Вокруг движущихся электрических. Магнитное поле движущегося заряда

Электрическое поле — это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие электрически заряженных частиц.

Введение понятия электрического поля понадобилось для объяснения взаимодействия электрических зарядов , т. е. для получения ответа на вопросы: почему возникают силы , действующие на заряды, и как они передаются от одного заряда к другому?

Понятия электрического и магнитного полей ввел великий английский физик Майкл Фарадей. Согласно идее Фарадея, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве электрическое поле . Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот. По мере удаления от заряда поле ослабевает.

С введением понятия поля в физике утвердилась теория близкодействия , главным отличием которой от теории дальнодействия является идея о существовании определенного процесса в пространстве между взаимодействующими телами, который длится конечное время.

Идея эта получила подтверждение в работах великого английского физика Дж. К. Максвелла, который теоретически доказал, что электромагнитные взаимодействия должны распространяться в пространстве с конечной скоростью — с , равной скорости света в вакууме (300 000 км/с). Экс-периментальным доказательством этого утверждения явилось изобретение радио.

Электрическое поле возникает в пространстве, окружающем неподвижный заряд, точно так же, как вокруг движущихся зарядов — токов либо постоянных магнитов — возникает магнитное поле. Магнитные и электрические поля могут превращаться друг в друга, образуя единое элект-ромагнитное поле. Электрическое поле (как и магнитное) является лишь частным случаем обще-го электромагнитного поля. Переменные электрические и магнитные поля могут существовать и без зарядов и токов , их породивших. Электромагнитное поле переносит определенную энергию, а также импульс и массу. Таким образом, электромагнитное поле — физическая сущность, обла-дающая определенными физическими свойствами.

Итак, природа электрического поля состоит в следующем:

1. Электрическое поле материально, оно существует независимо от нашего сознания.

2. Главным свойством электрического поля является действие его на электрические заряды с некоторой силой. По этому действию устанавливается факт его существования. Действие поля на единичный заряд — напряженность поля — является одной из его основных ха-рактеристик, по которой изучается распределение поля в пространстве.

Электрическое поле неподвижных зарядов называют электростатическим . Со временем оно не меняется, неразрывно связано с зарядами, его породившими, и существует в пространстве, их окружающем.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Это порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля.
Теория электромагнитного поля создана Джеймсом Максвеллом в 1865 г.
Он теоретически доказал, что:
любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле.
Если электрические заряды движутся с ускорением, то создаваемое ими электрическое поле периодически меняется и само создает в пространстве переменное магнитное поле и т.д.
Источниками электромагнитного поля могут быть:
- движущийся магнит;
- электрический заряд, движущийся с ускорением или колеблющийся (в отличие от заряда движущегося с постоянной скоростью, например, в случае постоянного тока в проводнике, здесь создается постоянное магнитное поле).
Электрическое поле существует всегда вокруг электрического заряда, в любой системе отсчета, магнитное – в той, относительно которой электрические заряды движутся,
электромагнитное – в системе отсчета, относительно которой электрические заряды движутся с ускорением.

ПОПРОБУЙ РЕШИ!

Кусок янтаря потёрли о ткань, и он зарядился статическим электричеством. Какое поле можно обнаружить вокруг неподвижного янтаря? Вокруг движущегося ?

Заряженное тело покоится относительно поверхности земли. Автомобиль равномерно и прямолинейно движется относительно поверхности земли. Можно ли обнаружить постоянное магнитное поле в системе отсчета, связанной с автомобилем?

Какое поле возникает вокруг электрона , если он: покоится; движется с постоянной скоростью; движется с ускорением?

В кинескопе создаётся поток равномерно движущихся электронов. Можно ли обнаружить магнитное поле в системе отсчёта, связанной с одним из движущихся электронов?

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

Это электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью,
зависящей от свойств среды.

Свойства электромагнитных волн:
-распространяются не только в веществе, но и в вакууме;
- распространяются в вакууме со скоростью света (С = 300 000 км/c);
- это поперечные волны;
- это бегущие волны (переносят энергию).

Источником электромагнитных волн являются ускоренно движущиеся электрические заряды.
Колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов.

Каждый проводник с током создает в окружающем пространстве магнитное поле. Электрический же ток представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов. Поэтому можно сказать, что любой движущийся в вакууме или среде заряд создает вокруг себя магнитное поле. В результате обобщения опытных данных

был установлен закон, определяющий поле В точечного заряда Q , свободно движущегося с нерелятивистской скоростью v. Под свободным движением заряда понимается его движение с постоянной скоростью. Этот закон выражается формулой

где r - радиус-вектор, проведенный от заряда Q к точке наблюдения М (рис. 168). Согласно выражению (113.1), вектор В направлен перпендикулярно плоскости, в которой расположены векторы v и г, а именно: его направление совпадает с направлением поступательного движения правого винта при его вращении от v к г. Модуль магнитной индукции (113.1) вычисляется по формуле

где а - угол между векторами v и r .

