Электромагнитное поле. Определение, характеристики.

   Электромагнитное поле это такой вид материи, которая возникает вокруг движущихся зарядов. Например, вокруг проводника с током. Электромагнитное поле состоит из двух составляющих это электрическое и магнитное поле. Независимо друг от друга они существовать не могут. Одно порождает другое. При изменении электрического поля тут же возникает магнитное.   Скорость распространения электромагнитной волны V=C/EM где e и м соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемость среды, в которой распространяется волна.   Электромагнитная волна в вакууме распространяется со скоростью света, то есть 300 000 км/с. Поскольку диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума считается равными 1.   При изменении электрического поля возникает магнитное поле. Так как вызвавшее его электрическое поле не является неизменным (то есть изменяется во времени) то и магнитное поле также будет переменным.    Изменяющееся магнитное поле в свою очередь порождает электрическое поле и так далее. Таким образом, для последующего поля (неважно будет оно электрическое или магнитное) источником будет служить предыдущее поле, а не первоначальный источник, то есть проводник с током.   Таким образом, даже после отключения тока в проводнике электромагнитное поле будет продолжать существовать и распространятся в пространстве.   Электромагнитная волна распространяется в пространстве во все стороны от своего источника. Можно себе представить включению лампочку, лучи света от нее распространяются во все стороны.   Электромагнитная волна при распространении переносит энергию в пространстве. Чем сильнее ток в проводнике вызвавший поле, тем больше энергия переносимая волной. Также энергия зависит от частоты излучаемых волн, при увеличении ее в 2,3,4 раза энергия волны увеличится в 4,9,16 раз соответственно. То есть энергия распространения волны пропорциональна квадрату частоты.   Наилучшие условия распространения волн создаются, когда длинна проводника, равна длине волны.  Силовые линии магнитного и электрического полетим взаимно перпендикулярно. Магнитные силовые линии охватывают проводник с током и всегда замкнуты.   Электрические силовые линии идут от одного заряда к другому.   Электромагнитная волна это всегда поперечная волна. То есть силовые линии как магнитные, так и электрические лежат в перпендикулярной плоскости к направлению распространения.   Напряжённость электромагнитного поля силовая характеристика поля. Также напряженность, векторная величина то есть у нее есть начало и направление.   Напряжённость поля направлена по касательной к силовым линиям.     Поскольку напряжённость электрического и магнитного поля перпендикулярны между собой, то есть правило, по которому можно определить направление распространения волны. При вращении винта по кратчайшему пути от вектора напряжённости электрического поля к вектору напряжённости магнитного поля поступательное движение винта укажет направление распространения волны.

Магнитное поле и его характеристики.При прохождении электрического тока по проводнику вокруг него образуетсямагнитное поле. Магнитное полепредставляет собой один из видов материи. Оно обладает энергией, которая проявляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдельные движущиеся электрические заряды (электроны и ионы) и на их потоки, т. е. электрический ток. Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути в направлении, перпендикулярном полю (рис. 34).Магнитное поле образуется только вокруг движущихся электрических зарядов, и его действие распространяется тоже лишь на движущиеся заряды.  Магнитное и электрические поля неразрывны и образуют совместно единое электромагнитное поле. Всякое изменение электрического поляприводит к появлению магнитного поля и, наоборот, всякое изменение магнитного поля сопровождается возникновением электрического поля. Электромагнитное поле распространяется со скоростью света, т. е. 300 000 км/с.

Графическое изображение магнитного поля. Графически магнитное поле изображают магнитными силовыми линиями, которые проводят так, чтобы направление силовой линии в каждой точке поля совпадало с направлением сил поля; магнитные силовые линии всегда являются непрерывными и замкнутыми. Направление магнитного поля в каждой точке может быть определено при помощи магнитной стрелки. Северный полюс стрелки всегда устанавливается в направлении действия сил поля. Конец постоянного магнита, из которого выходят силовые линии (рис. 35, а), принято считать северным полюсом, а противоположный конец, в который входят силовые линии,— южным полюсом (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны). Распределение силовых линий между полюсами плоского магнита можно обнаружить при помощи стальных опилок, насыпанных на лист бумаги, положенный на полюсы (рис. 35, б). Для магнитного поля в воздушном зазоре между двумя параллельно расположенными разноименными полюсами постоянного магнита характерно равномерное распределение силовых магнитных линий (рис. 36)

Введение.

Электромагнитное поле, особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами. Электромагнитные явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта, то есть удовлетворяют принципу относительности.

Поле является переносчиком взаимодействия, в частности, переносчиком электромагнитных взаимодействий является электромагнитное поле. Что такое поле? Опять таки первичное понятие, невозможно его выразить более простыми словами. Надо понимать так: имеем частицу заряженную, одну единственную, и то, что создаёт частица в пространстве, это и есть электромагнитное поле. Некоторые формы этого электромагнитного поля мы видим, свет есть проявление электромагнитного поля. Другая заряженная частица погружена в это поле и взаимодействует с этим полем там, где она находится. Электромагнитное поле — это переносчик электромагнитного взаимодействия.

Электромагнитное поле (эмп).

Электромагнитное поле создается зарядами. Электромагнитное поле, особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.

