Законы электромагнетизма

Законы электромагнетизма

Законы электромагнетизма

В этой статье мы не будем останавливаться на законах, которые описывают отдельно электрические и магнитные поля, что можно сделать, только если эти поля являются статическими.

Электрические и магнитные поля в общем случае необходимо рассматривать совместно, как полное электромагнитное поле, поскольку электрическое и магнитное поле – это разные составляющие одного объекта в физике.

Разделение электромагнитного поля на компоненты имеет относительный характер. Оно зависит от системы отсчета, в которой рассматривают происходящие явления. Поле может быть постоянным в одной системе отсчёта и переменным в другой.

Например, пусть два одинаковых заряда перемещаются в системе $XOY$ навстречу друг другу со скоростью по модулю, равной $v$. В системе отсчета $XOY$ мы сможем наблюдать два переменных поля (электрическое и магнитное). Отыскать некоторую систему отсчета, в которой можно рассматривать только одно из полей в этом случае невозможно.

Рассмотрим другой пример. В инерциальной системе отсчета $XOY$ заряд движется с постоянной скоростью $v$.

В этом случае в системе отсчета $XOY$ мы сможем наблюдать переменные электрическое и магнитное поля, создаваемые рассматриваемым зарядом.

Перейдем к новой инерциальной системе отсчета $X’O’Y’$, которая движется вместе с нашим зарядом (заряд относительно этой системы отсчета покоится). В системе отсчета $X’O’Y’$ мы можем наблюдать только электрическое поле.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Замечание 1

Из приведенных примеров, очевидно, что соотношения между электрическим и магнитными полями разные в разных системах отсчета.

Инвариантность заряда

Доказано, что полный электрический заряд изолированной системы не изменяется, какие бы движения не совершали носители заряда рассматриваемой системы. Примером этого может служить нейтральность газа. Рассмотрим водород.

В его молекулах электроны перемещаются со скоростями существенно большими, чем скорости протонов.

Значит, если бы заряд зависел от скорости, то при некоторых скоростях заряды электронов и протонов не были бы скомпенсированы и газ стал бы заряженным.

Так, фундаментальным свойством заряда является его инвариантность:

Заряд каждой частицы – это релятивистски инвариантный параметр, не связанный со скоростью частицы и выбором системы отсчета.

Инвариантность теоремы Гаусса

Анализ результатов опытов показал, что терема Гаусса для напряженности электрического поля:

$\oint {\vec{E}d\vec{S}=\frac{q}{\varepsilon_{0}}\left( 1 \right)} $

является справедливой не только, если заряды неподвижны, но и если они перемещаются. Интеграл по поверхности вычисляется для одного момента времени в данной системе отсчета. Так как в соответствии с принципом относительности Галилея разные инерциальные системы отсчета (ИСО) эквивалентны друг другу, то можно сказать, что теорема Гаусса будет справедливой для всех ИСО.

Законы преобразования полей

При переходе от одной системы отсчета к другой поля $\vec E$ и $\vec B$ преобразуются определенным образом. Законы их преобразования устанавливает специальная теория относительности.

Если имеются две инерциальные системы отсчета. Скорость относительного движения второй системы относительно первой равна $\vec v$.

Известны величины магнитного и электрического полей в некоторой пространственно-временной точке неподвижной ИСО и движущейся ИСО, тогда законы преобразования полей запишем в виде:

$\vec{E}_{ǁ}{'}=\vec{E}_{ǁ}\, \vec{B}_{ǁ}{'}=\vec{B}_{ǁ}$;

$\vec{E}_{\bot }{'}=\frac{\vec{E}_{\bot }+\left( \vec{v}\times \vec{B}\right)}{\sqrt {1-\frac{v{2}}{c{2}}} }$;

$\vec{B}_{\bot }{'}=\frac{\vec{B}_{\bot }+\left( \vec{v}\times \vec{E}\right)}{\sqrt {1-\frac{v{2}}{c{2}}} }\left( 2 \right)$,

где символами ⊥ и ǁ отмечены продольные и поперечные относительно вектора скорости $\vec v$ компоненты полей; $c$ — скорость света в вакууме.

Замечание 2

В формулах (2) параметры без штрихов обозначают величины, относящиеся к неподвижной ИСО.

