Вихревое электрическое поле

§ 12. Вихревое электрическое поле

Вихревое электрическое поле

Глава 2. Электромагнитная индукция

Магнитный поток Ф = BS cos α. Изменение магнитного потока через контур может происходить: 1) в случае неподвижного проводящего контура, помещенного в изменяющееся во времени поле; 2) в случае проводника, движущегося в магнитном поле, которое может и не меняться со временем. Значение ЭДС индукции в обоих случаях определяется законом (2.4), но происхождение этой ЭДС различно.

Рассмотрим сначала первый случай возникновения индукционного тока. Поместим круговой проволочный виток радиусом r в переменное во времени однородное магнитное поле (рис. 2.8).

Пусть индукция магнитного поля увеличивается, тогда будет увеличиваться со временем и магнитный поток через поверхность, ограниченную витком. Согласно закону электромагнитной индукции в витке появится индукционный ток.

При изменении индукции магнитного поля по линейному закону индукционный ток будет постоянен.

Какие же силы заставляют заряды в витке двигаться? Само магнитное поле, пронизывающее катушку, этого сделать не может, так как магнитное поле действует исключительно на движущиеся заряды (этим-то оно и отличается от электрического), а проводник с находящимися в нем электронами неподвижен.

Кроме магнитного поля, на заряды, причем как на движущиеся, так и на неподвижные, действует еще электрическое поле. Но ведь те поля, о которых пока шла речь (электростатическое или стационарное), создаются электрическими зарядами, а индукционный ток появляется в результате действия меняющегося магнитного поля.

Поэтому можно предположить, что электроны в неподвижном проводнике приводятся в движение электрическим полем и это поле непосредственно порождается меняющимся магнитным полем. Тем самым утверждается новое фундаментальное свойство поля: изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле.

К этому выводу впервые пришел Дж. Максвелл.

Теперь явление электромагнитной индукции предстает перед нами в новом свете. Главное в нем — это процесс порождения полем магнитным поля электрического. При этом наличие проводящего контура, например катушки, не меняет существа процесса.

Проводник с запасом свободных электронов (или других частиц) играет роль прибора: он лишь позволяет обнаружить возникающее электрическое поле. Поле приводит в движение электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя.

Сущность явления электромагнитной индукции в неподвижном проводнике состоит не столько в появлении индукционного тока, сколько в возникновении электрического поля, которое приводит в движение электрические заряды.

Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, имеет совсем другую природу, чем электростатическое.

Оно не связано непосредственно с электрическими зарядами, и его линии напряженности не могут на них начинаться и кончаться. Они вообще нигде не начинаются и не кончаются, а представляют собой замкнутые линии, подобные линиям индукции магнитного поля. Это так называемое вихревое электрическое поле (рис. 2.9).

Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряженность электрического поля. Согласно правилу Ленца при возрастании магнитной индукции направление вектора напряженности электрического поля образует левый винт с направлением вектора .

Это означает, что при вращении винта с левой нарезкой в направлении линий напряженности электрического поля поступательное перемещение винта совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Напротив, при убывании магнитной индукции направление вектора напряженности образует правый винт с направлением вектора .

Направление силовых линий напряженности совпадает с направлением индукционного тока. Сила, действующая со стороны вихревого электрического поля на заряд q (сторонняя сила), по-прежнему равна = q. Но в отличие от случая стационарного электрического поля работа вихревого поля по перемещению заряда q на замкнутом пути не равна нулю.

Ведь при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, так как сила и перемещение совпадают по направлению.

Работа вихревого электрического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого неподвижного проводника численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.

Индукционные токи в массивных проводниках. Особенно большого числового значения индукционные токи достигают в массивных проводниках, из-за того, что их сопротивление мало.

Такие токи, называемые токами Фуко по имени исследовавшего их французского физика, можно использовать для нагревания проводников.

На этом принципе основано устройство индукционных печей, например используемых в быту СВЧ-печей. Также этот принцип используется для плавки металлов.

Кроме этого явление электромагнитной индукции используется в детекторах металла, устанавливаемых при входах в здания аэровокзалов, театров и т. д.

Однако во многих устройствах возникновение токов Фуко приводит к бесполезным и даже нежелательным потерям энергии на выделение тепла. Поэтому железные сердечники трансформаторов, электродвигателей, генераторов и т. д.

делают не сплошными, а состоящими из отдельных пластин, изолированных друг от друга. Поверхности пластин должны быть перпендикулярны направлению вектора напряженности вихревого электрического поля.

