У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад
Электромагнитное поле — история открытия и физические свойства
Электрические и магнитные явления известны человечеству с античных времен, ведь все же видели молнию, и многие древние знали о магнитах, притягивающих некоторые металлы. Багдадская батарейка, изобретенная 4000 лет назад — одно из свидетельств того, что задолго до наших дней человечество электричеством пользовалось, и судя по всему знало как оно работает. Тем не менее, считается, что до начала 19 века электричество и магнетизм рассматривались всегда отдельно друг от друга, принимались как несвязанные между собой явления, и относились к различным разделам физики.
Изучение магнитного поля началось в 1269 году, когда французский учёный Пётр Перегрин (рыцарь Пьер из Мерикура) отметил магнитное поле на поверхности сферического магнита, применяя стальные иглы, и определил, что получающиеся линии магнитного поля пересекались в двух точках, которые он назвал «полюсами» по аналогии с полюсами Земли.
Эрстед в своих экспериментах только в 1819 году обнаружил отклонение стрелки компаса, расположенного вблизи проводника с током, и тогда ученым был сделан вывод о том, что существует некая взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями.
Спустя 5 лет, в 1824 году, Ампер сумел математически описать взаимодействие токонесущего проводника с магнитом, а также взаимодействие проводников между собой, так появился Закон Ампера: «сила, действующая на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, пропорциональна длине проводника, вектору магнитной индукции, силе тока и синусу угла между вектором магнитной индукции и проводником».
Относительно действия магнита на ток, Ампер предположил, что внутри постоянного магнита присутствуют микроскопические замкнутые токи, которые и создают магнитное поле магнита, взаимодействующее с магнитным полем токонесущего проводника.
Еще через 7 лет, в 1831 году, Фарадей опытным путем обнаружил явление электромагнитной индукции, то есть ему удалось установить факт появления в проводнике электродвижущей силы в момент, когда на этот проводник действует изменяющееся магнитное поле. Смотрите — практическое применение явления электромагнитной индукции.
Например двигая постоянный магнит возле проводника, можно получить в нем пульсирующий ток, а подавая пульсирующий ток в одну из катушек, на общем железном сердечнике с которой находится вторая катушка, во второй катушке также появится пульсирующий ток.
Через 33 года, в 1864 году, Максвелл сумел обобщить математически уже известные электрические и магнитные явления, — он создал теорию электромагнитного поля , согласно которой электромагнитное поле включает в себя взаимосвязанные электрическое и магнитное поля. Так, благодаря Максвеллу, стало возможным научное математическое объединение результатов предшествующих экспериментов в электродинамике.
Следствием этих важных выводов Максвелла явилось его предсказание о том, что в принципе любое изменение в электромагнитном поле должно порождать электромагнитные волны, которые распространяются в пространстве и в диэлектрических средах с некоторой конечной скоростью, которая зависит от магнитной и диэлектрической проницаемостей среды распространения волн.
Для вакуума эта скорость оказалась равна скорости света, в связи с чем Максвелл предположил, что свет — это тоже электромагнитная волна, и данное предположение позже подтвердилось (хотя еще за долго до экспериментов Эрстеда на волновую природу света указывал Юнг).
Максвелл же создал математическую основу электромагнетизма, и в 1884 году появились знаменитые уравнения Максвелла в современной форме. В 1887 году Герц подтвердит теорию Максвелла относительно электромагнитных волн: приемник зафиксирует посланные передатчиком электромагнитные волны.
Изучением электромагнитных полей занимается классическая электродинамика. В рамках же квантовой электродинамики электромагнитное излучение рассматривается как поток фотонов, в котором электромагнитное взаимодействие переносится частицами-переносчиками — фотонами — безмассовыми векторными бозонами, которые можно представить как элементарные квантовые возбуждения электромагнитного поля. Таким образом, фотон — это квант электромагнитного поля с точки зрения квантовой электродинамики.
Электромагнитное взаимодействие представляется сегодня одним из фундаментальных взаимодействий в физике, а электромагнитное поле — одно из фундаментальных физических полей наряду с гравитационным и фермионным.
Физические свойства электромагнитного поля
О наличии электрического, или магнитного, или и того и другого поля в пространстве можно судить по силовому действию со стороны электромагнитного поля на заряженную частицу или на ток.