Из формул (2) видно, что любой вектор $\vec E’$ и $\vec H’$ можно выразить и через $\vec E$ и через $\vec H$, что говорит о единой природе электрического и магнитного полей.

Каждое поле (отдельно электрическое, отдельно магнитное) не имеет абсолютного смысла. Об электрическом и магнитном полях следует говорить, только указывая систему отсчета.

Замечание 3

Свойства полей в формулах (2) являются локальными (относящимися к одной пространственно-временной точке).

Обратим внимание на особенности законов преобразования полей:

  1. При переходе от одной ИСО к другой продольные компоненты полей не изменяются.
  2. Векторы $\vec E$ и $\vec B$ в разных системах отсчета связаны симметричным образом.
  3. При необходимости получения формул обратного перехода от движущейся ИСО к неподвижной в выражениях (2) достаточно изменить все величины со штрихами на нештрихованные и знак перед скоростью $v$.

Формулы преобразования полей указывают на релятивистскую природу магнетизма.

Инвариантными величинами при рассмотрении электромагнитного поля являются следующие комбинации векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля:

  • $\vec E \vec B=inv$.
  • $E2-c2B2=inv$.

Инвариантность данных комбинаций величин относительно преобразований Лоренца — это следствие преобразования полей.

Закон электромагнитной индукции

В 1831 году М. Фарадей сделал одно из самых важных открытий электродинамики, он открыл явление электромагнитной индукции. Сущность его в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, который охватывает наш контур, появляется электрический ток, названный индукционным током.

Возникновение тока индукции означает, что изменение потока магнитной индукции (не важен способ изменения) порождает электродвижущую силу индукции (ЭДС индукции).

Экспериментально доказано, что электродвижущая сила (ЭДС) ($Ɛ $) индукции в контуре равна:

$Ɛ=-\frac{dФ}{dt}\left( 3 \right)$,

где $Ф$ -переменный магнитный поток через замкнутый контур или его часть.

В общем случае изменение магнитного потока сквозь плоский контур вызвано:

  • переменным во времени магнитным полем;
  • движением контура в поле и переменой его ориентации.

Самоиндукция

Явление самоиндукции можно считать частным случаем электромагнитной индукции.

Определение 1

Самоиндукцией называют явление, при котором изменение магнитного потока, вызывающее ЭДС индукции, создано током в самом исследуемом контуре.

В соответствии с правилом Ленца явление самоиндукции препятствует изменению силы тока в контуре. Так, если цепь, имеющую источник постоянного тока замыкают, то сила тока становится номинальной не в одно мгновение, при размыкании цепи ток не исчезает сразу.

Магнитное поле, которое создается током в контуре или катушке постоянных размеров и формы, в каждой точке пропорционально сил тока $I$. Следовательно, магнитный поток $Ф$, который пронизывает контур, равен:

$Ф=LI$(4),

где $L$ — индуктивность контура (коэффициент самоиндукции). Она связана с размерами, формой контура, магнитными свойствами вещества, в котором находится контур.

Закон, которому подчиняется ЭДС самоиндукции:

$Ɛ=-L\frac{dI}{dt}\left( 5 \right)$.

Формула (5) показывает, что при постоянных размерах и форме контура ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока в контуре.

Уравнения Максвелла

Максвелл доказал, что сущностью электромагнитной индукции стало создание магнитным полем вихревого электрического поля. Индукционный ток является вторичным эффектом, который появляется в проводящих веществах. Трактовка электромагнитной индукции, которую дал Максвелл стала более общей.

Уравнения Максвелла стали математическим основанием классического электромагнетизма.

Запишем их в виде системы дифференциальных уравнений:

$rot\, \vec{E}=-\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}\left( 6 \right)$;

$rot\, \vec{H}=\vec{j}+\frac{\partial \vec{D}}{\partial t}\left( 7 \right)$;

$div\, \vec{D}=\rho \left( 8 \right)$;

$div\, \vec{B}=0\left( 9 \right)$.

В выражениях (6)- (9) мы имеем:

$\vec E$ и $\vec D$ — напряженность и индукция электрического поля; $\vec H$ и $\vec B$ — напряженность и магнитная индукции; $\rho$ — объемная плотность электрического заряда; $\vec j$ — плотность тока.