Сопротивление электрическому току пластин будет при этом максимальным, а выделение тепла — минимальным.

Применение ферритов. Радиоэлектронная аппаратура работает в области очень высоких частот (миллионы колебаний в секунду). Здесь применение сердечников катушек из отдельных пластин уже не дает нужного эффекта, так как большие токи Фуко возникают в каждой пластине.

В § 7 отмечалось, что существуют магнитные изоляторы — ферриты. При перемагничивании в ферритах не возникают вихревые токи. В результате потери энергии на выделение в них тепла сводятся к минимуму.

Поэтому из ферритов делают сердечники высокочастотных трансформаторов, магнитные антенны транзисторов и др. Ферритовые сердечники изготовляют из смеси порошков исходных веществ.

Смесь прессуется и подвергается значительной термической обработке.

При быстром изменении магнитного поля в обычном ферромагнетике возникают индукционные токи, магнитное поле которых, в соответствии с правилом Ленца, препятствует изменению магнитного потока в сердечнике катушки. Из-за этого поток магнитной индукции практически не меняется и сердечник не перемагничивается. В ферритах вихревые токи очень малы, поэтому их можно быстро перемагничивать.

Наряду с потенциальным кулоновским электрическим полем существует вихревое электрическое поле. Линии напряженности этого поля замкнуты. Вихревое поле порождается меняющимся магнитным полем.

Вопросы к параграфу

1. Какова природа сторонних сил, вызывающих появление индукционного тока в неподвижном проводнике?

2. В чем отличие вихревого электрического поля от электростатического или стационарного?

3. Что такое токи Фуко?

4. В чем преимущества ферритов по сравнению с обычными ферромагнетиками?

Источник: http://xn--24-6kct3an.xn--p1ai/%D0%A4%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0_11_%D0%BA%D0%BB_%D0%9C%D1%8F%D0%BA%D0%B8%D1%88%D0%B5%D0%B2/13.html

Вихревое электрическое поле

Вихревое электрическое поле

Выше мы показали, что «максвелловский» вариант основного закона электромагнитной индукции (ЭМИ) не согласуется с экспериментами Фарадея. В максвелловской формулировке

(1)

отсутствуют электрические заряды, которые в трактовке Фарадея играют решающую роль. Можно ли на этом основании утверждать, что соотношение (1) неверно? Разумеется — нет.

Ведь есть множество других экспериментов и вариантов практического использования электромагнитной индукции, где этот закон хорошо выполняется! На мое замечание, что закон Максвелла неверен, один весьма уважаемый доктор физ.-мат.

наук удивился: «Позвольте! Но ведь никто не отменял электромагнитную индукцию в замкнутом контуре! Да и циклические ускорители ведь как-то работают!» В этом замечании указано на два наиболее важных явления, которые — по общему мнению — неоспоримо подтверждают правильность максвелловской формулировки ЭМИ.

Давайте, разберемся: действительно ли ЭДС индукции в замкнутом контуре генерируется непосредственно переменным магнитным полем — без участия зарядов, как это следует из (1)? Мы видели, что возникновение ЭДС индукции в замкнутом контуре можно объяснить по способу пересечения, не прибегая к методу индукции. Но из этого ещё не следует, что переменное магнитное поле не может создавать поле электрическое.

Кроме обсуждавшихся на страницах Парадоксы ЭМИ и «Двуликая» индукция свойств зависимость (1) обладает ещё одним свойством, о котором мы ещё не говорили: если переменный магнитный поток генерирует электрическое поле без участия электрических зарядов, то линии этого поля могут быть только непрерывными (замкнутыми), а само поле может быть только вихревым.

Сторонники максвелловской трактовки ЭМИ едины во мнении, что в замкнутом контуре «работает» именно вихревое электрическое поле.

В качестве обоснования этого утверждения ссылаются на положение теории поля, согласно которому работа в потенциальном поле по любой замкнутой кривой равна нулю.

Работа электрического поля по перемещению единицы заряда в замкнутом проводящем контуре отлична от нуля — она равна ЭДС индукции. Следовательно, электрическое поле, индуцируемое в таком контуре, может быть только вихревым. Так ли это?

На рисунке 1,a показана обычная замкнутая электрическая цепь, в которой генератор создает ток I = Э/R, где Э — ЭДС генератора, а R — полное сопротивление контура.

Рассмотрим некоторый однородный проводящий контур, в котором переменный магнитный поток Ф создает круговую индукционную ЭДС Э (см. Рис. 1,b). Эта схема отличается от цепи на Рис.

