физика реферат. Физика реферат. Вихревое электрическое поле
 Скачать 35.86 Kb.
|
|
Тема:Вихревое электрическое поле План: 1.Вихревое электрическое поле 2.Как меняется магнитный поток? 3.Электромагнитная индукция 4.Магнитная индукция 5.Ферриты 6.Вихревые токи Вихревое электрическое поле Помимо потенциального кулоновского электрического, существует вихревое поле, в котором имеются замкнутые линии напряженности. Зная общие свойства электрического поля, легче понять природу вихревого. Оно порождается изменяющимся магнитным полем.Что вызывает индукционный ток проводника, находящегося в неподвижном состоянии? Что такое индукция электрического поля? Ответ на эти вопросы, а также об отличии вихревого от электростатического и стационарного, токах Фуко, ферритах и другом вы узнаете из следующей статьи. Как меняется магнитный поток Магнитный поток Ф=BSosɑ может меняться через контур в двух вариантах: при неподвижном контуре в изменяющемся поле и в состоянии движения в поле, неподвижном или изменяющемся. Электродвижущая индукционная сила в обоих случаях будет подчиняться одному закону, но происходить будет по-разному. Возникновение индукционного тока и силы, движущие заряд Сначала нужно понять, как возникает индукционный ток. Для этого круглый виток из проволоки кладут в магнитное однородное тело. Если индукция в нем будет увеличиваться, то за ней последует и магнитный поток через поверхность. Вслед за этим возникнет ток. Если индукция магнитного поля станет меняться согласно линейному закону, ток останется постоянным. Вопрос в том, что за силы начинают двигать заряды в витке. Магнитное поле в катушке на это не способно, потому что оно оказывает влияние только на движущиеся заряды. Но ведь проводник в нем остается неподвижным! На заряды оказывает действие электрическое поле. Но стационарное и электростатическое образуются зарядами, а индукционный ток — вслед за меняющемся магнитным полем! Логично было бы предположить, что электроны начинает двигать электрическое поле, порождаясь в результате изменяющегося магнитного поля. Так, физик Масквелл пришел к выводу, что магнитное поле со временем зарождает электрическое. Электромагнитная индукция Тогда электромагнитная индукция показывается с новой стороны, где главным свойством предстает порождение электрического поля магнитным. Проводящий контур здесь ничего не меняет. Проводник со свободными электронами становится прибором, позволяя выявить появляющееся электрическое поле, благодаря тому, что оно движется в проводнике. Вихревое электрическое поле, появившееся вслед за магнитным, совсем иного рода, нежели электростатическое. Оно не имеет прямой связи с зарядами, и напряженности на его линиях не начинаются и не заканчиваются. Это замкнутые линии, как у магнитного поля. Поэтому оно и называется вихревое электрическое поле. Магнитная индукция Магнитная индукция будет меняться тем быстрее, чем больше напряженность. Правило Ленца гласит: при увеличении магнитной индукции направление вектора напряженности электрополя создает левый винт с направлением другого вектора. То есть при вращении левого винта по направлению с линиями напряженности его поступательное перемещение станет таким же, как и у вектора магнитной индукции. Если же магнитная индукция будет убывать, то направление вектора напряженности создаст правый винт с направлением другого вектора. Силовые линии напряженности имеют то же направление, что и индукционный ток. Вихревое электрическое поле действует на заряд с той же силой, что и до него. Однако в данном случае его работа по перемещению заряда является отличной от нуля, как в стационарном электрическом поле. Так как сила и перемещение имеют одно направление, то и работа на всем протяжении пути по замкнутой линии напряженности будет прежней. Работа положительного единичного заряда здесь будет равна электродвижущей силе индукции в проводнике. Токи индукции в массивных проводниках В массивных проводниках индукционные токи получают максимальные значения. Это происходит потому, что они имеют малое сопротивление. Называются такие токи токами Фуко (это французский физик, исследовавший их). Их можно применять для изменения температуры проводников. Именно этот принцип заложен в индукционных печах, к примеру, бытовых СВЧ. Он же применяется для плавления металлов. Электромагнитная индукция используется и в металлических детекторах, расположенных в аэровокзалах, театрах и других общественных местах со скоплением большого количества людей. Но токи Фуко приводят к потерям энергии для получения тепла. Поэтому сердечники трансформаторов, электрических двигателей, генераторов и других устройств из железа изготавливают не сплошными, а из разных пластин, которые друг от друга изолированы. Пластины должны находиться строго в перпендикулярном положении относительно вектора напряженности, который имеет вихревое электрическое поле. Пластины тогда будут иметь максимальное сопротивление току, а тепла будет выделяться минимальное количество. Ферриты Радиоаппаратура функционирует на высочайших частотах, где число достигает миллионов колебаний в секунду. Катушки сердечников здесь не будут эффективны, так как токи Фуко появятся в каждой пластине. Существуют изоляторы магнитов под названием ферриты. Вихревые токи в них не появятся при перемагничивании. Поэтому потери энергии для тепла сводятся к минимальным. Из них изготавливают сердечники, используемые для высокочастотных трансформаторов, транзисторные антенны и так далее. Их получают из смеси первоначальных веществ, которую прессуют и обрабатывают термическим путем. Если магнитное поле в ферромагнетике быстро изменяется, это ведет к появлению индукционных токов. Их магнитное поле будет препятствовать изменению магнитного потока в сердечнике. Поэтому поток не будет меняться, а сердечник — перемагничиваться. Вихревые