Основными величинами, определяющими электромагнитное поле, являются вектор электрической напряженности поля Е и вектор магнитной напряженности поля Н. Эти векторы являются функциями времени

и координат в пространстве, описываемых радиус-векторомr. (Трофимова Т.И. Курс физики: учебное пособие для вузов. стр. 252)

Особенностью электромагнитных волн является наличие трёх взаимно перпендикулярных векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H.

По определению, электромагнитное поле — это совокупность электрических и магнитных полей, которые могут переходить друг в друга. Физические причины существования электромагнитного поля связаны с тем, что изменяющееся во времени электрическое поле порождает магнитное поле, а изменяющееся магнитное — вихревое электрическое поле. Электромагнитное поле неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами. При ускоренном движении заряженных частиц, электромагнитное поле «отрывается» от них и существует независимо в форме электромагнитных волн, не исчезая с устранением источника.

Электромагнитные волны — это распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью электромагнитное поле.

Электромагнитные волны характеризуются длиной волны. Источник, генерирующий излучение, а по сути создающий электромагнитные колебания, характеризуются понятием частота. Классификация электромагнитных волн по частотам приведена в таблице. (Трофимова Т.И. Курс физики: учебное пособие для вузов. стр. 253)

Наименование частотного диапазона	Границы диапазона	Наименование волнового диапазона	Границы диапазона
Крайние низкие, КНЧ	3 — 30 Гц	Декамегаметровые	100 — 10 Мм
Сверхнизкие, СНЧ	30 — 300 Гц	Мегаметровые	10 — 1 Мм
Инфранизкие, ИНЧ	0,3 — 3 кГц	Гектокилометровые	1000 — 100 км
Очень низкие, ОНЧ	3 — 30 кГц	Мириаметровые	100 — 10 км
Низкие частоты, НЧ	30 — 300 кГц	Километровые	10 — 1 км
Средние, СЧ	0,3 — 3 МГц	Гектометровые	1 — 0,1 км
Высокие частоты, ВЧ	3 — 30 МГц	Декаметровые	100 — 10 м
Очень высокие, ОВЧ	30 — 300 МГц	Метровые	10 — 1 м
Ультравысокие, УВЧ	0,3 — 3 ГГц	Дециметровые	1 — 0,1 м
Сверхвысокие, СВЧ	3 — 30 ГГц	Сантиметровые	10 — 1 см
Крайне высокие, КВЧ	30 — 300 ГГц	Миллиметровые	10 — 1 мм

( А. М. Прохоров. Физика. Большая Российская энциклопедия стр. 262)

Важная особенность электромагнитного поля — это деление его на так называемую «ближнюю» и «дальнюю» зоны.

«ближняя» зона

«Дальняя» зона

— на расстоянии от источника r <L (лябда). электромагнитное поле можно считать квазистатическим. Здесь оно быстро убывает с расстоянием, обратно пропорционально квадрату или кубу расстояния. В «ближней» зоне излучения электромагнитная волне еще не сформирована. Для характеристики электромагнитное поле измерения переменного электрического поля и переменного магнитного поля производятся раздельно. Поле в зоне индукции служит для формирования бегущих составляющей полей (электромагнитной волны), ответственных за излучение.

— это зона сформировавшейся электромагнитной волны. В «дальней» зоне интенсивность поля убывает обратно пропорционально расстоянию до источника. В «дальней» зоне излучения устанавливается связь между Е и Н: Е=377Н, где 377 — волновое сопротивление вакуума, Ом. Поэтому измеряется, как правило, только Е. Плотность потока энергии характеризует количество энергии, переносимой электромагнитной волной в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны.

( Татур Т.А. Основы теории электромагнитного поля стр. 164)

1. Основные понятия теории электромагнитного поля

Физическое поле — это особая форма материи, существующая в каждой точке пространства, проявляющаяся воздействием на вещество, обладающее свойством, родственным с тем, которое создало это поле.

тело + заряд  поле  тело + заряд

Например, в случае излучения одиночного радиоимпульса при значительном расстоянии между передающей и приемной антеннами в какой-то момент времени окажется, что сигнал уже излучен передающей антенной, но еще не принят приемной. Следовательно, в данный момент времени энергия сигнала будет локализована в пространстве. В этом случае очевидно, что носитель энергии не является привычной материальной средой, а представляет собой иную физическую реальность, которая называется полем.

Существует принципиальная разница в поведении вещества и поля.

Основное отличие — это плавность. Вещество всегда имеет резкую границу того объема, который оно занимает, а поле принципиально не может иметь резкой границы (макроскопический подход), оно изменяется плавно от точки к точке. В одной точке пространства может существовать бесконечное количество физических полей, не влияющих друг на друга, чего нельзя сказать о веществе. Поле и вещество могут взаимно проникать друг в друга.

ЭМП и электрический заряд представляют собой основные понятия, относящиеся к физическим явлениям электромагнетизма.

ЭМП– это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрическими зарядами, отличающаясянепрерывнымраспределением в пространстве (ЭМВ, ЭМП заряженных частиц) и обнаруживающаядискретностьструктуры (фотоны), характеризующаяся способностью распространяться в вакууме со скоростью, близкой кс, оказывающая на заряженные частицы силовое воздействие, зависящее от их скорости[2, 5].