1,a лишь тем, что сосредоточенные параметры R и Э здесь распределены по всей длине контура. На участке сопротивлением r = αR генерируется ЭДС

(2)

Здесь α — доля от общей длины контура, которую составляет выделенный участок, а I — ток в контуре. Для всего контура α = 1 и соотношение (2) дает равенство Э = IR — закон Ома для замкнутой цепи.

Выделенный участок контура можно считать локальным «микрогенератором» с внутренним сопротивлением r. Падение потенциала Δφ = Ir является внутренним падением напряжения в таком «генераторе».

Внешнее напряжение на «клеммах» генератора равно u = ε − Δφ = ε − Ir, что (с учетом (2)) дает u  = 0.

Таким образом, напряжение между любыми двумя точками замкнутого проводящего контура, в котором создается индукционная ЭДС, равно нулю! Вывод достаточно неожиданный, но он подтверждается экспериментом.

Физический смысл этого результата в том, что вся электрическая энергия, произведенная на любом участке замкнутого контура по индукционному механизму, целиком теряется на этом же участке (переходит в тепло). Каждый участок контура является как бы одновременно и генератором, и нагрузкой.

На языке электротехники весь индукционный контур (и любую его часть!) можно уподобить короткозамкнутому генератору, в котором вся произведенная электроэнергия расходуется на «собственные нужды».

Таким образом, в замкнутом проводящем контуре индуктируется круговая, но потенциальная ЭДС.

А как же быть с положением теории поля, утверждающим, что в потенциальном поле циркуляция вектора по любой замкнутой кривой (в нашем случае это и есть ЭДС в контуре) равна нулю? Дело в том, что это положение верно лишь для консервативных полей (например, в вакууме), но неприменимо для неконсервативных (диссипативных) систем, каковой является металлический проводящий контур. В учебных пособиях этот случай нигде не рассматривается.

Чтобы доказать вихревую природу индукционного электрического поля, сторонники максвелловской модели электромагнитной индукции прибегают к чудесам «научной эквилибристики». Недавно мне попался на глаза перевод статьи из журнала «Amer. J. Physics» 1982 года [1].

Стараясь доказать вихревую природу электрического поля в проводящем замкнутом контуре, автор договорился до того, что показания вольтметра, измеряющего разность потенциалов между двумя точками индукционного кольца, зависят от того… с какой стороны (справа или слева от кольца) находится вольтметр (?!).

Является ли приведенный выше анализ индукционного процесса в проводящем контуре достаточным основанием, чтобы утверждать, что вихревое электрическое поле не существует? Нет, не является! («Ведь циклические ускорители как-то работают!»).

Действительно — в циклическом ускорителе нет другого источника ускорения, кроме индуцированного кругового электрического поля. Рассмотрим, например, работу циклического индукционного ускорителя электронов — бетатрона.

Ускорение электронов происходит в вакуумированной тороидальной камере, находящейся между полюсами электромагнита, который питается переменным (синусоидальным) током с частотой порядка 100 Гц. Магнитное поле в бетатроне выполняет две функции: 1) создает ускоряющее электрическое поле и 2) удерживает ускоряемые электроны на круговой орбите.

Ускорение электронов происходит импульсами — во 2-ю и 4-ю четверть периода. Вот краткое описание работы бетатрона, которое приводит в своем учебнике И. В. Савельев:

«В начале импульса в камеру подается из электронной пушки пучок электронов, который подхватывается вихревым электрическим полем (курсив мой — К. К.

) и начинает со все возрастающей скоростью двигаться по круговой орбите.

За время нарастания магнитного поля (~10-3 с) электроны успевают сделать до миллиона оборотов и приобретают энергию, которая может достигать нескольких сотен МэВ» [2].

Сомнений в том, что электроны в бетатроне ускоряются вихревым электрическим полем, никогда ни у кого не возникало. Вот определение из «Большого энциклопедического словаря» последнего выпуска [3]: Бетатрон, циклич. ускоритель эл-нов, в к-ром ускорение производится вихревым электрич. полем, индуцируемым перем. магн. полем, охватываемым круговой орбитой частиц.

Аргументы, использованные в предыдущем примере, здесь не работают: если пренебречь электромагнитным излучением электронов и считать вакуум в ускорителе идеальным, то электрическое поле в ускорительной камере можно считать консервативным. Сам факт, что электроны ускоряются, говорит о том, что круговая ЭДС в бетатроне отлична от нуля, и, следовательно, поле в ускорительной камере вихревое.

