Електростатичне поле потенційне чи вихрове. Вихрове електричне поле Гіпермаркет знань. Дидактичні особливості комп'ютера
Відповідно до закону Фарадея для електромагнітної індукції в контурі, що рухається в магнітному полі, виникає ЕРС, пропорційна швидкості зміни магнітного потоку в цьому контурі
Досвідами Фарадея також встановлено, що ЕРС електромагнітної індукції, яка визначається виразом (67), виникає і тоді, коли нерухомий контур пронизує магнітне поле, що змінюється (рисунок 48).
Якщо в контурі, що рухається, причиною виникнення ЕРС є сила Лоренца, то механізм її виникнення в нерухомому контурі (провіднику) стає неясним. Очевидно, стороння сила, що розділяє заряди в контурі, не може мати електростатичне походження, оскільки кулонівські сили не призводять до зростання різниці потенціалів, до її вирівнювання.
Малюнок 48
За загальним визначенням ЕРС джерела ε (68)
де - Напруженість поля сторонніх сил.
З іншого боку 
. (69)
Символ приватної похідної у вираженні (69) свідчить про те, що у випадку індукція магнітного поля залежить як від часу, а й від координат.
З урахуванням формул (69) та (68) закон Фарадея для електромагнітної індукції перетворюється на вид 
. (70)
Відповідно до отриманого виразу (70), будь-яка зміна магнітного поля, що пронизує контур, призводить до появи напруженості поля сторонніх сил і. як наслідок, до виникнення у контурі ЕРС електромагнітної індукції. При цьому зміна магнітного поля не супроводжується механічними, хімічними, тепловими та іншими змінами контуру. Англійський фізикДж. Максвелл запропонував гіпотезу, за якою сторонні сили, що розділяють заряди в контурі, мають електричну природу. Тоді й співвідношення (70) можна записати як 
. (71)
Згідно з формулою (71), в магнітному полі, що змінюється, циркуляція вектора напруженості електричного поля не дорівнює нулю, тобто електричне поле є вихровим (рисунок 49).
Важливо відзначити, що вихрове електричне поле виникає в будь-якому просторі, тобто для існування наявність провідного контуру необов'язково. Але якщо це поле виникло в провідному середовищі, воно призводить до появи вихрових струмів або струмів Фуко (рисунок 50).
У провідниках, що мають малий питомий опір, ці струми можуть досягати більших величин. У зв'язку з цим їх часто використовують для індукційного нагрівання металевих деталей під час гартування, знегажують арматури електронних приладів тощо.
Малюнок 49 Малюнок 50
При роботі електричних машин (електродвигунів, електрогенераторів, трансформаторів) ці струми призводять до небажаних теплових втрат у металевих магнітопроводах. Для зменшення втрат сердечники трансформаторів, статори та ротори електричних машин набирають із тонких ізольованих один від одного пластин з електротехнічної сталі. В інших випадках як магнітопроводи застосовують високоомні магнітні матеріали - ферити.
