченною швидкістю, яка у вакуумі дорівнює швидкості поширення світла — 3 108 м/с.
У чому відносність електричного і магнітного полів Існування єдиного електромагнітного поля, а не окремих магнітного та електричного полів підтверджується тим фактом, що вияв у просторі тільки електричної або тільки магнітної складової поля залежить від вибору системи відліку (СВ).
Уявіть, що ви передали деякому тілу електричний заряд і, тримаючи це тіло в руках, йдете до свого товариша. Якби наші органи зору мали здатність завжди бачити електромагнітне поле, то ви бачили б тільки одну його складову — електричне поле, оскільки відносно вас заряд є нерухомим. Водночас ваш товариш бачив би як електричне, так і магнітне поле, тому що відносно нього заряд рухається.
Нехай тепер ваш товариш візьме в руки постійний магніт і понесе його до вас. Тепер він «бачитиме» тільки магнітне поле, ви ж — і магнітне, і електричне, оскільки відносно вас магнітне поле буде змінним. Водночас ви ніколи не знайдете СВ, відносно якої обидві складові електромагнітного поля зникли би, адже електромагнітне поле матеріальне. Це можна порівняти з розгляданням медалі. Ми ж не думаємо, що в неї немає зворотного боку. Є! Просто в деякий момент ми його не бачимо. Підбиваємо підсумки
Електромагнітне поле — форма існування матерії, за допомогою якої здійснюється взаємодія між зарядженими частинками.
Умовно прийнято, що електромагнітне поле має дві складові — електричну (електричне поле), яка характеризується впливом поля як на рухомі, так і на нерухомі заряджені частинки, і магнітну (магнітне поле), яка характеризується впливом тільки на рухомі заряджені частинки. Електричне та магнітне поля не існують окремо, незалежно одне від одного; існує єдине електромагнітне поле.
Контрольні запитання
1. Дайте визначення електромагнітного поля, назвіть його умовні складові.
2. Дайте визначення електричного поля. Яка фізична величина є його силовою характеристикою? 3. Назвіть джерела електричного поля. Що собою являють лінії напруженості поля, створеного кожним типом джерел? Як визначити їх напрямок? А Дайте визначення магнітного поля. Яка фізична величина є його силовою характеристикою? 5. Назвіть джерела магнітного поля. Що собою являють лінії магнітної індукції поля, створеного кожним типом джерел? Як визначити їх напрямок? б. У чому полягає гіпотеза Дж. Максвелла?7. Назвіть основні властивості електромагнітного поля. 8. Наведіть приклади, що підтверджують відносність електричного та магнітного полів.
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ РОЗДІЛУ з «ЕЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ. ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ»
1. Вивчаючи розділ 3, ви поглибили свої знання про магнітне поле.
Магнітне поле — це складова електромагнітного поля, завдяки якій здійснюється взаємодія між зарядженими частинками або тілами, що рухаються
2. Фізичні величини, які характеризують магнітне поле:
3. Сили, що діють з боку магнітного поля:
4. Ви повторили досліди Фарадея, вивчили явище електромагнітної індукції
та його окремий випадок — явище самоіндукції.
Явище електромагнітної індукції — явище виникнення ЕРС індукції під час зміни магнітного потоку, який пронизує контур
5. Ви дізналися, що напрямок індукційного струму визначається за правилом Ленца.
6. Ви встановили, що енергія магнітного поля провідника зі струмом дорівнює:
7. Ви дізнались, що електричне та магнітне поля — це дві форми прояву єдиного електромагнітного поля.
Електромагнітне поле — форма існування матерії, за допомогою якої здійснюється взаємодія між зарядженими частинками
ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ ДО РОЗДІЛУ З «ЕЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ. ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ»
Завдання 1. (1 бал) Поблизу нерухомого провідника зі струмом існує:
а) тільки електричне поле; в) електричне та магнітне поля;
б) тільки магнітне поле; г) не існує полів.
if(2 бали) Два дроти завдовжки 10 м кожний розташовані на відстані 0,5 м один від одного. Знайдіть силу струму в кожному дроті, якщо в першому дроті вона у два рази більша, ніж у другому, а дроти взаємодіють із силою 2 10“ Н.
(4 бали) Доведіть, що коли в двох паралельних провідниках течуть струми протилежних напрямків, то провідники відштовхуються.
Завдання 2. Електрон пролітає крізь плоский конденсатор, відстань між пластинами якого 2,4 см (рис. 1). Швидкість руху електрона напрямлена паралельно пластинам. Усередині конденсатора створене магнітне поле з індукцією 5,0 10“ Тл, напрямленою до спостерігача. Дією сили тяжіння знехтуйте.
(2 бал) На електрон з боку магнітного поля діє:
а) сила Кулона; в) сила Лоренца;
б) сила Ампера; г) сила тертя.
(З бали) Якщо на конденсаторі створюється напруга 36 В, то електрон
буде рухатися прямолінійно та паралельно пластинам конденсатора. Визначте швидкість руху електрона.
(4 бали) Зобразіть траєкторію руху електрона та визначте період його обертання, якщо напруга на пластинах конденсатора відсутня.
if(4 бали) Яким буде крок гвинтової лінії, яку описує електрон під час руху, якщо електрон влітає в магнітне поле зі швидкістю 3,0 104 м/с, напрямленою під кутом 30° до напрямку ліній індукції магнітного поля. Під час руху електрона напруга на пластинах конденсатора відсутня.
Завдання 3. На рис. 2 зображено конструкцію, що складається з товстих провідних паралельних рейок (відстань між рейками 0,2 м), які з’єднані провідною перемичкою MN та конденсатором. Уся конструкція розташована в постійному магнітному полі індукцією 0,8 Тл. Під час переміщення перемички в ній виникає ЕРС індукції.
(2 бали) Обчисліть значення ЕРС, що виникає в перемичці, якщо швидкість руху перемички дорівнює 0,1 м/с.
(4 бали) Обчисліть заряд, який накопичується на конденсаторі, підключеному до рейок, якщо перемичка рухається зі швидкістю 0,1 м/с. Ємність конденсатора 1000 мкФ.
Завдання 4. Надпровідну котушку індуктивністю 30 мГн приєднують до джерела струму. Через певний проміжок часу сила струму в котушці сягає 50 А.
(2 бал) У той момент, коли сила струму в котушці збільшиться до вказаного значення, магнітний потік через котушку дорівнює:
а) 0; б) 0,6 Вб; в) 1,5 Вб; г) 1500 Вб.
(4 бали) Через який інтервал часу сила струму в котушці досягне вказаного значення, якщо ЕРС джерела струму 15 В, а його опір нехтовно малий?
Звірте ваші відповіді з наведеними наприкінці підручника. Позначте завдання, які ви виконали правильно, і полічіть суму балів. Потім цю суму поділіть на 2 (академічний рівень) або на 2,5 (профільний рівень). Одержане число відповідатиме рівню ваших навчальних досягнень.
Це матеріал з підручника Фізика 11 клас Бар'яхтар