Так говорит теория поля. Но при этом не учитывается одно весьма существенное обстоятельство. Магнитное поле в бетатроне (и других циклических ускорителях) изменяется со временем.

Поэтому возникающее электрическое поле зависит не только от пространственных координат, но и от времени. Его следует рассматривать в четырёхмерном пространстве, одной из координат которого является время (так называемое «пространство Минковского»).

В этом пространстве плоская круговая траектория электрона превращается в «спираль», растянутую вдоль оси времени.

За то время, что электрон делает полный оборот (замкнутый в трёхмерном пространстве), изменяется напряженность электрического поля вдоль траектории.

Поэтому, сделав полный оборот и вернувшись в ту же пространственную точку траектории, электрон оказывается в другой точке пространства Минковского, потенциал которой отличен от потенциала сходственной точки на предыдущем витке «спирали». Эта разность потенциалов и определяет энергию ускорения электрона на одном витке траектории.

Силовые линии такого (винтового) поля разомкнуты. Но вихревое поле не может быть разомкнутым! Таким образом, электрическое поле и в циклических ускорителях может быть только потенциальным.

Итак, в двух наиболее «убедительных» случаях использования электромагнитной индукции вихревое электрическое поле «не работает».

Можно ли считать, что оно отсутствует и во всех остальных случаях применения индукционного процесса? Конечно — нет! Ведь ещё не все эксперименты сделаны, и нет гарантии, что где-то вихревое электрическое поле все-таки существует.

Для этого необходимо ответить на главный вопрос: «Создает ли переменный магнитный поток электрическое поле?». Если создает, то это поле может быть только вихревым. Если не создает, то… что же он (магнитный поток) создает?

Ответ на этот вопрос можно было бы получить, если провести прямые измерения электрического поля, создаваемого переменным магнитным потоком согласно зависимости (1). Мне такие эксперименты не известны. Буду благодарен, если читатели приведут мне такие примеры. Но мне кажется, что осуществить такой эксперимент… нельзя.

Единственный способ обнаружить электрическое поле — это поместить в него электрический заряд. Но тогда невозможно отличить «магнитную силу», действующую на электрический заряд в переменном магнитном поле, от действия на заряд самого электрического поля.

Можно показать, что обе эти силы равны по модулю и противоположны по направлению.

Между фарадеевским и максвелловским механизмами электромагнитной индукции, безусловно, существует принципиальное отличие. Но как его обнаружить?.. При ближайшем рассмотрении оказывается, что в этом… и нет необходимости!

С тех пор, как было показано, что электрические и магнитные явления связаны единой электромагнитной природой, теоретики испытывают неудовлетворенность «асимметрией» электрических и магнитных процессов.

Почему электрические поля разомкнуты, а магнитные — замкнуты? В чем заключается «Божий промысел»? Попытки «симметризировать» электродинамику, сблизив природу электрических и магнитных полей, предпринимаются давно. «Разомкнуть» магнитное поле могли бы «магнитные заряды» (так называемые «монополи Дирака»).

Многие десятилетия их ищут в космических лучах, под землей, в морских глубинах… Теоретики уже подсчитали их «магнитный заряд», массу, спин и пр. характеристики. Но обнаружить монополи пока не удается…

Но если не удается «разомкнуть» магнитное поле, то… не «замкнуть» ли поле электрическое? Такие попытки оказались гораздо результативнее — замкнутое («вихревое») электрическое поле, «изобретенное» в конце XIX века, уже давно утвердилось в электродинамике как физическая реальность. То есть, не умея понять «Божий промысел», мы смогли его… обмануть!

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.

Вихревое поле не обладает потенциалом, а потенциальное поле не может быть вихревым. Так как электрическое поле (любой конфигурации!) – это поле силовое, то можно сделать однозначный вывод, что электрическое поле не может быть вихревым.

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.

Этот очевидный вывод из основных положений теории поля почему-то многие десятилетия оставался не замеченным.

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.

Далее: Электрическая энергия.

Ссылки

[1]Ромер Р. Что измеряют «вольтметры»? Закон Фарадея для многосвязной области. [Перевод из: Amer. J. Phys. December 1982. P. 1069].
[2]Савельев И. В.. Курс общей физики. М.: Физматлит, 1978. Т. 2. С. 216.
[3]БЭС, Физика. М.: Научное изд. БРЭ, 1999. С. 52.