ЭМП может быть полностью описано с помощью скалярного и векторного потенциалов, составляющих согласно теории относительности единый четырехмерный вектор в пространстве-времени, компоненты которого преобразуются при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую в соответствии с преобразованиями Г. Лоренца [1].

Электрический заряд– свойство частиц вещества или тел, характеризующее их взаимосвязь с собственным ЭМП и их взаимодействие с внешним ЭМП; имеет два вида, известные как положительный заряд (заряд протона) и отрицательный (заряд электрона) заряд; количественно определяется по силовому взаимодействию тел, обладающих электрическими зарядами[2, 5].

Для анализа ЭМП удобна идеализация «точечный заряд»– заряд, сосредоточенный в точке. Наименьшим зарядом в природе считается заряд электронаe_эл=1,60210^-19Кл, поэтому заряды тел должны быть кратныe_эл.

Однако часто удобно считать заряд непрерывно распределенным (макроскопический подход). Существует понятие объемной (, Кл/м³), поверхностной (, Кл/м²) и линейной (, Кл/м) плотности заряда.

. (1.1)

. (1.2)

. (1.3)

ЭМП неподвижных электрических зарядов неразрывно связано с частицами, порождающими его, но ЭМП заряженной частицы, движущейся ускоренно, может существовать независимо от вещества в виде ЭМВ [1, 2].

ЭМВ– ЭМ колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени с конечной скоростью[1].

При исследовании ЭМП обнаруживаются две формы его проявления – электрическое и магнитное поля, которым можно дать следующие определения.

Электрическое поле– одно из проявлений ЭМП, обусловленное электрическими зарядами и изменением магнитного поля, оказывающее силовое воздействие на заряженные частицы и тела, выявляемое по силовому воздействию нанеподвижныезаряженные тела и частицы.

Магнитное поле– одно из проявлений ЭМП, обусловленное электрическими зарядамидвижущихсязаряженных частиц (и тел) и изменением электрического поля, оказывающее силовое воздействие надвижущиесязаряженные частицы, выявляемое по силовому воздействию, направленному нормально к направлению движения этих частиц и пропорциональному их скорости[2, 5].

Разделение ЭМП на электрическое и магнитное поля имеет относительный характер, поскольку зависит от выбора инерциальной системы отсчета, в которой исследуется ЭМП. Например, если некоторая система состоит из покоящихся электрических зарядов, то при исследовании ЭМП в данной системе будет установлено наличие электрического поля и отсутствие магнитного. Однако если другая система координат будет двигаться относительно данной системы, то во второй системе будет обнаружено и магнитное поле [2].

Основными характеристиками ЭМПсчитаются(напряженность электрической составляющей поля) и(магнитная индукция), которые описывают проявление механических сил в ЭМП и могут быть непосредственно измерены. Напряженность электрического поля можно определить как силу, действующую на точечный заряд известной величины (силу Ш. Кулона):

. (1.4)

Магнитная индукцияопределяется через силу, действующую на точечный зарядqизвестной величины,движущийсяв магнитном поле со скоростью, (силу Г. Лоренца):

. (1.5)

Вспомогательными характеристиками ЭМП являются (электрическая индукцияилиэлектрическое смещение) и(напряженность магнитной составляющей ЭМП). Названия характеристик ЭМП не бесспорны, но они сложились исторически. Единицы измерения основных характеристик ЭМП приведены на стр. 3. Мы будем пользоватьсяМеждународной системой единиц СИ, наиболее удобной дляпрактическихприменений.

Связь между и основными и вспомогательными характеристиками осуществляется с помощью материальных уравнений:

. (1.6)

. (1.7)

В большинстве сред векторы и, как ии,коллинеарны (Приложение 1). Но в случае гироэлектрических (сегнетоэлектрики) и гиромагнитных (ферромагнетики) средистановятсятензорнымивеличинами, и указанные в парах векторы могут утратить коллинеарность.

Величина называетсямагнитным потоком.

Величина —удельная проводимостьсреды. С учетом этой величины можно связатьплотность тока проводимости(j_пр) и напряженность поля:

. (1.8)

Уравнение (1.8) представляет собой дифференциальную форму закона Г. Омадля участка цепи.

Поля разделяются на скалярные, векторные и тензорные.

Скалярное поле – это непрерывно распределенная в каждой точке пространства некая скалярная функция с областью определения (рис. 1.1). Скалярное поле характеризуется поверхностью уровня (например, на рис. 1.1 – эквипотенциальными линиями), которую задает уравнение: .

Векторное поле– это заданное в каждой точке пространства непрерывная векторная величина с областью определения (рис. 1.2) Основной характеристикой этого поля являетсявекторная линия, в каждой точке которойвекторполя направлен по касательной. Физическая записьсиловых линий:.

Тензорное поле – это распределенная в пространстве непрерывная тензорная величина. Например, для анизотропного диэлектрика его относительная диэлектрическая проницаемость становится тензорной величиной: .

Электромагнитное поле, его виды, характеристики и классификация.

2.1 Основные определения. Виды электромагнитного поля.