Уравнения Максвелла у нас представлены в дифференциальной форме. Для однозначного описания электромагнитных полей уравнения Максвелла дополняют материальными уравнениями среды. В общем виде они записываются в виде функций:

$\vec D=\vec D(\vec E)$; $\vec B=\vec B(\vec H)$; $\vec j=\vec j(\vec E)$.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektromagnetizm/zakony_elektromagnetizma/

Глава 1.ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Законы электромагнетизма

Условные обозначения

КВЧ–крайне высокие частоты

РРВ–распространение радиоволн

СВЧ–сверхвысокие частоты

УКВ–ультракороткие волны

ТРВ–тропосферный волновод

ЭД–электродинамика

ЭМП–электромагнитное поле

ЭМВ–электромагнитные волны

ЭЭВ–элементарный электрический вибратор

Предисловие

Данное учебное пособие посвящено краткому рассмотрению основных законов и положений классической макроскопической электродинамики (ЭД) и закономерностей распространения радиоволн (РРВ).

Указанные направления науки весьма обширны, постоянно развиваются, но скромный объём пособия, определенный программой изучения дисциплины ЭДРРВ не позволил в полной мере раскрыть ряд тем.

В основу учебного пособия положен «адаптированный» материал лекций, которые автор на протяжении ряда лет читал в ЧВВМУ им. П. С. Нахимова.

ЧАСТЬ 1.КРАТКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Глава 1.ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Уравнения электромагнитного поля (уравнения Максвелла) – это основные законы электромагнетизма, полностью описывающие все электромагнитные явления в макромире: процессы излучения и приема, распространения радиоволн как в свободном пространстве, так и в замкнутых системах.

Эти уравнения обобщают экспериментально установленные закономерности и теоретически не выводятся. Они связывают между собой векторы электромагнитного поля (ЭМП) и источники поля (токи и заряды).

Электромагнитные поля распространяются в пространстве в виде электромагнитных волн (ЭМВ).

Роль уравнений Максвелла в электродинамике и технике сверхвысоких частот (СВЧ) так же велика, как роль уравнений Ньютона в классической механике.

Поскольку нашим объектом изучения будет являться ЭМП, которое отличается от привычных нам материальных сред, то полезно вкратце проследить за тем, как менялись взгляды человечества на эту форму материи.

К середине ХУШ в. человечеству уже были известны электрические и магнитные явления, наблюдаемые в природе. В 1785–1788 гг. французский военный инженер Кулон опубликовал работы об электрических и магнитных взаимодействиях. В 1789 г. итальянский врач Гальвани открыл электрический ток, а в 1800г.

итальянский физик Вольта построил первый источник электрического тока. В 1820 г. датчанин Эрстед установил, что электрический ток порождает магнетизм. Очень важно было доказать обратное. Энергично взялся за изучение нового явления французский ученый Ампер.

Он открыл и сформулировал закон взаимодействия токов. Это способствовало гениальному открытию закона электромагнитной индукции, сделанному в 1831г. английским физиком Майклом Фарадеем.

Поразительная интуиция позволила ученому вскоре после открытия явления электромагнитной индукции перейти к идее электромагнитных волн. Тем самым М. Фарадей связал токи и заряды с электромагнитным возмущением в окружающем их пространстве.

Основная работа по созданию макроскопической цельной теории электромагнитного поля была выполнена Д. Максвеллом. Именно он записал и сформулировал уравнения электромагнитного поля, известные во всем мире как уравнения Максвелла.

Дальнейшее развитие и упрочение теории Максвелла обязано работам русских ученых Н. Умова, П. Лебедева и немецкого физика Г. Герца.

Работы Фарадея, Максвелла и Герца послужили теоретическим и практическим фундаментом для одного из величайших изобретений в истории человечества – изобретения радио нашим соотечественником А. С. Поповым. 7 мая 1895 г.

на заседании физического отделения Русского физико-химического общества в Петербурге Александр Степанович продемонстрировал работу первого в мире радиоприемника (когерера).