Источник: http://www.electrodynamics.narod.ru/eddy-electric-field.html

§ 5.4. Вихревое электрическое поле

Вихревое электрическое поле

  • ЭДС индукции возникает либо в неподвижном проводнике, помещенном в изменяющееся во времени магнитное поле, либо в проводнике, движущемся в магнитном поле, которое может не меняться со временем. Значение ЭДС в обоих случаях определяется законом (5.3.3), но происхождение ЭДС различно. Рассмотрим сначала первый случай.

Что возникает при изменении магнитного поля?

Пусть перед нами стоит трансформатор — две катушки, надетые на сердечник. Включив первичную обмотку в сеть, мы получим ток во вторичной обмотке, если она замкнута (рис. 5.7). Электроны в проводах вторичной обмотки придут в движение.

Но какие силы заставляют их двигаться? Само магнитное поле, пронизывающее катушку, этого сделать не может, так как магнитное поле действует исключительно на движущиеся заряды (этим-то оно и отличается от электрического), а проводник с находящимися в нем электронами неподвижен*.

Рис. 5.7

Что же тогда действует?

Кроме магнитного поля, на заряды, причем как на движущиеся, так и на неподвижные, действует еще поле электрическое. Но ведь те поля, о которых пока шла речь (электростатическое и стационарное), создаются электрическими зарядами, а индукционный ток появляется под действием переменного магнитного поля.

Уж не замешаны ли здесь какие-то новые физические поля, коль скоро идея близкодействия считается незыблемой?

Но не нужно спешить с выводами и при первом же затруднении искать спасения в придумывании новых полей. Ведь у нас нет никаких оснований считать, что все свойства электрического и магнитного полей изучены. В законах Кулона, Био—Савара—Лапласа и Ампера, заключающих в себе основную информацию о свойствах поля, фигурируют постоянные во времени поля.

А что, если у переменных полей появляются новые свойства? Надо надеяться, что идея единства электрических и магнитных явлений, плодотворная до сих пор, не откажет и в дальнейшем.

Тогда останется единственная возможность: нужно предположить, что электроны в неподвижном проводнике приводятся в движение электрическим полем и это поле непосредственно порождается переменным магнитным полем. Тем самым утверждается новое фундаментальное свойство электромагнитного поля: изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле. К этому выводу впервые пришел Дж. Максвелл.

Теперь явление электромагнитной индукции предстает перед нами в новом свете. Главное в нем — это процесс порождения магнитным полем поля электрического. При этом наличие проводящего контура, например катушки, не меняет существа дела.

Проводник с запасом свободных электронов (или других частиц) лишь помогает обнаружить возникающее электрическое поле. Поле приводит в движение электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя.

Сущность явления электромагнитной индукции в неподвижном проводнике состоит не столько в появлении индукционного тока, сколько в возникновении электрического поля, которое приводит в движение электрические заряды.

Вихревое поле

Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, имеет совсем другую структуру, чем электростатическое. Оно не связано непосредственно с электрическими зарядами, и его линии напряженности не могут на них начинаться и кончаться.

Они вообще нигде не начинаются и не кончаются, а представляют собой замкнутые линии, подобные линиям индукции магнитного поля. Это так называемое вихревое электрическое поле.

Может возникнуть вопрос: а почему, собственно, это поле называется электрическим? Ведь оно имеет другое происхождение и другую конфигурацию, чем статическое электрическое поле.

Ответ прост: вихревое поле действует на заряд q точно так же, как и электростатическое, а это мы считали и считаем главным свойством поля. Сила, действующая на заряд, по-прежнему равна = q, где — напряженность вихревого поля.

Если магнитный поток создается однородным магнитным полем, сконцентрированным в длинной узкой цилиндрической трубке радиусом r0 (рис. 5.

8), то из соображений симметрии очевидно, что линии напряженности электрического поля лежат в плоскостях, перпендикулярных линиям , и представляют собой окружности.

В соответствии с правилом Ленца при возрастании магнитной индукции линии напряженности образуют левый винт с направлением магнитной индукции .

Рис. 5.8

В отличие от статического или стационарного электрического поля работа вихревого поля на замкнутом пути не равна нулю. Ведь при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, так как сила и перемещение совпадают по направлению. Вихревое электрическое поле, так же как и магнитное поле, не потенциальное.

Работа вихревого электрического поля по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого неподвижного проводника численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.