• Электромагнитное поле – это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.

• Электрическое поле – создается электрическими зарядами и заряженными частицами в пространстве. На рисунке представлена картина силовых линий (воображаемых линий, используемых для наглядного представления полей) электрического поля для двух покоящихся заряженных частиц:

• Магнитное поле – создается при движении электрических зарядов по проводнику. Картина силовых линий поля для одиночного проводника представлена на рисунке:

Физической причиной существования электромагнитного поля является то, что изменяющееся во времени электрическое поле возбуждает магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле – вихревое электрическое поле. Непрерывно изменяясь, обе компоненты поддерживают существование электромагнитного поля. Поле неподвижной или равномерно движущейся частицы неразрывно связано с носителем (заряженной частицей).

Однако при ускоренном движении носителей электромагнитное поле «срывается» с них и существует в окружающей среде независимо, в виде электромагнитной волны, не исчезая с устранением носителя (например, радиоволны не исчезают при исчезновении тока (перемещения носителей – электронов) в излучающей их антенне).

2.2 Основные характеристики электромагнитного поля.

Электрическое полехарактеризуетсянапряженностью электрического поля(обозначение «E», размерность СИ – В/м, вектор).Магнитное полехарактеризуетсянапряженностью магнитного поля(обозначение «H», размерность СИ – А/м, вектор). Измерению обычно подвергается модуль (длина) вектора.

Электромагнитные волныхарактеризуютсядлиной волны(обозначение «», размерность СИ — м), излучающий их источник –частотой(обозначение – «», размерность СИ — Гц). На рисунке Е – вектор напряженности электрического поля,H– вектор напряженности магнитного поля.

При частотах 3 – 300 Гц в качестве характеристики магнитного поля может также использоваться понятие магнитной индукции(обозначение «B», размерность СИ — Тл).

2.3 Классификация электромагнитных полей.

Наиболее применяемой является так называемая «зональная» классификация электромагнитных полей по степени удаленности от источника/носителя.

По этой классификации электромагнитное поле подразделяется на «ближнюю» и «дальнюю» зоны. «Ближняя» зона (иногда называемаязоной индукции) простирается до расстояния от источника, равного 0-3, где- длина порождаемой полем электромагнитной волны. При этом напряженность поля быстро убывает (пропорционально квадрату или кубу расстояния до источника). В этой зоне порождаемая электромагнитная волна еще не полностью сформирована.

«Дальняя» зона – это зона сформировавшейся электромагнитной волны. Здесь напряженность поля убывает обратно пропорционально расстоянию до источника. В этой зоне справедливо экспериментально определенное соотношение между напряженностями электрического и магнитного полей:

E = 377H

где 377 – константа, волновое сопротивление вакуума, Ом.

Электромагнитные волныпринято классифицировать по частотам:

Наименование частотного диапазона	Границы диапазона	Наименование волнового диапазона	Границы диапазона
Крайние низкие, КНЧ	[3..30] Гц	Декамегаметровые	[100..10] Мм
Сверхнизкие, СНЧ	[30..300] Гц	Мегаметровые	[10..1] Мм
Инфранизкие, ИНЧ	[0,3..3] Кгц	Гектокилометровые	[1000..100] км
Очень низкие, ОНЧ	[3..30] Кгц	Мириаметровые	[100..10] км
Низкие частоты, НЧ	[30..300] Кгц	Километровые	[10..1] км
Средние, СЧ	[0,3..3] МГц	Гектометровые	[1..0,1] км
Высокие, ВЧ	[3..30] МГц	Декаметровые	[100..10] м
Очень высокие, ОВЧ	[30..300] МГц	Метровые	[10..1] м
Ультравысокие, УВЧ	[0,3..3] ГГц	Дециметровые	[1..0,1] м
Сверхвысокие, СВЧ	[3..30] ГГц	Сантиметровые	[10..1] см
Крайне высокие, КВЧ	[30..300] ГГц	Миллиметровые	[10..1] мм
Гипервысокие, ГВЧ	[300..3000] ГГц	Децимиллиметровые	[1..0,1] мм

Измеряют обычно только напряженность электрического поля E. При частотах выше 300 МГц иногда измеряетсяплотность потока энергииволны, или вектор Пойтинга (обозначение «S», размерность СИ – Вт/м²).

1. Основные понятия теории электромагнитного поля

Физическое поле — это особая форма материи, существующая в каждой точке пространства, проявляющаяся воздействием на вещество, обладающее свойством, родственным с тем, которое создало это поле.

тело + заряд  поле  тело + заряд

Например, в случае излучения одиночного радиоимпульса при значительном расстоянии между передающей и приемной антеннами в какой-то момент времени окажется, что сигнал уже излучен передающей антенной, но еще не принят приемной. Следовательно, в данный момент времени энергия сигнала будет локализована в пространстве. В этом случае очевидно, что носитель энергии не является привычной материальной средой, а представляет собой иную физическую реальность, которая называется полем.

Существует принципиальная разница в поведении вещества и поля.

Основное отличие — это плавность. Вещество всегда имеет резкую границу того объема, который оно занимает, а поле принципиально не может иметь резкой границы (макроскопический подход), оно изменяется плавно от точки к точке. В одной точке пространства может существовать бесконечное количество физических полей, не влияющих друг на друга, чего нельзя сказать о веществе. Поле и вещество могут взаимно проникать друг в друга.