токи в ферритах так малы, что могут быстро перемагничиваться. Вихревое поле это.. Подскажите, пожалуйста, как можно дать определение вихревому полю? Как мне продолжить фразу: вихревое поле – это… Приведите пример вихревого поля. Чем оно отличается от невихревого поля? Вихревое поле определяют следующим образом: Вихревое поле – это векторное поле, которое имеет замкнутые силовые линии. Примером вихревого поля может служить магнитное поле. Если рассмотреть в магнитном поле замкнутую поверхность, то магнитный поток сквозь рассматриваемую поверхность равен всегда нулю. Что означает: количество силовых линий, которые входят в нашу поверхность равно числу силовых линий выходящих из нее. В математическом виде тот факт, что магнитные линии не имеют начала и конца записывают как (см. раздел «Интегральные уравнения Максвелла«): Другим примером вихревого поля может служить индукционное электрическое поле. Данное поле существенным образом отличается от электростатического поля. Силовые линии индукционного электрического поля являются замкнутыми. Это поле создают переменные магнитные поля. Источники индукционного электрического поля указать не представляется возможным. Работа сил поля при перемещении заряда по замкнутому пути отлична от нуля. Для сравнения с вихревыми полями приведем пример характеристик электростатического поля, которое не является вихревым. Электростатическое поле создают стационарные заряды. Линия этого поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Силовые линии разомкнуты. Поле является потенциальным (работа электростатического поля по замкнутому пути равна нулю). По своим свойствам электрическое и магнитное поля отличаются принципиально: Магнитное поле — это поле замкнутое, «вихревое» (см. уточнение). Вектор магнитного поля (магнитная индукция) по своей физической природе характеризует момент сил. Электрическое поле — по определению — это поле силовое. Линии этого поля образуются силовым вектором E — напряженностью электрического поля, которая в любой точке поля связана с электрическим потенциалом φ в этой точке известным соотношением E = —gradφ . Циркуляция напряженности по любому конечному отрезку силовой линии Δφ = ∫Edl представляет собой разность потенциалов на этом отрезке. Из теории поля известно, что любое силовое поле всегда порождает скалярное — потенциальное (энергетическое) поле. Это заключение, базирующееся на основных понятиях теории поля, можно считать окончательным «приговором» не только «вихревому электрическому полю», но и попыткам «симметризации» полей в электродинамике, и самой идее взаимодействия полей. В частности это означает, что соотношение (1) лишено физического смысла. Полтора века в электродинамике использовался фантом — не существующее в природе «вихревое электрическое поле». Это поле «работало» в трансформаторах и генераторах, в электродвигателях и ускорителях, хотя, не обладая энергетическим потенциалом, оно не может совершать работу. Только по этой причине в настоящее время во всех расчетах используется максвелловская формулировка основного закона электромагнитной индукции, соответствующая «букве» (цифре!), но противоречащая «духу» (природе) этого важнейшего электродинамического процесса. Чтобы окончательно расставить все точки над i, приведенные выше описания индукционных процессов необходимо дополнить соображениями о физической природе электромагнитных взаимодействий, изложенными ранее. Но это занятие придется пока отложить, потому что нам предстоит не менее серьезный разговор о том, как работают… батарейки в карманном фонарике. Переменное магнитное поле порождает индуцированное электрическое поле. Если магнитное поле постоянно, то индуцированного электрического поля не возникнет. Следовательно, индуцированное электрическое поле не связано с зарядами, как это имеет место в случае электростатического поля; его силовые линии не начинаются и не заканчиваются на зарядах, а замкнуты сами на себя, подобно силовым линиям магнитного поля. Это означает, что индуцированное электрическое поле, подобно магнитному, является вихревым. Если неподвижный проводник поместить в переменное магнитное поле, то в нем индуцируется э. д. с. Электроны приводятся в направленное движение электрическим полем, индуцированным переменным магнитном полем; возникает индуцированный электрический ток. В этом случае проводник является лишь индикатором индуцированного электрического поля. Поле приводит в движение свободные электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя. Теперь можно утверждать, что и без проводника это поле существует, облада Это фундаментальное положение электродинамики установлено Максвеллом как обобщение закона электромагнитной индукции Фарадея. В отличие от электростатического поля индуцированное электрическое поле является непотенциальным, так как работа, совершаемая в индуцированном электрическом поле, при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна э. д. с. индукции, а не нулю. Направление вектора напряженности вихревого электрического поля устанавливается в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея и правилом Ленца. Направление силовых линий вихревого эл. поля совпадает с направлением индукционного тока. Так как вихревое электрическое поле существует и в отсутствие проводника, то его можно применять для ускорения заряженных частиц до скоростей, соизмеримых со скоростью света. Именно на использовании этого принципа основано действие ускорителей электронов — бетатронов. Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличии от электростатического поля. Отличие вихревого электрического поля от электростатического 1) Оно не связано с электрическими зарядами; 2) Силовые линии этого поля всегда замкнуты; 3) Работа сил вихревого поля по перемещению зарядов на замкнутой траектории не равна нулю.