Кінець роботи -
Ця тема належить розділу:
Електростатичне поле
Фізичні та Хімічні властивостіречовини від атома до живої клітини значною мірою пояснюються електричними силами електричні.. електростатичне.. приклад середовище e вакуум повітря гас вода
Якщо Вам потрібний додатковий матеріал на цю тему, або Ви не знайшли те, що шукали, рекомендуємо скористатися пошуком по нашій базі робіт:
Що робитимемо з отриманим матеріалом:
Якщо цей матеріал виявився корисним для Вас, Ви можете зберегти його на свою сторінку в соціальних мережах:
| Твітнути |
Всі теми цього розділу:
Неоднорідні ланцюги
Електричний ланцюг, в якому безперервне протікання струму забезпечується за рахунок сторонніх сил, називається н
Магнітне поле у вакуумі
Поблизу нерухомих зарядів з'являється електростатичне поле. Рух зарядів (протікання електричного струму) призводить до появи нової форми матерії – магнітного поля. Це особа
Циркуляція вектора магнітної індукції
За аналогією з електростатикою визначається поняття циркуляції вектора по замкнутому контуру
Контур зі струмом у однорідному магнітному полі
Застосуємо закон Ампера до прямокутного контуру зі струмом у однорідному магнітному полі. На ребра “a” діє сила
Контур зі струмом у неоднорідному магнітному полі
Якщо контур зі струмом перебуває у неоднорідному магнітному полі, то різні його ділянки діють неоднакові сили
Контур зі струмом у радіальному магнітному полі
З формул (37) і (38) випливає, що в однорідному магнітному полі крутний момент, що діє на контур зі струмом максимальний, якщо
Електродвигуни
З малюнка 23 випливає, що при обраній орієнтації полюсів магніту та напрямки струму а контурі крутний момент спрямований «на нас», тобто прагне повернути контур проти годинника
Робота магнітного поля
Якщо чинна на провідник зі струмом з боку магнітного поля сила ампера викликає його переміщення, то про
Намагніченість речовин
Різні речовинив магнітному полі намагнічуються, тобто набувають магнітного моменту і самі стають джерелами магнітних полів. Результуюче магнітне поле в середовищі є сумою полів,
Діа-, пара- та феромагнетики та їх застосування
Магнітний момент атома включає кілька складових, де
Діамагнетики
У деяких атомів (Cu, Au, Zn та ін.) електронні оболонки мають таку будову, що орбітальний і спиновий моменти взаємно компенсовані, і в цілому магнітний момент атома дорівнює н
Парамагнетики
У атомів таких речовин, як Al, Mn, Os та ін. некомпенсований сумарний орбітальний момент, тобто відсутність зовнішнього поля у них є власні магнітні моменти. Теплове
Феромагнетики та їх застосування
Речовини, у яких магнітна проникність досягає сотень і навіть мільйонів одиниць,
Електромагнітна індукція
В основі сучасного способу виробництва електроенергії лежить фізичне явищеелектромагнітної індукції, відкрите Фарадеєм у 1831 р. Сучасна енергетика дедалі більше
Явище електромагнітної індукції
Розглянемо сутність електромагнітної індукції та принципи, що призводять до цього явища. Припустимо, що провідник 1-2 переміщається у магнітному полі зі швидкістю
Електрогенератор
Закон Фарадея належить до фундаментальних законів природи і є наслідком закону збереження енергії. Він широко застосовується у техніці, зокрема, у генераторах. Основна година
Самоіндукція
Явище електромагнітної індукції спостерігається у всіх випадках, коли змінюється магнітний потік, що пронизує контур. Зокрема, магнітний потік створюється і струмом, що тече в самому контурі. Тому
Перехідні процеси в ланцюгах з індуктивністю
Розглянемо ланцюг, що містить індуктивність та активний опір (рисунок 44). У вихідному стані ключ S був у нейтральному положенні. Нехай у момент часу t
Взаємна індукція. Трансформатор
Явище взаємної індукції – це окремий випадок явища електромагнітної індукції. Помістимо два кін
Рівняння максвела
До середини XIX століття було накопичено велику кількість експериментальних фактів з електрики та магнетизму. Неоціненний внесок у це зробив М. Фарадей, вінцем творчих успіхів якого
Енергія магнітного поля
Розрахуємо енергію магнітного поля. Для цього обчислимо роботу джерела струму в ланцюзі з індуктивністю. При встановленні струму в такому ланцюзі за законом Ома маємо iR = ε
Струм зміщення
Відповідно до прямої гіпотези Дж. Максвелла змінне магнітне поле породжує змінне електричне поле. Зворотна гіпотеза Максвелла стверджує, що змінна електрика
Рівняння Максвелла
У 1860-65 рр. Максвел розвинув теорію єдиного електромагнітного поля, яке описується системою рівнянь Максвелла
ЕРС індукції виникає або в нерухомому провіднику, поміщеному в поле, що змінюється в часі, або в провіднику, що рухається в магнітному полі, яке може не змінюватися з часом. Значення ЕРС в обох випадках визначається законом (12.2), але походження ЕРС по-різному. Розглянемо спочатку перший випадок.