Сравнивая выражения (110.1) и (113.1), видим, что движущийся заряд по своим магнитным свойствам эквивалентен элементу тока:

I dl =Qv .

Приведенные закономерности (113.1) и (113.2) справедливы лишь при малых скоростях (v<

Формула (113.1) определяет магнитную индукцию положительного заряда, движущегося со скоростью v. Если движется отрицательный заряд, то Q надо заменить на -Q. Скорость v - относи-

тельная скорость, т. е. скорость относительно наблюдателя. Вектор В в рассматриваемой системе отсчета зависит как от времени, так и от положения точки М наблюдения. Поэтому следует подчеркнуть относительный характер магнитного поля движущегося заряда.

Впервые поле движущегося заряда удалось обнаружить американскому физику Г. Роуланду (1848-1901). Окончательно этот факт был установлен профессором Московского университета А. А. Эйхенвальдом (1863-1944), изучившим магнитное поле конвекционного тока, а также магнитное поле связанных зарядов поляризованного диэлектрика. Магнитное поле свободно движущихся зарядов было измерено академиком А. Ф. Иоффе, доказавшим эквивалентность, в смысле возбуждения магнитного поля, электронного пучка и тока проводимости.

§114. Действие магнитного поля на движущийся заряд

Опыт показывает, что магнитное поле действует не только на проводники с током (см. §111), но и на отдельные заряды, движущиеся в магнитном поле. Сила, действующая на электрический заряд Q , движущийся в магнитном поле со скоростью v, называется силой Лоренца и выражается формулой

F =Q [vB ], (114.1) где В - индукция магнитного поля, в котором заряд движется.

Направление силы Лоренца определяется с помощью правила левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор В, а четыре вытянутых пальца направить вдоль вектора v (для Q> 0 направления I и v совпадают, для Q <0-противоположны), то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на положительный заряд. На рис. 169 показана взаимная ориентация векторов v, В (поле направлено к нам, на рисунке показано точками) и F для положительного заряда. На отрицательный заряд сила действует в противоположном направлении.

Модуль силы Лоренца (см. (114.1)) равен

F=QvB sin,

где  - угол между v и В .

Отметим еще раз (см. § 109), что магнитное поле не действует на покоящийся электрический заряд. В этом существенное отличие магнитного поля от электрического. Магнитное поле действует только на движущиеся в нем заряды.

Так как по действию силы Лоренца можно определить модуль и направление вектора В, то выражение для силы Лоренца может быть использовано (наравне с другими, см. § 109) для определения вектора магнитной индукции В.

Сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости движения заряженной частицы, поэтому она изменяет только направление этой скорости, не изменяя ее модуля. Следовательно, сила Лоренца работы не совершает. Иными словами, постоянное магнитное поле не совершает работы над движущейся в нем заряженной частицей и кинетическая энергия этой частицы при движении в магнитном поле не изменяется.

Если на движущийся электрический заряд помимо магнитного поля с индукцией В действует и электрическое поле с напряженностью Е , то результирующая сила F , приложенная к заряду, равна векторной сумме сил - силы, действующей со стороны электрического поля, и силы Лоренца:

F =Q E + Q [vB ].

Это выражение называется формулой Лоренца. Скорость v в этой формуле есть скорость заряда относительно магнитного поля.

Проверь себя!!! Вокруг движущихся зарядов эл.поле... Вокруг движущихся зарядов эл.поле... Электрический ток -... Электрический ток -... Постоянный эл.ток -... Постоянный эл.ток -... Два условия для возникновения эл.тока... Два условия для возникновения эл.тока... Сила тока -... Сила тока -... Амперметром измеряют... и включают его в цепь... Амперметром измеряют... и включают его в цепь... Вольтметром измеряют... и включают его... Вольтметром измеряют... и включают его... Вльт-амперная характеристика для металлов... Вльт-амперная характеристика для металлов... От чего зависит сопротивление проводника... От чего зависит сопротивление проводника... Закон Ома... Закон Ома... Через сечение проводника за 10с проходит заряд, равный 20Кл. Чему равна сила тока в цепи? Через сечение проводника за 10с проходит заряд, равный 20Кл. Чему равна сила тока в цепи? В сети напряжение 220В и сила тока 2А. Какое сопротивление может быть у прибора, который можно включить в эту сеть? В сети напряжение 220В и сила тока 2А. Какое сопротивление может быть у прибора, который можно включить в эту сеть?

Задача 2 Определите сопротивление участка цепи, при соединении в точках В и Д, если R1=R2=R3=R4=2 Ом Определите сопротивление участка цепи, при соединении в точках В и Д, если R1=R2=R3=R4=2 Ом Изменится ли сопротивление участка цепи при соединении в точках А и С? Изменится ли сопротивление участка цепи при соединении в точках А и С? Дано: R1=2 Ом R2=2 Ом R3=2 Ом R4=2 Ом Найти: Rоб-? Решение: R1,4=R1+R4, R1,4=2+2=4 (Ом) R2,3=R2+R3, R2,3=2+2=4 (Ом) 1/Rоб= 1/R1,4+ 1/R2,3, 1\Rоб=1/4+1/4=1/2 Rоб=2 (Ом) Ответ: Rоб=2 Ом.