Вихревые токи Проанализируем данное явления с точки зрения уже установленных законов. И так в проводнике возникает электрический ток, то есть упорядоченное движение зарядов. Движение зарядов возникает под действием силы, которая, вероятно, имеет электрическую природу. Мы уже знаем одну такую силу – это сила, действующая на заряд в электрическом поле (см. лекцию 1): F = eE. Таким образом, следует, что изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению электрического поля. То есть электрическое поле может создаваться не только зарядами. Наличие контура в этих опытах только позволяет обнаружить электрическое поле (благодаря наличию свободных электронов), которое существует в пространстве с изменяющимся магнитным полем независимо от него. Суть явления электромагнитной индукции состоит не в возникновении электрического тока в контуре, а в возникновении электрического поля, которое этот ток вызывает. Этот вывод впервые был сделан Максвеллом. Полученное таким способом поле существенно отличается от поля, создаваемого зарядами. Поскольку последние отсутствуют, силовые линии этого поля не могут на них начинаться и заканчиваться. В отличие от электрического поля, создаваемого зарядами, это поле имеет вихревой характер и его силовые линии замкнуты, рис. 3. Направление поля совпадает с направлением токов в воображаемом контуре. d  B/dt 0Рис. 3. Вихревое электрическое поле В отличие от электрического поля, создаваемого зарядами, вихревое поле не является потенциальным. Работа над зарядом при обходе замкнутого контура не будет равна нулю, так как на всех участках она будет иметь один знак. Работа вихревого электрического поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру будет численно равна ЭДС индукции, наводимой в проводнике, помешенном в этот контур: Edl = ЭДС = – dФМ/dt (2) Если в пространство, где имеется вихревое электрическое поле, поместить не проводящий контур, а сплошной проводник, то в проводнике потекут токи в соответствии с силовыми линиями этого поля, рис. 3. Эти токи также называются вихревыми, или токами Фуко. Вихревые токи могут играть как положительную, так и отрицательную роль. Они применяются, например, для торможения стрелки в электроизмерительных приборах, бесконтактного нагрева металлов, датчиках для неразрушающего контроля. В тоже время в сердечниках трансформаторов они ведет к ненужному нагреву. Поэтому сердечники или набираются из пластин, разрывающих контура вихревых токов или изготавливают из ферромагнетиков с высоким удельным сопротивлением (ферритов). 3. Уравнения Максвелла. Электромагнитные волны Соберем теперь основные рассмотренные явления и законы. Неподвижные заряды создают постоянное электрическое поле. Законом, связывающим электрическое поле Е с зарядами была теорема Гаусса: ФЕ = Е dS = Q/0 . (3) Эту теорему можно обобщить на случай магнитных полей, но учитывая, что магнитных зарядов в природе нет, она запишется: ФВ = В dS = 0. (4) Движущиеся заряды порождают магнитные поля. Связь электрических токов и создаваемых ими полями устанавливалась теоремой о циркуляции магнитного поля: Bdl = 0 I (5) Изменяющиеся магнитные потоки (поля) порождают вихревые электрические поля, связь дается уравнением (2): Edl = – dФМ/dt (6) Собрав все эти данные, Максвелл решил, что для полной симметрии не хватает одного звена: магнитные поля должны возникать и при изменяющихся электрических полях. Это можно проиллюстрировать на примере, изображенном на рис. 4. B     B BI I –    Q dE/dt 0 +QРис. 4. Возникновение магнитного поля при изменении электрического поля В области вне обкладок конденсатора магнитное поле порождается токами. Внутри обкладок в силу непрерывности тоже должно существовать магнитное поле, которое может порождаться изменяющимся электрическим полем. Таким образом, Максвелл дополнил уравнение (5) еще одним слагаемым 00 (dE/dt): Bdl = 0 (I + 0 (dE/dt)). (7) Добавку к току он назвал током смещения, поскольку по размерности она соответствует размерности тока. Система уравнений (3), (4), (6), (7) получила название уравнений Максвелла в интегральной форме. Решением этой системы является волна, названная электромагнитной и распространяющаяся в вакууме со скоростью света с2 = 1/00. Схематично распространяющаяся электромагнитная волна изображена на рис. 5, а. Изменяющееся электрическое поле в области 1 порождает изменяющееся магнитное поле в области 2, которое в свою очереди ведет к возникновению изменяющегося электрического поля в области 3 и так этот процесс распространяется со скоростью света. В электромагнитной волне вектора Е и В образуют правый винт с направлением распространения, рис. 5, б. Впоследствии, в 18ХХ году электромагнитные волны были экспериментально открыты Герцем. dE/dt d   E/dt dE/dt13 52  4 х+Е dВ/dt dВ/dt В Использованная литература(сайты) www.wikipedia.com www.bibliofond.ru www.studfile.ru |