Для конфигурации магнитного потока, изображенного на рисунке 5.8, эта удельная работа равна 2πrЕ, где r — расстояние от оси магнитного потока до определенной силовой линии Е. Согласно закону электромагнитной индукции для данного случая имеем:

Отсюда следует, что напряженность электрического поля убывает при увеличении r как :

Бетатрон

При быстром изменении магнитного поля сильного электромагнита появляются мощные вихревые электрические поля, которые можно использовать для ускорения электронов до скоростей, близких к скорости света.

На этом принципе основано устройство ускорителя электронов — бетатрона. Электроны в бетатроне ускоряются вихревым электрическим полем внутри кольцевой вакуумной камеры К, помещенной в зазоре электромагнита М (рис.

5.9).

Рис. 5.9

Не все вопросы имеют смысл

Итак, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Но не кажется ли вам, что одного утверждения здесь недостаточно? Хочется знать, каков же механизм данного процесса. Нельзя ли разъяснить, как эта связь полей осуществляется в природе? И вот тут-то ваша естественная любознательность не может быть удовлетворена. Никакого механизма здесь просто нет.

Закон электромагнитной индукции — это фундаментальный закон природы, значит, основной, первичный. Действием его можно объяснить многие явления, но сам он остается необъяснимым просто по той причине, что нет более глубоких законов, из которых бы он вытекал в виде следствия. Во всяком случае сейчас такие законы неизвестны.

Таковыми являются все основные законы: закон тяготения, закон Кулона и т. д.

Мы, конечно, вольны ставить перед природой любые вопросы, но не все они имеют смысл. Так, например, можно и нужно исследовать причины различных явлений, но пытаться выяснить, почему вообще существует причинность, — бесполезно. Такова природа вещей, таков мир, в котором мы живем.

Наряду с потенциальным кулоновским электрическим полем существует вихревое электрическое поле. Линии напряженности этого поля замкнуты. Вихревое поле порождается переменным магнитным полем.

* В действительности дело обстоит не так просто. И в неподвижном проводнике электроны совершают беспорядочное тепловое движение. Но средняя скорость такого движения равна нулю. Соответственно и сила тока, вызванного непосредственно магнитным полем, также должна быть равной нулю.

Источник: http://tepka.ru/fizika_10-11/83.html

Закон электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле. Вихревые токи — Класс!ная физика

Вихревое электрическое поле

Электрический ток в цепи возможен, если на свободные заряды проводника действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура называется ЭДС. При изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в контуре появляются сторонние силы, действие которых характеризуется ЭДС индукции.

Учитывая направление индукционного тока, согласно правилу Ленца:

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой с противоположным знаком.

Почему? — т.к. индукционный ток противодействует изменению магнитного потока, ЭДС индукции и скорость изменения магнитного потока имеют разные знаки.

Если рассматривать не единичный контур, а катушку, где N- число витков в катушке:

Величину индукционного тока можно рассчитать по закону Ома для замкнутой цепи

где R — сопротивление проводника.

ВИХРЕВОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Причина возникновения электрического тока в неподвижном проводнике — электрическое поле.
Всякое изменение магнитного поля порождает индукционное электрическое поле независимо от наличия или отсутствия замкнутого контура, при этом если проводник разомкнут, то на его концах возникает разность потенциалов; если проводник замкнут, то в нем наблюдается индукционный ток.

Индукционное электрическое поле является вихревым. Направление силовых линий вихревого электрического поля совпадает с направлением индукционного тока

Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличии от электростатического поля.

Электростатическое поле — создается неподвижными электрическими зарядами, силовые линии поля разомкнуты — -потенциальное поле, источниками поля являются электрические заряды, работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути равна 0.

Индукционное электрическое поле ( вихревое электр. поле ) — вызывается изменениями магнитного поля, силовые линии замкнуты (вихревое поле), источники поля указать нельзя, работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути равна ЭДС индукции.

Вихревые токи

Индукционные токи в массивных проводниках называют токами Фуко. Токи Фуко могут достигать очень больших значений, т.к. сопротивление массивных проводников мало. Поэтому сердечники трансформаторов делают из изолированных пластин.
В ферритах — магнитных изоляторах вихревые токи практически не возникают.

Использование вихревых токов

— нагрев и плавка металлов в вакууме, демпферы в электроизмерительных приборах.

Вредное действие вихревых токов

— это потери энергии в сердечниках трансформаторов и генераторов из-за выделения большого количества тепла.