ЭМП и электрический заряд представляют собой основные понятия, относящиеся к физическим явлениям электромагнетизма.

ЭМП– это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрическими зарядами, отличающаясянепрерывнымраспределением в пространстве (ЭМВ, ЭМП заряженных частиц) и обнаруживающаядискретностьструктуры (фотоны), характеризующаяся способностью распространяться в вакууме со скоростью, близкой кс, оказывающая на заряженные частицы силовое воздействие, зависящее от их скорости[2, 5].

ЭМП может быть полностью описано с помощью скалярного и векторного потенциалов, составляющих согласно теории относительности единый четырехмерный вектор в пространстве-времени, компоненты которого преобразуются при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую в соответствии с преобразованиями Г. Лоренца [1].

Электрический заряд– свойство частиц вещества или тел, характеризующее их взаимосвязь с собственным ЭМП и их взаимодействие с внешним ЭМП; имеет два вида, известные как положительный заряд (заряд протона) и отрицательный (заряд электрона) заряд; количественно определяется по силовому взаимодействию тел, обладающих электрическими зарядами[2, 5].

Для анализа ЭМП удобна идеализация «точечный заряд»– заряд, сосредоточенный в точке. Наименьшим зарядом в природе считается заряд электронаe_эл=1,60210^-19Кл, поэтому заряды тел должны быть кратныe_эл.

Однако часто удобно считать заряд непрерывно распределенным (макроскопический подход). Существует понятие объемной (, Кл/м³), поверхностной (, Кл/м²) и линейной (, Кл/м) плотности заряда.

. (1.1)

. (1.2)

. (1.3)

ЭМП неподвижных электрических зарядов неразрывно связано с частицами, порождающими его, но ЭМП заряженной частицы, движущейся ускоренно, может существовать независимо от вещества в виде ЭМВ [1, 2].

ЭМВ– ЭМ колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени с конечной скоростью[1].

При исследовании ЭМП обнаруживаются две формы его проявления – электрическое и магнитное поля, которым можно дать следующие определения.

Электрическое поле– одно из проявлений ЭМП, обусловленное электрическими зарядами и изменением магнитного поля, оказывающее силовое воздействие на заряженные частицы и тела, выявляемое по силовому воздействию нанеподвижныезаряженные тела и частицы.

Магнитное поле– одно из проявлений ЭМП, обусловленное электрическими зарядамидвижущихсязаряженных частиц (и тел) и изменением электрического поля, оказывающее силовое воздействие надвижущиесязаряженные частицы, выявляемое по силовому воздействию, направленному нормально к направлению движения этих частиц и пропорциональному их скорости[2, 5].

Разделение ЭМП на электрическое и магнитное поля имеет относительный характер, поскольку зависит от выбора инерциальной системы отсчета, в которой исследуется ЭМП. Например, если некоторая система состоит из покоящихся электрических зарядов, то при исследовании ЭМП в данной системе будет установлено наличие электрического поля и отсутствие магнитного. Однако если другая система координат будет двигаться относительно данной системы, то во второй системе будет обнаружено и магнитное поле [2].

Основными характеристиками ЭМПсчитаются(напряженность электрической составляющей поля) и(магнитная индукция), которые описывают проявление механических сил в ЭМП и могут быть непосредственно измерены. Напряженность электрического поля можно определить как силу, действующую на точечный заряд известной величины (силу Ш. Кулона):

. (1.4)

Магнитная индукцияопределяется через силу, действующую на точечный зарядqизвестной величины,движущийсяв магнитном поле со скоростью, (силу Г. Лоренца):

. (1.5)

Вспомогательными характеристиками ЭМП являются (электрическая индукцияилиэлектрическое смещение) и(напряженность магнитной составляющей ЭМП). Названия характеристик ЭМП не бесспорны, но они сложились исторически. Единицы измерения основных характеристик ЭМП приведены на стр. 3. Мы будем пользоватьсяМеждународной системой единиц СИ, наиболее удобной дляпрактическихприменений.

Связь между и основными и вспомогательными характеристиками осуществляется с помощью материальных уравнений:

. (1.6)

. (1.7)

В большинстве сред векторы и, как ии,коллинеарны (Приложение 1). Но в случае гироэлектрических (сегнетоэлектрики) и гиромагнитных (ферромагнетики) средистановятсятензорнымивеличинами, и указанные в парах векторы могут утратить коллинеарность.

Величина называетсямагнитным потоком.

Величина —удельная проводимостьсреды. С учетом этой величины можно связатьплотность тока проводимости(j_пр) и напряженность поля:

. (1.8)

Уравнение (1.8) представляет собой дифференциальную форму закона Г. Омадля участка цепи.

Поля разделяются на скалярные, векторные и тензорные.

Скалярное поле – это непрерывно распределенная в каждой точке пространства некая скалярная функция с областью определения (рис. 1.1). Скалярное поле характеризуется поверхностью уровня (например, на рис. 1.1 – эквипотенциальными линиями), которую задает уравнение: .