Путь, ведущий к изобретению радио, является блестящей иллюстрацией к философской формуле познания мира: от живого созерцания (наблюдения атмосферного электричества, притяжения магнитом железных предметов) к абстрактному мышлению (вершиной здесь можно считать создание Максвеллом фундаментальной теории в области макроскопических электромагнитных явлений) и от него к диалектическому познанию истины, т.е. к практике (изобретение радио А. С. Поповым).

Законы электродинамики являются базой для построения антенно-волноводных (фидерных) устройств современных радиоэлектронных средств и теоретической основой законов и положений процесса распространения радиоволн в различных условиях.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/19_257997_glava-osnovnie-zakoni-elektromagnitnogo-polya.html

Читать

Законы электромагнетизма
sh: 1: —format=html: not found

5. Электричество и магнетизм

Глава 1

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

§1 .Электрические силы

§2. Электрические и магнитные поля

§3. Характеристики векторных полей

§4.Законы электро­магнетизма

§5.Что это такое— «поля»?

§6. Электромагнетизм в науке и технике

Повторить: гл. 12 (вып. 1) «Харак­теристики силы»

§ 1. Электрические силы

Рассмотрим силу, которая, подобно тяготе­нию, меняется обратно квадрату расстояния, но только в миллион биллионов биллионов биллионов раз более сильную. И которая от­личается еще в одном.

Пусть существуют два сорта «вещества», которые можно назвать поло­жительным и отрицательным. Пусть одинако­вые сорта отталкиваются, а разные — притя­гиваются в отличие от тяготения, при котором происходит только притяжение.

Что же тогда случится?

Все положительное оттолкнется со страш­ной силой и разлетится в разные стороны. Все отрицательное — тоже. Но совсем другое прои­зойдет, если положительное и отрицательное перемешать поровну.

Тогда они с огромной силой притянутся друг к другу, и в итоге эти невероятные силы почти нацело сбалансируются, образуя плотные «мелкозернистые» смеси положительного и отрицательного; между двумя грудами таких смесей практически не будет ощущаться ни притяжения, ни отталкивания.

Такая сила существует: это электрическая сила. И все вещество является смесью положи­тельных протонов и отрицательных электронов, притягивающихся и отталкивающихся с неимо­верной силой. Однако баланс между ними столь совершенен, что, когда вы стоите возле кого-нибудь, вы не ощущаете никакого действия этой силы. А если бы баланс нарушился хоть немножко, вы бы это сразу почувствовали.

Если бы в вашем теле или в теле вашего соседа (стоящего от вас на расстоянии вытянутой руки) электронов оказалось бы всего на 1% больше, чем протонов, то сила вашего отталкивания была бы невообразимо большой.

Насколько большой? Доста­точной, чтобы поднять небоскреб? Больше! Достаточной, чтобы поднять гору Эверест? Больше! Силы отталкивания хватило бы, чтобы поднять «вес», равный весу нашей Земли!

Раз такие огромные силы в этих тонких смесях столь совер­шенно сбалансированы, то нетрудно понять, что вещество, стремясь удержать свои положительные и отрицательные заря­ды в тончайшем равновесии, должно обладать большой жестко­стью и прочностью.

Верхушка небоскреба, скажем, отклоняется при порывах ветра лишь на пару метров, потому что электри­ческие силы удерживают каждый электрон и каждый протон более или менее на своих местах.

А с другой стороны, если рас­смотреть достаточно малое количество вещества так, чтобы в нем насчитывалось лишь немного атомов, то там необязательно будет равное число положительных и отрицательных зарядов, и могут проявиться большие остаточные электрические силы.

Даже если числа тех и других зарядов одинаковы, все равно между соседними областями может действовать значительная электрическая сила.

Потому что силы, действующие между отдельными зарядами, изменяются обратно пропорционально квадратам расстояний между ними и может оказаться, что отрицательные заряды одной части вещества ближе к положи­тельным зарядам (другой части), чем к отрицательным. Силы притяжения тогда превзойдут силы отталкивания, и в итоге возникнет притяжение между двумя частями вещества, в кото­рых нет избыточного заряда. Сила, удерживающая атомы, и химические силы, скрепляющие между собой молекулы,— все это силы электрические, действующие там, где число зарядов неодинаково или где промежутки между ними малы.