Электрическое поле действует на электрические заряды, как на подвижные, так и на неподвижные, с определенной силой, зависящей от напряженности электрического поля в данной точке пространства в данный момент времени, и от величины пробного заряда q.
Зная силу (величину и направление), с которой электрическое поле действует на пробный заряд, и зная величину заряда, можно найти напряженность E электрического поля в данной точке пространства.
Электрическое поле создается электрическими зарядами, его силовые линии начинаются на положительных зарядах (условно проистекают от них), и заканчиваются на отрицательных зарядах (условно втекают в них). Таким образом, электрические заряды — это источники электрического поля. Еще одним источником электрического поля является изменяющееся магнитное поле, о чем математически свидетельствуют уравнения Максвелла .
Сила, действующая на электрический заряд со стороны электрического поля — это часть силы, действующей на данный заряд со стороны электромагнитного поля.
Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами (токами), либо изменяющимися во времени электрическими полями (об этом свидетельствуют уравнения Максвелла), и действует только на движущиеся электрические заряды.
Сила действия магнитного поля на движущийся заряд пропорциональна индукции магнитного поля, величине движущегося заряда, скорости его движения и синусу угла между вектором индукции магнитного поля B и направлением скорости движения заряда. Данная сила часто называется силой Лоренца , однако является лишь «магнитной» ее частью.
На самом деле сила Лоренца включает в себя электрическую и магнитную составляющие. Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами (токами), его силовые линии всегда замкнуты и охватывают ток.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад
Эволюция представлений о магнитном поле
При написании статьи использованы материалы статьи В. Околотина [1].
В истории развития теории магнетизма можно выделить (весьма упрощенно) следующие пять этапов развития: Древний мир, Средневековье – 1820 г., Этап Ампера-Вебера, Этап Фарадея-Максвелла, Электродинамика XXI века.
Фалес начинял магниты “душой”, Эмпедокл толковал об “истечениях”, Платон же пояснял, что “божественная сила магнита передаётся к железу, как вдохновение музы от поэта к слушателю”. А чтобы было понятнее, снисходительно добавлял: “. фигуры атомов, истекающих из магнита и железа, так подходят друг к другу, что легко сцепляются между собой; ударившись о твёрдые части магнита или железа, а затем, отскочив в середину, они одновременно и связываются между собой, и влекут железо”.
2. Средневековье – 1820 г.
Первый европейский трактат “О магнитах” от 1269 года почти на треть не устарел и сегодня. Автор Пьетро Перегрино учит нас определять полярность магнита, применять компас и намагничивать железо. Если магнит сломать, обе половинки останутся магнитами. Причину магнитного притяжения Перегрино ищет в космосе, ибо небо магнитно, и каждая его точка отражается в магните, в котором рождается подобие неба.
А средневековый схоласт Аверроэс наделил магнит даром искривлять пространство возле себя сообразно своей форме. Эти искажения (“специи”) друг за другом, слабея, доходят до железа и влияют на него.
Примерно так же думал и медик английской королевы Гильберт. В 1600 году появился его фундаментальный труд, который сделал придворного медика “дедушкой” электричества и магнетизма. Он проделал 600 опытов, и столь богатый посев не мог не дать плодов. Например, шар, выточенный из магнита, действует на компас, как Земля, значит, наша планета – огромный магнитный шар!
Почитатели Гильберта сразу же перенесли магнетизм Земли на другие планеты. По Галилею, Земля оттого и крутится, что магнитна. По Кеплеру, “магнитные истечения Земли создают около неё магнитные силы, проникающие сквозь все тела”, а “гравитация есть сила, подобная магнетизму – взаимному притяжению”. В 1644 году Рене Декарт заселил мир “вихрями тончайшей материи”. С помощью придуманных двух спиралеобразных частиц с тремя витками разного направления удалось ответить на все тогдашние 34 вопроса по магнетизму.
С небольшими отличиями говорил о том же магнитном флюиде Гюйгенс, а ещё лет через сто Эпинус уточнил: магнитная жидкость грубее электрической и потому с трудом течёт сквозь очень мелкие поры. Не увидел ничего общего между этими жидкостями и военный инженер Кулон, хотя найденные им законы взаимодействия зарядов и магнитных масс (масс магнитного флюида) по форме идентичны.