Векторное поле– это заданное в каждой точке пространства непрерывная векторная величина с областью определения (рис. 1.2) Основной характеристикой этого поля являетсявекторная линия, в каждой точке которойвекторполя направлен по касательной. Физическая записьсиловых линий:.

Тензорное поле – это распределенная в пространстве непрерывная тензорная величина. Например, для анизотропного диэлектрика его относительная диэлектрическая проницаемость становится тензорной величиной: .

Электромагнитное поле — Википедия. Что такое Электромагнитное поле

Электромагнитное поле (и его изменение со временем) описывается в электродинамике в классическом приближении посредством системы уравнений Максвелла. При переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой электрическое и магнитное поле в новой системе отсчета — каждое зависит от обоих — электрического и магнитного — в старой, и это ещё одна из причин, заставляющая рассматривать электрическое и магнитное поле как проявления единого электромагнитного поля.

В современной формулировке электромагнитное поле представлено тензором электромагнитного поля, компонентами которого являются три компонента напряжённости электрического поля и три компонента напряжённости магнитного поля (или — магнитной индукции), а также четырёхмерным электромагнитным потенциалом — в определённом отношении ещё более важным.

Действие электромагнитного поля на заряженные тела описывается в классическом приближении посредством силы Лоренца.

Квантовые свойства электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами (а также квантовые поправки к классическому приближению) — предмет квантовой электродинамики, хотя часть квантовых свойств электромагнитного поля более или менее удовлетворительно описывается упрощённой квантовой теорией, исторически возникшей заметно раньше.

Возмущение электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве, называется электромагнитной волной (электромагнитными волнами)^{[~ 1]}. Любая электромагнитная волна распространяется в пустом пространстве (вакууме) с одинаковой скоростью — скоростью света (свет также является электромагнитной волной). В зависимости от длины волны электромагнитное излучение подразделяется на радиоизлучение, свет (в том числе инфракрасный и ультрафиолет), рентгеновское излучение и гамма-излучение.

История открытия

Известные ещё со времён античности электричество и магнетизм до начала XIX в. считались явлениями, не связанными друг с другом, и рассматривались в разных разделах физики.

В 1819 г. датский физик Г. Х. Эрстед обнаружил, что проводник, по которому течёт электрический ток, вызывает отклонение стрелки магнитного компаса, расположенного вблизи этого проводника, из чего следовало, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны.

Французский физик и математик А. Ампер в 1824 г. дал математическое описание взаимодействия проводника тока с магнитным полем (см. Закон Ампера).

В 1831 г. английский физик М. Фарадей экспериментально обнаружил и дал математическое описание явления электромагнитной индукции — возникновения электродвижущей силы в проводнике, находящемся под действием изменяющегося магнитного поля.

В 1864 г. Дж. Максвелл создаёт теорию электромагнитного поля, согласно которой электрическое и магнитное поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого — электромагнитного поля. Эта теория с единой точки зрения объясняла результаты всех предшествующих исследований в области электродинамики, и, кроме того, из неё вытекало, что любые изменения электромагнитного поля должны порождать электромагнитные волны, распространяющиеся в диэлектрической среде (в том числе, в пустоте) с конечной скоростью, зависящей от диэлектрической и магнитной проницаемости этой среды. Для вакуума теоретическое значение этой скорости было близко к экспериментальным измерениям скорости света, полученным на тот момент, что позволило Максвеллу высказать предположение (впоследствии подтвердившееся), что свет является одним из проявлений электромагнитных волн.

Теория Максвелла уже при своем возникновении разрешила ряд принципиальных проблем электромагнитной теории, предсказав новые эффекты и дав надежную и эффективную математическую основу описанию электромагнитных явлений. Однако при жизни Максвелла наиболее яркое предсказание его теории — предсказание существования электромагнитных волн — не получило прямых экспериментальных подтверждений.

В 1887 г. немецкий физик Г. Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические выводы Максвелла. Его экспериментальная установка состояла из находящихся на некотором расстоянии друг от друга передатчика и приёмника электромагнитных волн, и фактически представляла собой исторически первую систему радиосвязи, хотя сам Герц не видел никакого практического применения своего открытия, и рассматривал его исключительно как экспериментальное подтверждение теории Максвелла.

В XX в. развитие представлений об электромагнитном поле и электромагнитном излучении продолжилось в рамках квантовой теории поля, основы которой были заложены великим немецким физиком Максом Планком. Эта теория, в целом завершенная рядом физиков около середины XX века, оказалась одной из наиболее точных физических теорий, существующих на сегодняшний день.

Во второй половине XX века (квантовая) теория электромагнитного поля и его взаимодействия была включена в единую теорию электрослабого взаимодействия и ныне входит в так называемую стандартную модель в рамках концепции калибровочных полей (электромагнитное поле является с этой точки зрения простейшим из калибровочных полей — абелевым калибровочным полем).

Классификация

Электромагнитное поле с современной точки зрения есть безмассовое^{[~ 2]} абелево^{[~ 3]}векторное^{[~ 4]}калибровочное^{[~ 5]} поле. Его калибровочная группа — группа U(1).

