Электрическое и магнитное поля как две стороны единого электромагнитного поля

Электромагнитное поле имеет две взаимосвязанные стороны – электрическое поле и магнитное поле, между которыми существует тесная связь. Между тем на практике можно создать условия, когда в некоторой области пространства обнаруживаются только электрические или только магнитные явления. Например, вне заряженных неподвижных проводящих тел обнаруживается только электрическое поле (между обкладками конденсатора). Аналогично в пространстве, окружающем неподвижные постоянные магниты, обнаруживается только магнитное поле. Однако это вовсе не означает, что при этом отсутствуют другие составляющие ЭМП. Так, заряды неподвижных заряженных тел образуются совокупностью зарядов элементарных заряженных частиц, движущихся хаотически около поверхностей тел. Каждая такая частица окружена электромагнитным полем, но вследствие хаотического движения частиц их результирующее магнитное поле практически исчезает уже на ничтожных расстояниях от поверхностей тел. Электрические же поля частиц при избытке на теле частиц с зарядами того или иного знака суммируются и обнаруживаются в окружающем тела пространстве.

Электрическое поле создается электрическими зарядами, а также изменяющимся магнитным полем. Магнитное поле создается движущимися заряженными частицами, а также изменяющимся электрическим полем.

Электрическим полем называют одну из сторон электромагнитного поля, характеризующуюся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и не зависящей от ее скорости.

Электрическое поле в каждой его точке характеризуется напряженностью.

Напряженность электрического поля () есть векторная величина, характеризующая электрическое поле и определяющая силу, действующую на заряженную частицу со стороны электрического поля.

Вектор напряженности электрического поля совпадает по направлению с вектором механической силы, действующей на положительно заряженное пробное тело (точечное заряженное тело) с зарядом q ₀ и численно равен

. (1)

Определив напряженность поля во всех его точках, можно провести ряд линий так, чтобы в каждой точке этих линий касательные к ним совпадали по направлению с вектором напряженности поля (рисунок 2). Эти линии называют линиями напряженности электрического поля. На чертеже их изображают со стрелками, указывающими направление вектора . Совокупность таких линий образует картину электрического поля.

Рисунок 2

Таким образом, на любое неподвижное точечное тело с зарядом q ₀, помещенное в электромагнитное поле, действует сила, пропорциональная напряженности электрического поля и совпадающая по направлению с направлением вектора

. (2)

На движущуюся заряженную частицу кроме силы электрического поля действует еще одна сила, обусловленная наличием магнитного поля.

Магнитным полем называют одну из двух сторон электромагнитного поля, характеризующуюся воздействием на движущуюся электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и ее скорости.

Таким образом, магнитное поле действует только на движущиеся заряженные частицы и тела.

Значение дополнительной силы (обозначим ее ) пропорционально заряду q ₀ движущихся частиц, и ее направление зависит от направления вектора скорости этих частиц. В каждой точке магнитного поля в каждый момент времени можно выбрать определенное направление (на рисунке 3 обозначено единичным вектором ), характеризующееся тем, что сила оказывается наибольшей, когда вектор скорости перпендикулярен вектору , т. е. лежит в плоскости S, перпендикулярной . При любом другом направлении вектора скорости сила будет меньше (она пропорциональна проекции (рисунок 3, б) вектора на эту плоскость. Вектор силы перпендикулярен вектору и вектору скорости .

а б

Рисунок 3

Магнитное поле в каждой его точке характеризуется физической величиной, называемой магнитной индукцией. Магнитная индукция является векторной величиной. Вектор магнитной индукции имеет направление, совпадающее с направлением вектора (рисунок 3). Магнитная индукция определяет силу , действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля. Эта сила пропорциональна значению магнитной индукции:

, (3)

где - векторное произведение векторов и (, где a - угол между векторами и ).

Сила всегда перпендикулярна векторам и . Если векторы и взаимно перпендикулярны, то значение силы будет достигать максимального значения. При таких условиях значение магнитной индукции можно определить из выражения

. (4)

Таким образом, магнитная индукция есть векторная величина, характеризующая магнитное поле и определяющая силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Магнитная индукция численно равна отношению силы, действующей на заряженную частицу, к произведению заряда и скорости частицы, если направление скорости таково, что эта сила максимальна, и имеет направление, перпендикулярное направлению векторов силы и скорости, совпадающее с поступательным перемещением правого винта при вращении его от направления силы к направлению скорости частицы с положительным зарядом.

Численное значение магнитной индукции удобнее определять по ее воздействию на отрезок проводника длиной l с электрическим током i. В этом случае если ось проводника перпендикулярна вектору , то

. (5)

Суммарный заряд элемента (отрезка) проводника может быть равен нулю (поскольку заряд движущихся в нем частиц равен по величине и противоположен по знаку заряду неподвижной решетки, образующей тело проводника). Тогда сила f ₁, действующая на отрезок проводника со стороны электрического поля, равна нулю и суммарная сила, действующая на проводник в ЭМП, определяется только магнитным полем.

Дата добавления: 2014-01-07