Учёные стали замечать, что удары молнии намагничивают железные предметы. Не давала им покоя и выявленная зависимость силы от квадрата расстояния, общая по форме для масс, зарядов и полюсов магнита. В их головах постепенно, “подспудно” созревала мысль о связи между электричеством и магнетизмом. И вот, наконец, в 1820 году на лекции профессора Эрстеда слушатели вдруг увидели, как стрелка компаса повернулась поперёк провода с током.
3. Этап Ампера-Вебера
Араго, Био, Дэви, Берцелиус, всерьёз доказывали, что провод с током есть магнит. Магнитные заряды не обнаружены и поныне, однако сторонников преобладания магнетизма над электричеством можно найти и среди современных учёных.
Второй путь избрал Ампер. Всего два месяца прошло после публикации Эрстеда, а он уже потряс мир предельно логичными тезисами. Два параллельных тока притягиваются; значит, притяжение разных полюсов магнитов можно объяснить, посчитав магнит круговым током. Эта идея Ампера давала одну-единственную причину, казалось бы, совсем разным явлениям: взаимодействию токов, тока и магнита, двух магнитов. Мало того, вместе с магнетизмом изгонялись и таинственные “поворачивающие силы” – два кусочка провода с токами всегда действовали друг на друга с силой, направленной по связывающей их линии. Заменив магнит круговыми токами (а потом, по совету Френеля, совокупностью молекулярных токов), Ампер пришёл к выводу, что “всякие допущения существования магнитных жидкостей или магнитных сил, отличных от электрических жидкостей и токов, есть концепция, лишённая оснований”. Зачем рассчитывать по току магнитное поле, а по магнитному полю силу его влияния на другой ток? Силу между двумя токами можно определить сразу, выбросив магнитного “посредника” за ненадобностью.
Тем не менее, Амперу не удалось перечеркнуть древний миф о магнетизме, несмотря на помощь таких корифеев, как Грассман, Риман, Ленц, Гаусс, Нейман и Вебер. Тому было, как это видно сейчас, несколько причин. А главная состояла вот в чём. Увлечённый постоянными во времени процессами, Ампер не смог или не успел, в отличие от Фарадея, открыть и объяснить в рамках своей, теории, почему изменение тока в одном проводе приводит к наведению тока в другом.
4. Этап Фарадея-Максвелла
Основные идеи Фарадея
Фарадей спас магнетизм, введя силовые линии. Невидимые линии натянулись в пространстве, словно упругая резиновая сетка, по которой передавалось силовое влияние. Кроме эластичной упругой паутины магнитных линий, Вселенная затянулась такими же сетками “тяготения”, “электростатической индукции” и т. д.
Своими “сетками” Фарадей превратил пространство в активную зону, вмещающую все тела. “Почему медь проводит ток, а сургуч нет?” – спрашивал Фарадей. Атомы меди и сургуча разобщены, далеки друг от друга, и, стало быть, определения “проводит” и “не проводит” относятся не к атомам, а к пространству, обволакивающему вещество. Противоречивость свойств пространства (оно то изолятор, то проводник) Фарадей отнёс за счёт неправильности исходной атомистической теории о независимом существовании тел и пространства. Атомизм пришлось заменить теорией пространства, которое брало на себя все активные функции, не дожидаясь помощи чего-либо другого. Так Фарадей подготовил почву для ещё более радикальных взглядов своих последователей.
Развитие идей Фарадея и их экспериментальное обоснование
Согласно Пойнтингу ток переносит энергию вовсе не в проводнике, а вдоль него снаружи. Столь необычные взгляды до сих пор трудно усвоить. Но с их помощъю удалось объяснить все известные явления и даже предсказать новые! Например, связанные волны электричества и магнетизма пульсируют, достигая антенны радиоприемника, – это сбывшееся пророчество Максвелла разве не подтверждает правоты Фарадея? Отключается источник, но ток в цепи затухает не сразу – значит, деформированная магнитная сетка, распрямляясь, отдаёт запасённую энергию току. Почему при включении постоянный ток нарастает как бы с трудом? Он совершает работу, искривляя магнитную паутину мира, которая (как сжатая пружина) запасает энергию и только ждёт любой возможности, чтобы распрямиться. Почему появляется ток в проводнике, скользящем в магнитном поле? Потому что он “режется” эластичными магнитными линиями – электроэнергия равна механической работе продавливания провода через упругий частокол. Свет – просто-напросто поперечное дрожание электрических и магнитных линий, сообщённое им Солнцем. Слюда увеличивает ёмкость конденсатора, засасывая и сгущая в себе электрическую сетку мира. То же самое проделывает железо с магнитной паутиной.