Среди известных (не гипотетических) фундаментальных полей электромагнитное поле — единственное, относящееся к указанному типу. Все другие поля такого же типа (которые можно рассматривать, по крайней мере, чисто теоретически) — (были бы) полностью эквивалентны электромагнитному полю, за исключением, быть может, констант.

Физические свойства

Физические свойства электромагнитного поля и электромагнитного взаимодействия — предмет изучения электродинамики, с классической точки зрения оно описывается классической электродинамикой, а с квантовой — квантовой электродинамикой. В принципе, первая является приближением второй, заметно более простым, но для многих задач — очень и очень хорошим.

В рамках квантовой электродинамики электромагнитное излучение можно рассматривать как поток фотонов. Частицей-переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон (частица, которую можно представить как элементарное квантовое возбуждение электромагнитного поля) — безмассовый векторный бозон. Фотон также называют квантом электромагнитного поля (подразумевая, что соседние по энергии стационарные состояния свободного электромагнитного поля с определённой частотой и волновым вектором различаются на один фотон).

Электромагнитное взаимодействие — это один из основных видов дальнодействующих фундаментальных взаимодействий, а электромагнитное поле — одно из фундаментальных полей.

Существует теория (входящая в Стандартную модель), объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействие в одно — электрослабое. Также существуют теории, объединяющие электромагнитное и гравитационное взаимодействие (например, теория Калуцы-Клейна). Однако последняя, при её теоретических достоинствах и красоте, не является общепринятой (в смысле её предпочтительности), так как экспериментально не обнаружено её отличий от простого сочетания обычных теорий электромагнетизма и гравитации, а также теоретических преимуществ в степени, заставившей бы признать её особенную ценность. Это же (в лучшем случае) можно сказать пока и о других подобных теориях: даже лучшие из них, по меньшей мере, недостаточно разработаны, чтобы считаться вполне успешными.

Безопасность электромагнитных полей

В связи со всё большим распространением источников ЭМП в быту (СВЧ-печи, мобильные телефоны, теле-радиовещание) и на производстве (оборудование ТВЧ, радиосвязь), большое значение приобретают нормирование уровней ЭМП и изучение возможного влияния ЭМП на человека^[1]. Нормирование уровней ЭМП проводится раздельно для рабочих мест и санитарно-селитебной зоны.

Контроль за уровнями ЭМП возложен на органы санитарного надзора и инспекцию электросвязи, а на предприятиях — на службу охраны труда.

Предельно-допустимые уровни ЭМП в разных радиочастотных диапазонах различны.

См. также

Примечания

1. ↑ Подразумевается распространение со слабым убыванием по интенсивности; в вакууме подразумевается убывание с расстоянием от источника медленнее, чем убывание статического (кулоновского) поля; плоская электромагнитная волна — пока приближение плоской волны верно и в пренебрежении поглощением (или в идеальном вакууме) — вообще не убывает по амплитуде, сферическая — убывает медленнее, чем соответственно напряженность или потенциал в законе Кулона.
2. ↑ Параметр m (масса) в уравнении Клейна-Гордона для электромагнитного поля равен нулю (иначе говоря, это означает, что электромагнитный потенциал подчиняется — в определённой калибровке — просто волновому уравнению. С этим связан факт, что фотон (в вакууме) нельзя — как и любую безмассовую частицу — остановить, он всегда движется с одной и той же скоростью — скоростью света.
3. ↑ В наиболее простой интерпретации это означает, что электромагнитное поле непосредственно не взаимодействует само с собой, то есть что электромагнитное не имеет электрического заряда. Фотон не может сам непосредственно излучить или поглотить другой фотон.
4. ↑ При применении терминов в узком смысле калибровочными считаются только векторные поля; но мы, во всяком случае, обозначим здесь векторный характер электромагнитного поля явно.
5. ↑ Калибровочным электромагнитное поле является при рассмотрении его во взаимодействии с электрически заряженными частицами; понятие калибровочного поля всегда подразумевает подобное взаимодействие (подобное в каком-то смысле; конкретный способ взаимодействия может заметно отличаться).

Литература

Ссылки

1. ↑ Ю. А. Холодов. Мозг в электромагнитных полях. — М.: Наука, 1982. — P. 123. — (Человек и окружающая среда).

Электромагнитное поле

Между электрическим и магнитным полем существует глубокая внутренняя связь. Она проявляется в том, что данные поля могут превращаться друг в друга. Так, любому изменению магнитного поля всегда сопутствует появление электрического поля и наоборот. Изменение электрического поля влечет за собой появление магнитного поля. Эти два поля образуют электромагнитное поле, которое не их простая сумма, это единое целое, в котором эти два поля не существуют отдельно. Взаимопревращения этих полей было открыто Максвеллом в середине XIX века, который рассмотрел общую теорию электромагнитного поля в неподвижных средах. Теория, которую предложил Максвелл, позволила с единой точки зрения охватить всю совокупность явлений, которые были известны к тому времени и касались электрических и магнитных полей.

Электромагнитное поле, по сути, является непрерывным процессом перехода электрического поля в магнитное поле и наоборот. Распространяясь в пространстве и во времени электромагнитное поле образует электромагнитную волну. При этом вектор $\overrightarrow{E}$ перпендикулярен $\overrightarrow{B}$, плоскость, в которой расположены данные векторы, перпендикулярна направлению распространения электромагнитной волны.