Следующая страница «ЭДС индукции в движущихся проводниках»
Назад в раздел «10-11 класс»

Электромагнитное поле — Класс!ная физика

Взаимодействие токов. Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Сила Ампера — Действие магнитного поля на движущийся заряд.Магнитные свойства вещества — Явление электромагнитной индукции. Магнитный поток.

Направление индукционного тока. Правило Ленца — ЭДС электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле — ЭДС индукции в движущихся проводниках
— Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля.

Вопросы к пр/работе

Любознательным

Сальто-мортале жука-щелкуна

Если пощекотать лежащего на спинке жука-щелкуна, он подпрыгивает вверх сантиметров на 25, при этом раздается громкий щелчок. Ерунда, возможно, скажете вы. Но, действительно, жучок без помощи ног делает толчок с начальным ускорением 400 g, а затем переворачивается в воздухе и приземляется уже на ноги.

400 g — удивительно! Еще более удивительно то, что мощность, развиваемая при толчке, раз в сто больше мощности, которую может обеспечить какая-либо из мышц жучка.

Как удается жучку развить такую огромную мощность? Часто ли он способен совершать свои изумительные прыжки? Чем ограничена частота их повторения? Оказывается… Когда жучок лежит вверх ногами, особый выступ на передней части его тела мешает ему распрямиться, чтобы совершить прыжок.

Какое-то время он накапливает мышечное напряжение, затем, резко изогнувшись, подбрасывает себя вверх.

Прежде чем жучок снова сможет подпрыгнуть, он должен снова медленно «напрячь» мышцы.

Источник: «Физический фейерверк» Дж. Уокер

И это ещё не всё! «Любознательным»

Источник: http://class-fizika.ru/10_18.html

Вихревое электрическое поле. урок. Физика 11 Класс

Вихревое электрическое поле

Как же возникает электродвижущая сила в проводнике, который находится в переменном магнитном поле? Что такое вихревое электрическое поле, его природа и причины возникновения? Какие основные свойства этого поля? На все эти и многие другие вопросы ответит сегодняшний урок.

Тема: Электромагнитная индукция

Урок: Вихревое электрическое поле

Вспомним о том, что правило Ленца позволяет определять направление индукционного тока в контуре, находящемся во внешнем магнитном поле с переменным потоком. Отталкиваясь от этого правила, удалось сформулировать закон электромагнитной индукции.

Закон электромагнитной индукции

При изменении магнитного потока, пронизывающего площадь контура, в этом контуре возникает электродвижущая сила, численно равная скорости изменения магнитного потока, взятой со знаком минус.

Как же возникает эта электродвижущая сила? Оказывается, ЭДС в проводнике, который находится в переменном магнитном поле, связано с возникновением нового объекта – вихревого электрического поля.

Рассмотрим опыт. Есть катушка из медной проволоки, в которую вставлен железный сердечник для того, чтобы усилить магнитное поле катушки. Катушка через проводники подключена к источнику переменного тока. Также есть виток из проволоки, помещенной на деревянную основу. К этому витку подключена электрическая лампочка. Материал проволоки покрыт изоляцией. Основание катушки сделано из дерева, т. е.

из материала, не проводящего электрический ток. Каркас витка также изготовлен из дерева. Таким образом, исключается всякая возможность контакта лампочки с цепью, подключённой к источнику тока. При замыкании источника лампочка загорается, следовательно, в витке протекает электрический ток – значит, сторонние силы в этом витке совершают работу. Необходимо выяснить, откуда берутся сторонние силы.

Магнитное поле, пронизывающее плоскость витка, не может вызвать появление электрического поля, поскольку магнитное поле действует только на движущиеся заряды.

Согласно электронной теории проводимости металлов, внутри них существуют электроны, которые могут свободно двигаться внутри кристаллической решётки. Однако, это движение в отсутствие внешнего электрического поля носит беспорядочный характер.

Такая беспорядочность приводит к тому, что суммарное действие магнитного поля на проводник с током равно нулю. Этим электромагнитное поле отличается от электростатического, которое действует и на неподвижные заряды. Так, электрическое поле действует на движущиеся и на неподвижные заряды.

Однако, та разновидность электрического поля, которая, изучалась ранее, создаётся только электрическими зарядами. Индукционный ток, в свою очередь, создаётся переменным магнитным полем.

Предположим, что электроны в проводнике приходят в упорядоченное движение под действием некой новой разновидности электрического поля. И это электрическое поле порождается не электрическими зарядами, а переменным магнитным полем. К подобной идее пришли Фарадей и Максвелл. Главное в этой идее то, что переменное во времени магнитное поле порождает электрическое.