Некоторые проблемы электродинамики Фарадея-Максвелла
Время от времени подобную методику объяснения электромагнитных явлений приходилось корректировать, но все трудности считались трудностями роста. Уравнения Максвелла годились для неподвижных тел в неподвижном пространстве. Но лаборатория может перемещаться по Земле, сама Земля крутится вокруг Солнца, а Солнце мчится в Галактике и т. д. Силовые сетки надо было к чему-то привязать, а это рождало множество проблем. Драматические поиски выхода из положения привели в конце концов к такой картине мира: жёсткий диэлектрический эфир в пространстве неподвижен, телами не увлекается, но при перемещении сквозь него тела сплющиваются в направлении хода. Работа, затрачиваемая на это укорочение, должна вызывать подток энергии из дальних эфирных зон. Уравнения Максвелла пришлось “подремонтировать”, а скорость света стала независимой от скорости излучателя и приёмника. Несколько позднее было отброшено и представление об эфире, ибо поле перестало нуждаться в особом носителе.
Все эти меры по спасению методики неизбежно повлекли за собой некоторые ограничения кругозора учёных. “Хотя мы всё время интересуемся состоянием среды, заполняющей поле. мы не можем сказать о нём слишком много”, – признался Лоренц и добавил, что “реальной необходимости в этом нет. Поэтому математические соотношения приобретают исключительное значение”.
Ещё большее предпочтение математике за счёт физики сделал Эйнштейн: “. надо допустить, что пространство обладает физическим свойством передавать электромагнитные волны, и не слишком много заботиться о смысле этого утверждения”.
Вклад Г. А. Лоренца в электродинамику. Отказаться от магнетизма вслед за Ампером трудно, а превратить вещество в тень поля, подобно Фарадею, и вовсе невозможно. От Стони, который предложил термин “электрон” и рассчитал заряд одного иона на примере электролиза, демокритовская эстафета о зернистости сущего пришла к Лоренцу.
Забыв свои рекомендации о ненужности гипотез, он в мельчайших деталях разработал великолепную гипотезу об электронах. Так же как Фарадей “видел” силовые линии, так же и Лоренц почти осязал “крайне малые электрически заряженные частички, которые в громадном количестве присутствуют во всех весомых телах”. Электроны несли на себе свои поля, излучали энергию при торможении или ускорении, деформировались в блинообразное тело. При этом заряды на их поверхности перераспределяются, а сами “диски” под давлением эфира стремятся отклониться от трассы, что можно пояснить введением двух масс электрона – продольной и поперечной. Это смелое умозрительное построение блестяще подтвердилось!
На чём базируется современная электродинамика
Сейчас мы уверенно называем электрическим током движение зарядов именно в проводнике. С этих позиций весьма неубедительно выглядят доводы Фарадея о сути различия между сургучом и медью и об исключительной роли пространства. Трудно поверить и в то, что заряд вторичен по отношению к первичному электрическому полю. Невольно усомнишься и в теории Пойнтинга: энергия переноса зарядов сосредоточена вовсе не в самих движущихся зарядах, а вне их – в магнитном поле, распростёршемся в бесконечные дали.
И, тем не менее, на подобных взглядах базируется всё здание современного электромагнетизма! Современным специалистам в разных областях электротехники не так-то легко с первой попытки найти взаимопонимание. Например, при расчёте электрических полей и цепей приходится пользоваться совершенно различной терминологией. Зияет пропасть между классическим электромагнетизмом, преподаваемым в технических вузах, и квантовой электродинамикой.