Нехай перед нами стоїть трансформатор - дві котушки, надіті на сердечник. Включивши первинну обмотку в мережу, ми отримаємо струм у вторинній обмотці (рис. 246), якщо вона замкнута. Електрони в проводах вторинної обмотки почнуть рухатися. Але які ж сили змушують їх рухатися? Саме магнітне поле, що пронизує котушку, цього зробити не може, так як магнітне поле діє виключно на заряди, що рухаються (цим-то воно і відрізняється від електричного), а провідник з електронами, що знаходяться в ньому, нерухомий.
Крім магнітного поля, на заряди діє ще електричне поле. Причому воно може діяти і на нерухомі заряди. Але те поле, про яке поки що йшлося (електростатичне і стаціонарне поле), створюється електричними зарядами, а індукційний струм утворюється під дією змінного магнітного поля. Це змушує припустити, що електрони в нерухомому провіднику рухаються електричним полем і це поле безпосередньо породжується змінним магнітним полем. Тим самим утверджується нова фундаментальна властивість поля: змінюючись у часі, магнітне поле породжує електричне поле. Цього висновку вперше дійшов Максвелл.
Тепер явище електромагнітної індукції постає маємо у новому світлі. Головне в ньому – це процес породження магнітним полем електричного поля. При цьому наявність проводящего контуру, наприклад котушки, не змінює істоти справи. Провідник із запасом вільних електронів (або інших частинок) лише дозволяє виявити електричне поле. Поле надає руху електрони у провіднику і цим виявляє себе. Сутність явища електромагнітної індукції в нерухомому провіднику полягає не так у появі індукційного струму, як у виникненні електричного поля, що надає руху електричним зарядам.
Виникає зміні магнітного поля електричне полі має зовсім іншу структуру, ніж електростатичне. Воно не пов'язане безпосередньо з електричними зарядами, та його лінії напруженості не можуть на них починатися та закінчуватися. Вони взагалі ніде не починаються і не закінчуються, а являють собою замкнуті лінії, подібні до ліній індукції магнітного поля. Це так зване вихрове електричне поле (мал. 247).
Напрямок його силових ліній збігається із напрямком індукційного струму. Сила, що діє з боку вихрового електричного поля на заряд, як і раніше, дорівнює: Але на відміну від стаціонарного електричного поля робота вихрового поля на замкнутому шляху не дорівнює нулю. Адже при переміщенні заряду вздовж замкнутої лінії напруги
електричного поля (рис. 247) робота на всіх ділянках шляху матиме той самий знак, оскільки сила і переміщення збігаються у напрямку. Робота вихрового електричного поля по переміщенню одиничного позитивного заряду на замкнутому шляху є ЕРС індукції в нерухомому провіднику.
Бетатрон. При швидкому зміні магнітного поля сильного електромагніту з'являються потужні вихори електричного поля, які можна використовуватиме прискорення електронів до швидкостей, близьких до швидкості світла. На цьому принципі засновано влаштування прискорювача електронів - бетатрону. Електрони в бетатроні прискорюються вихровим електричним полем всередині кільцевої вакуумної камери, поміщеної в зазорі електромагніту М (рис. 248).
Змінне магнітне поле породжує індуковане електричне поле. Якщо магнітне поле постійно, то індуковане електричне поле не виникне. Отже, індуковане електричне поле не пов'язане із зарядами, як це має місце у разі електростатичного поля; його силові лінії не починаються і не закінчуються на зарядах, а замкнуті самі на себе, подібно до силових ліній магнітного поля. Це означає, що індуковане електричне поле, подібно до магнітного, є вихровим.
Якщо нерухомий провідник помістити у змінне магнітне поле, то ньому індукується е. д. с. Електрони наводяться у спрямований рух електричним полем, індукованим змінним магнітним полем; виникає індукований електричний струм. І тут провідник є лише індикатором індукованого електричного поля. Поле надає руху вільні електрони в провіднику і цим виявляє себе. Тепер можна стверджувати, що і без провідника це поле існує, маючи запас енергії.
Сутність явища електромагнітної індукції полягає не так у появі індукованого струму, як у виникненні вихрового електричного поля.