Дано: R1=0,5 ОмR2=2 ОмR3=3,5 ОмR4=4 ОмRоб=1 Ом Дано: R1=0,5 ОмR2=2 ОмR3=3,5 ОмR4=4 ОмRоб=1 Ом Определить способ соединения. Определить способ соединения.Решение: R1,3=R1+R3, R1,3=0,5+3,5=4(Ом) R1,3,4=...; R1,3,4=2 (Ом) Rоб=1 (Ом) Значит R1,3-последовательно, R1,3 и R4-параллельно, R1,3,4 и R2- параллельно.

Рассмотрим как соединены 1,2,3 резисторы? Можем мы для них рассчитать R об? 1/R I =1/R 1 +1/R 2 +1/R 3 ; R I =1 Ом. А теперь посмотрите, как соединены эти три резистора с четвертым? Значит я могу заменить 1,2,3 резисторы на одно сопротивление R I =1 Ом, которое эквивалентно трем резисторам соединенным параллельно. Какой тогда будет схема соединения? Начертите ее. Как теперь найти общее сопротивление? R Об =R I +R 4 ; R Об =1 Ом +5 Ом=6 Ом Теперь осталось решить вопрос чему же равно общая сила тока при таком соединении? I об =I=I 4, следовательно Uоб=5 А*6 Ом=30 В Запишем ответ к задачи.

> >R 3,4 =1 Ом. R об - ? U АВ - ? 2. Перейдем к эквивалентной схеме 3. R 1, R 2 и R 3,4 соединены последовательно > R об = R 1 +R 2 + R 3,4 > R об =5 Ом 4. U АВ " title="Дано: R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = 2 Ом I = 6 А Решение: 1.R 3 и R 4 соединены параллельно, > > >R 3,4 =1 Ом. R об - ? U АВ - ? 2. Перейдем к эквивалентной схеме 3. R 1, R 2 и R 3,4 соединены последовательно > R об = R 1 +R 2 + R 3,4 > R об =5 Ом 4. U АВ " class="link_thumb"> 13 Дано: R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = 2 Ом I = 6 А Решение: 1.R 3 и R 4 соединены параллельно, > > >R 3,4 =1 Ом. R об - ? U АВ - ? 2. Перейдем к эквивалентной схеме 3. R 1, R 2 и R 3,4 соединены последовательно > R об = R 1 +R 2 + R 3,4 > R об =5 Ом 4. U АВ =U 1 +U 2 +U 3,4, где, > или > U АВ =6 А ·5 Ом=30 В Ответ: U АВ = 30 В > >R 3,4 =1 Ом. R об - ? U АВ - ? 2. Перейдем к эквивалентной схеме 3. R 1, R 2 и R 3,4 соединены последовательно > R об = R 1 +R 2 + R 3,4 > R об =5 Ом 4. U АВ "> > >R 3,4 =1 Ом. R об - ? U АВ - ? 2. Перейдем к эквивалентной схеме 3. R 1, R 2 и R 3,4 соединены последовательно > R об = R 1 +R 2 + R 3,4 > R об =5 Ом 4. U АВ =U 1 +U 2 +U 3,4, где, > или > U АВ =6 А ·5 Ом=30 В Ответ: U АВ = 30 В"> > >R 3,4 =1 Ом. R об - ? U АВ - ? 2. Перейдем к эквивалентной схеме 3. R 1, R 2 и R 3,4 соединены последовательно > R об = R 1 +R 2 + R 3,4 > R об =5 Ом 4. U АВ " title="Дано: R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = 2 Ом I = 6 А Решение: 1.R 3 и R 4 соединены параллельно, > > >R 3,4 =1 Ом. R об - ? U АВ - ? 2. Перейдем к эквивалентной схеме 3. R 1, R 2 и R 3,4 соединены последовательно > R об = R 1 +R 2 + R 3,4 > R об =5 Ом 4. U АВ "> title="Дано: R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = 2 Ом I = 6 А Решение: 1.R 3 и R 4 соединены параллельно, > > >R 3,4 =1 Ом. R об - ? U АВ - ? 2. Перейдем к эквивалентной схеме 3. R 1, R 2 и R 3,4 соединены последовательно > R об = R 1 +R 2 + R 3,4 > R об =5 Ом 4. U АВ ">

По горизонтали: 1. Отрицательно заряженная частица, входящая в состав атома. 2. Нейтральная частица, входящая в состав атомного ядра. 3. Физическая величина, характеризующая противодействие, оказываемое проводником электрическому току. 4. Единица электрического заряда. 5. Прибор для измерения силы тока. 6. Физическая величина, равная отношению работы тока к переносимому заряду. По вертикали: 1. Процесс сообщения телу электрического заряда. 2. Положительно заряженная частица, входящая в состав атомного ядра. 3. Единица напряжения. 4. Единица сопротивления. 5. Атом, присоединивший или потерявший электрон. 6. Направленное движение заряженных частиц. 6. Направленное движение заряженных частиц.