Замечание 1

Электромагнитное поле — особый вид материи, оно имеет энергию, конечную скорость распространения, которая зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды, массу, импульс. С помощью электромагнитного поля осуществляется взаимодействие между заряженными частицами.

С одной стороны электромагнитное поле непрерывно в пространстве, что подтверждается существованием электромагнитных волн. С другой стороны электромагнитное поле проявляет дискретность структуры, что подтверждается существованием фотонов.

Электромагнитные поля описываются с использованием системы уравнений Максвелла.

Постоянное электромагнитное поле

Постоянным электромагнитным полем будем называть поле, которое не зависит от времени. Потенциалы постоянного поля можно выбрать так, чтобы они не зависели от времени, а были только функциями координат. При этом постоянное магнитное поле можно определить через векторный потенциал ($\overrightarrow{A}$):

Постоянное электрическое поле запишем как:

Так, постоянное электрическое поле определяется только скалярным потенциалом, а магнитное поле — векторным потенциалом.

Замечание 2

При этом необходимо отметить, что потенциалы поля определяются неоднозначно. Если описывать электромагнитное поле с помощью потенциалов, которые не зависят от времени, то к скалярному потенциалу можно добавить любую константу, не изменив поля. Произвол в скалярном потенциале убирают, накладывая на $цo$ дополнительное условие, например, требуя, чтобы он имел определенную величину, в какой — то точке, например, был равен нулю в бесконечности. Векторный потенциал неоднозначен для постоянного электромагнитного поля, если к нему добавить градиент любой функции координат, то поле не изменится.

В том случае, если напряженность поля во всех точках пространства одинакова, то такое поле называют однородным. Скалярный потенциал однородного электрического поля можно выразить как:

Проверим справедливость данного утверждения. Найдем градиент от правой и левой частей выражения (3), учитывая, что $\overrightarrow{E}=const$:

Векторный потенциал однородного магнитного поля можно выразить как:

Проверим данное утверждение, для этого найдем ротор от векторного произведения в правой части выражения (5), при этом учтем, что $\overrightarrow{H}=const$.

где $div\overrightarrow{r}=3.$

Энергия заряда в постоянном электромагнитном поле

В том случае, если мы имеем дело с постоянным электромагнитным полем, то функция Лагранжа для заряда не зависит в явном виде от времени. Тогда энергия ($W$) сохраняется, при этом совпадает с функцией Гамильтона:

где $q \varphi $ — потенциальная энергия заряженной частицы в поле. Надо отметить, что энергия зависит только от скалярного и не зависит от векторного потенциала. То есть магнитное поле не оказывает влияния на энергию зарядов, энергию заряженной частицы может изменять только электрическое поле. Как известно, магнитное поле в отличие от электрического поля работы над заряженной частицей не производит.

Пример 1

Задание: Объясните, почему нельзя абсолютно определенно утверждать, что в какой — либо точке пространства имеется только электрическое поле или только магнитное поле?

Решение:

Невозможно создать переменное магнитное поле так, чтобы одновременно с этим событием в пространстве не возникло переменное электрическое поле, и наоборот. Однако не менее важным является тот факт, что магнитное поле без электрического (и электрическое поле без магнитного) могут иметься лишь относительно к определенной системе отсчета. Допустим, неподвижный заряд порождает только электрическое поле, но заряд покоится только относительно определенной системы отсчета. Если взять иную систему отсчета, этот же заряд может двигаться, соответственно, будет генерировать магнитное поле, помимо электрического поля.

Аналогично можно рассмотреть ситуацию с неподвижным постоянным магнитом, который порождает только магнитное поле. Тогда как движущийся мимо магнита наблюдатель зафиксирует наличие и магнитного, и электрического полей. Так как в системе отсчета, которая движется относительно магнита, магнитное поле будет переменным, значит, станет порождать вихревое электрическое поле.

Следовательно, надо сделать вывод о том, что однозначно утверждать, что в выбранной точке пространства существует только магнитное или только электрическое поле бессмысленно, если не указывать, относительно какой системы отсчета рассматриваются данные поля.

Пример 2

Задание: Объясните, каким образом человек узнает о том, что в данном месте пространства существует электромагнитное поле?

Решение:

Человек не может непосредственно воспринимать электромагнитное поле, за исключением поля световой волны. О том, течет ли электрический ток по проводнику, человек может узнать только опосредованно, например, по тепловым эффектам (нагрев проводника), механическим эффектам (отклонению стрелки гальванометра). Мы можем понять, что тело имеет заряд только по тому, что оно притягивает другое заряженное тело или разряжается через искру, когда его приближают к другому заряженному телу. Итак, мы можем сделать вывод о том, что имеем дело с электромагнитным полем, только по наблюдаемым, (при определенных условиях) появлению или исчезновению доступных восприятию человека, форм энергий (тепловой, механической). Исходя из закона сохранения энергии, можно сделать вывод, что появление или исчезновение воспринимаемых нами видов энергии происходит за счет перехода какой — то другой формы энергии, которую называют энергией электромагнитного поля.