Це фундаментальне становище електродинаміки встановлено Максвеллом як узагальнення закону електромагнітної індукції Фарадея.
На відміну від електростатичного поля індуковане електричне поле є непотенційним, так як робота, що здійснюється в індукованому електричному полі при переміщенні одиничного позитивного заряду по замкнутому контуру дорівнює е. д. с. індукції, а чи не нулю.
Напрямок вектора напруженості вихрового електричного поля встановлюється відповідно до закону електромагнітної індукції Фарадея та правил Ленца. Напрямок силових ліній вихрового ел. поля збігаються з напрямком індукційного струму.
Так як вихрове електричне поле існує і без провідника, то його можна застосовувати для прискорення заряджених частинок до швидкостей, порівнянних зі швидкістю світла. Саме на використанні цього принципу засновано дію прискорювачів електронів – бетатронів.
Індукційне електричне поле має зовсім інші властивості, на відміну від електростатичного поля.
Відмінність вихрового електричного поля від електростатичного
1) Воно пов'язані з електричними зарядами;
2) Силові лінії цього поля завжди замкнуті;
3) Робота сил вихрового поля щодо переміщення зарядів на замкнутій траєкторії не дорівнює нулю.
|
електростатичне поле |
індукційне електричне поле |
| 1. створюється нерухомими електр. зарядами | 1. викликається змінами магнітного поля |
| 2. силові лінії поля розімкнені - потенційне поле | 2. силові лінії замкнуті – вихрове поле |
| 3. джерелами поля є електр. заряди | 3. джерела поля вказати не можна |
| 4. робота сил поля з переміщення пробного заряду замкненим шляхом = 0. | 4. робота сил поля по переміщенню пробного заряду замкненим шляхом = ЕРС індукції |
Якщо замкнутий провідник, що знаходиться в магнітному полі, нерухомий, то пояснити виникнення ЕРС індукції дією сили Лоренца не можна, тому що вона діє тільки на заряди, що рухаються.
Відомо, що рух зарядів може відбуватися також під дією електричного поля. Отже, можна припустити, що електрони в нерухомому провіднику наводяться в рух електричним полем, і це поле безпосередньо породжується змінним магнітним полем. До цього висновку вперше дійшов Дж. Максвелл.
Електричне поле, яке створюється змінним магнітним полем, називається індукованим електричним полем. Воно створюється в будь-якій точці простору, де є змінне магнітне поле, незалежно від того, є там провідний контур чи ні. Контур дозволяє лише виявити електричне поле, що виникає. Тим самим Дж. Максвел узагальнив уявлення М. Фарадея про явище електромагнітної індукції, показавши, що саме у виникненні індукованого електричного поля, викликаного зміною магнітного поля, полягає фізичний сенсявища електромагнітної індукції
Індуковане електричне поле відрізняється від відомих електростатичного та стаціонарного електричного полів.
1. Воно викликане не якимось розподілом зарядів, а змінним магнітним полем.
2. На відміну від ліній напруженості електростатичного та стаціонарного електричного полів, що починаються на позитивних зарядах та закінчуються на негативних зарядах, лінії напруженості індукованого поля - замкнені лінії. Тому це поле - вихрове поле.
Дослідження показали, що лінії індукції магнітного поля та лінії напруженості вихрового електричного поля розташовані у взаємно перпендикулярних площинах. Вихрове електричне поле пов'язане з змінним магнітним полем, що наводить його, правилом лівого гвинта:
якщо вістря лівого гвинта поступово рухається у напрямку ΔΒ , то поворот головки гвинта вкаже напрямок ліній напруженості індукованого електричного поля (рис. 1).
3. Індуковане електричне поле не є потенційним. Різниця потенціалів між будь-якими двома точками провідника, яким проходить індукційний струм, дорівнює 0. Робота, що здійснюється цим полем при переміщенні заряду по замкнутій траєкторії, не дорівнює нулю. ЕРС індукції і є робота індукованого електричного поля з переміщенню одиничного заряду по аналізованому замкнутому контуру, тобто. не потенціал, а ЕРС індукції є енергетичною характеристикою індукованого поля.