Всё реже используются образные представления Фарадея о “силовых трубках”. Убран из пространства за ненадобностью эфир Максвелла. Стойко сохраняют последние рубежи магнитные массы Кулона и формулы “дополевых” теоретиков – сторонников дальнодействия. Силы между токами рассчитываются по Амперу, а наведение токов трактуется по диаметрально противоположной методике Фарадея. Энергия тока приравнивается или к энергии движущихся зарядов, или к энергии магнитного поля. Правда, взгляды Пойнтинга предпочтительнее, ибо носителем энергии всё же считается поле.
Критика концепции магнитного поля
Примерно каждый шестой из авторов многочисленных учебников считает, что магнитное поле – это то, что окружает летящий заряд. Каждый пятый называет поле особым состоянием пространства, особым физическим процессом или особым видом движения материи. Остальные же авторы дают более “солидную” формулировку, сводя магнитное поле к полю сил, которые действуют на движущийся заряд или на электрический ток. Все эти определения внушают сомнения.
Представьте, что рядом с магнитом находится заряженная частица. Если она неподвижна, то магнит на неё не действует. Тронулась с места частица, и появилась сила. И она тем значительнее, чем больше скорость частицы. Мало того, изменится направление движения, изменится и направление силы. Короче говоря, в одной и той же точке около магнита сила может принимать любое значение и любое направление в зависимости от скорости и направления движения частицы. Магнитное поле неизменно, а силовое поле переменно.
Критические для теории магнитного поля факты:
• Одно и то же магнитное поле порождает разные силы в зависимости от скорости заряда, поэтому магнитное поле не может быть силовым.
• Один и тот же заряд порождает в одной и той же точке пространства магнитное поле любой величины и направления.
• Магнитного поля в зазоре нет, а провод реагирует на каждый магнит по отдельности (парадокс Бьюли).
В квантовой электродинамике начинают отдавать предпочтение расчётам с помощью векторного и скалярного потенциалов, отходя, таким образом, от электродинамики Фарадея-Максвелла
О некоторых парадоксах электродинамики
Магнитное поле обладает не только определённой интенсивностью, но и направлением, как вода в реке. Совместим две встречные магнитные “реки” одной силы в одном русле. Теоретически они должны как бы погасить друг друга. Однако на практике это происходит далеко не всегда.
Между двумя магнитами, повёрнутыми друг к другу одноимёнными полюсами, находится провод. Магнитное поле в зазоре уничтожено. Однако, если сдвинуть магниты в разные стороны, в проводе наведётся такой ток, словно бы поля магнитов и не думали вычитаться.
А с 1926 года известен другой парадокс. Снаружи очень длинной катушки с током магнитного поля нет, поля отдельных витков как бы компенсируют друг друга. Тем не менее, на частицу, летящую мимо соленоида, действует сила.
5. Электродинамика XXI века
Для создания новой, непротиворечивой, безмагнитной электродинамики, на мой взгляд, необходимо:
1. Отказаться от понятия магнитного поля, как реально существющей материальной сущности. Термин «Магнитное поле» рекомендую заменить на другой термин, скажем на термин «Электродинамическое поле». Вектор индукции магнитного поля В тогда можно будет назвать вектором индукции электродинамического поля. Провести ревизию остальных терминов электродинамики Фарадея-Максвелла с целью максимального использования хорошо зарекомендовавших себя методов расчёта.
2. Понятие силовой линии электродинамического поля оставить в арсенале, как, очевидно, весьма полезное, но лишь в рамках математического формализма.
3. Создать новую теорию распространения электрических (по-старому, электромагнитных) колебаний, отказавшись от схемы Максвелла: Вихр.электр. поле – Ток смещения – Магнитное поле – Вихр. электр. поле и т.д.
4. Признать, наконец-то эфир (физический вакуум плюс светоносный эфир и ещё что-то) объективной реальностью и абсолютной системой отсчёта.
5. Официально признать СТО А. Эйнштейна ложной и на базе ТО Г. Лоренца разработать новую релятивистскую электродинамику.
Предлагаю читателю самому продолжить этот список, чтобы хоть в какой-то мере охватить весь грандиозный план по созданию электродинами XXI столетия.
1. В. Околотин, к.т.н. Теперь это называют магнитным полем.
«Техника–молодёжи», 1973, №12, стр. 20
22.01.2015