Проводник с имеющимися в нём свободными электронами позволяет обнаружить это поле. Это электрическое поле приводит в движение электроны, находящиеся в проводнике.

Явление электромагнитной индукции состоит не столько в появлении индукционного тока, сколько в появлении новой разновидности электрического поля, которое приводит в движение электрические заряды в проводнике (рис. 1).

Рис. 1. Вихревое поле (Источник)

Вихревое поле отличается от статического. Оно не порождается неподвижными зарядами, следовательно, линии напряженности этого поля не могут начинаться и заканчиваться на заряде.

Согласно исследованиям, линии напряжённости вихревого поля представляют собой замкнутые линии подобно линиям индукции магнитного поля.

Следовательно, это электрическое поле является вихревым – таким же, как и магнитное поле.

Второе свойство касается работы сил этого нового поля. Изучая электростатическое поле, выяснили, что работа сил электростатического поля по замкнутому контуру равна нулю.

Так как при движении заряда в одном направлении перемещение и действующая сила сонаправлены и работа положительна, то при движении заряда в обратном направлении перемещение и действующая сила противоположно направлены и работа отрицательна, суммарная работа будет равна нулю.

В случае вихревого поля работа по замкнутому контуру будет отлична от нуля.

Так при движении заряда вдоль замкнутой линии электрического поля, имеющего вихревой характер, работа на разных участках будет сохранять постоянный знак, поскольку сила и перемещение на разных участках траектории будут сохранять одинаковое направление друг относительно друга.

Работа сил вихревого электрического поля по перемещению заряда вдоль замкнутого контура отлична от нуля, следовательно, вихревое электрическое поле может порождать электрический ток в замкнутом контуре, что совпадает с результатами эксперимента. Тогда можно утверждать то, что сила, действующая на заряды со стороны вихревого поля, равна произведению переносимого заряда на напряжённость этого поля.

                                                                   (9.2.)

Эта сила и есть сторонняя сила, совершающая работу. Работа этой силы, отнесённая к величине перенесённого заряда, – ЭДС индукции. Направление вектора напряженности вихревого электрического поля в каждой точке линий напряжённости определяется по правилу Ленца и совпадает с направлением индукционного тока.

В неподвижном контуре, находящемся в переменном магнитном поле, возникает индукционный электрический ток. Само магнитное поле не может быть источником сторонних сил, поскольку оно может действовать только на упорядоченно движущиеся электрические заряды. Электростатического поля быть не может, поскольку оно порождается неподвижными зарядами.

После предположения о том, что переменное во времени магнитное поле порождает электрическое поле, узнали, что это переменное поле носит вихревой характер, т. е. его линии замкнуты. Работа вихревого электрического поля по замкнутому контуру отлична от нуля.

Сила, действующая на переносимый заряд со стороны вихревого электрического поля, равна величине этого переносимого заряда, умноженной на напряжённость вихревого электрического поля. Эта сила и является той сторонней силой, которая приводит к возникновению ЭДС в контуре. Электродвижущая сила индукции, т. е.

отношение работы сторонних сил к величине переносимого заряда, равна взятой со знаком минус скорости изменения магнитного потока. Направление вектора напряженности вихревого электрического поля в каждой точке линий напряжённости определяется по правилу Ленца.             

Список рекомендованной литературы

  1. Касьянов В.А., Физика 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. – 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2004. – 416 с.: ил., 8 л. цв. вкл.
  2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. – М.: Мнемозина.
  3. Тихомирова С.А., Яровский Б.М., Физика 11. – М.: Мнемозина.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Рекомендованное домашнее задание

  1. Касьянов В.А., Физика 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. – 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2004. – 416 с.: ил., 8 л. цв. вкл., ст. 119, в. 1, з. 5.
  2. Внутри стеклянного кольца с разрезом расположен постоянный магнит (рис. 2). Что будет наблюдаться на концах разреза АВ в процессе удаления магнита из кольца влево?

Рис. 2. Постоянный магнит (Источник).

  1. Как объяснить тот факт, что удар молнии может расплавить предохранители, вывести из строя чувствительные электроприборы и полупроводниковые устройства?
  2. * При размыкании кольца в катушке возникла ЭДС самоиндукции 300 В. Какова напряжённость вихревого электрического поля в витках катушки, если их количество равно 800, а радиус витков – 4 см?

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/11-klass/belektromagnitnaya-indukciyab/vihrevoe-elektricheskoe-pole-2?konspekt

Booksm
Добавить комментарий