Література
Аксенович Л. А. Фізика в середній школі: Теорія. Завдання. Тести: Навч. посібник для установ, які забезпечують отримання заг. середовищ, освіти/Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракіна, К. С. Фаріно; За ред. К. С. Фаріно. – Мн.: Адукація i виховання, 2004. – C. 350-351.
Крім потенційного кулонівського електричного існує вихрове поле, в якому є замкнуті лінії напруженості. Знаючи загальні властивостіелектричного поля, легше зрозуміти природу вихрового. Воно породжується магнітним полем, що змінюється.
Що викликає індукційний струм провідника, що у нерухомому стані? Що таке індукція електричного поля? Відповідь на ці запитання, а також про відмінність вихрового від електростатичного та стаціонарного, струмів Фуко, феритів та іншого ви дізнаєтеся з наступної статті.
Як змінюється магнітний потік
Вихрове електричне поле, що з'явилося за магнітним, зовсім іншого роду, ніж електростатичне. Воно не має прямого зв'язку із зарядами, і напруженості на його лініях не починаються і не закінчуються. Це замкнені лінії, як у магнітного поля. Тому воно і називається вихрове електричне поле.
Магнітна індукція
Магнітна індукція змінюватиметься тим швидше, чим більша напруженість. Правило Ленца говорить: зі збільшенням магнітної індукції напрям вектора напруженості електрополя створює лівий гвинт із напрямком іншого вектора. Тобто при обертанні лівого гвинта у напрямку з лініями напруженості його поступальне переміщення стане таким самим, як і вектор магнітної індукції.
Якщо ж магнітна індукція зменшуватиметься, то напрям вектора напруженості створить правий гвинт з напрямком іншого вектора.
Силові лінії напруженості мають той самий напрямок, що й індукційний струм. Вихрове електричне поле діє на заряд із тією самою силою, що й до нього. Проте в даному випадку його робота з переміщення заряду є відмінною від нуля, як у стаціонарному електричному полі. Так як сила і переміщення мають один напрямок, то і робота на всьому протязі шляху замкненої лінії напруженості буде колишньою. Робота позитивного одиничного заряду тут дорівнюватиме електрорушійній силі індукції у провіднику.
Струми індукції в масивних провідниках
У масивних провідниках індукційні струми набувають максимальних значень. Це тому, що вони мають малий опір.
Називаються такі струми струмами Фуко (це французький фізик, який їх досліджував). Їх можна використовуватиме зміни температури провідників. Саме цей принцип закладено в індукційних печах, наприклад, побутових НВЧ. Він застосовується для плавлення металів. Електромагнітна індукція використовується і в металевих детекторах, розташованих в аеровокзалах, театрах та інших. громадських місцяхзі скупченням великої кількості людей.
Але струми Фуко призводять до втрат енергії для одержання тепла. Тому сердечники трансформаторів, електричних двигунів, генераторів та інших пристроїв із заліза виготовляють не суцільними, а із різних пластин, які один від одного ізольовані. Пластини повинні бути строго в перпендикулярному положенні щодо вектора напруженості, який має вихрове електричне поле. Пластини тоді матимуть максимальний опір струму, а тепла виділятиметься мінімальна кількість.
Феріти
Радіоапаратура функціонує на високих частотах, де число досягає мільйонів коливань на секунду. Котушки сердечників тут не будуть ефективними, тому що струми Фуко з'являться в кожній пластині.
Існують ізолятори магнітів під назвою ферити. Вихрові струми в них не з'являться під час перемагнічування. Тому втрати енергії для тепла зводяться до мінімальних. З них виготовляють осердя, що використовується для високочастотних трансформаторів, транзисторні антени і так далі. Їх одержують із суміші початкових речовин, яку пресують та обробляють термічним шляхом.
Якщо магнітне поле у феромагнетиці швидко змінюється, це веде до появи індукційних струмів. Їхнє магнітне поле перешкоджатиме зміні магнітного потоку в сердечнику. Тому потік не змінюватиметься, а сердечник — перемагнічуватиметься. Вихрові струми у феритах такі малі, що можуть швидко перемагнічуватися.