Вы знаете, конечно, что в атоме имеются положительные протоны в ядре и электроны вне ядра. Вы можете спросить: «Если эти электрические силы так велики, то почему же про­тоны и электроны не налезают друг на друга? Если они стре­мятся образовать тесную компанию, почему бы ей не стать еще теснее?» Ответ связан с квантовыми эффектами.

Если попы­таться заключить наши электроны в малый объем, окружающий протон, то, согласно принципу неопределенности, у них должен возникнуть средний квадратичный импульс, тем больший, чем сильнее мы их ограничим. Именно это движение (требуемое законами квантовой механики) мешает электрическому притяжению еще больше сблизить заряды.

Тут возникает другой вопрос: «Что скрепляет ядро?» В ядре имеется несколько протонов, и все они положительно заряжены. Почему же они не разлетаются? Оказывается, что в ядре, помимо электрических сил, еще действуют и неэлектрические силы, называемые ядерными. Эти силы более мощные, чем электриче­ские, и они способны, несмотря на электрическое отталкивание,

удержать протоны вместе. Действие ядерных сил, однако, про­стирается недалеко; оно падает гораздо быстрее, чем 1/r2. И это приводит к важному результату. Если в ядре имеется слишком много протонов, то ядро становится чересчур большим и оно уже не может удержаться. Примером может служить уран с его 92 протонами.

Ядерные силы действуют в основном между про­тоном (или нейтроном) и его ближайшим соседом, а электриче­ские силы действуют на большие расстояния и вызывают оттал­кивание каждого протона в ядре от всех остальных.

Чем больше в ядре протонов, тем сильнее электрическое отталкивание, пока (как у урана) равновесие не станет столь шатким, что ядру почти ничего не стоит разлететься от действия электрического отталкивания.

Стоит его чуть-чуть «толкнуть» (например, по­слав внутрь медленный нейтрон) — и оно разваливается надвое, на две положительно заряженные части, разлетающиеся врозь в результате электрического отталкивания. Энергия, которая при этом высвобождается,— это энергия атомной бомбы. Ее обычно именуют «ядерной» энергией, хотя на самом деле это «электрическая» энергия, высвобождаемая, как только электри­ческие силы превзойдут ядерные силы притяжения.

Наконец, можно спросить, чем скрепляется отрицательно заряженный электрон (ведь в нем нет ядерных сил)? Если элек­трон весь состоит из вещества одного сорта, то каждая его часть должна отталкивать остальные.

Тогда почему же они не разле­таются в разные стороны? А точно ли существуют у электрона «части»? Может быть, следует считать электрон просто точкой и говорить, что электрические силы действуют только между разными точечными зарядами, так что электрон не действует сам на себя? Возможно.

Единственно, что можно сейчас сказать,— что вопрос о том, чем скреплен электрон, вызвал много трудно­стей при попытке создать полную теорию электромагнетизма. И ответа на этот вопрос так и не получили. Мы займемся обсуж­дением его немного позже.

Как мы видели, можно надеяться, что сочетание электриче­ских сил и квантовомеханических эффектов определит структуру больших количеств вещества и, следовательно, их свойства. Одни материалы — твердые, другие — мягкие.

Некоторые из них — электрические «проводники», потому что их электроны свободны и могут двигаться; другие — «изоляторы», их элек­троны привязаны каждый к своему атому. Позже мы выясним, откуда появляются такие свойства, но вопрос этот очень сложен, поэтому рассмотрим сначала электрические силы в самых про­стых ситуациях.

Начнем с изучения одних только законов эле­ктричества, включив сюда и магнетизм, так как и то и другое в действительности суть явления одной и той же природы.

Мы сказали, что электрические силы, как и силы тяготения, уменьшаются обратно пропорционально квадрату расстояния между зарядами. Это соотношение называется законом Кулона. Однако этот закон перестает выполняться точно, если заряды движутся.

Электрические силы зависят также сложным обра­зом и от движения зарядов. Одну из частей силы, действующей между движущимися зарядами, мы называем магнитной силой. На самом же деле это только одно из проявлений электрического действия.

Потому мы и говорим об «электромагнетизме».

Источник: https://www.litmir.me/br/?b=303871&p=1

Основные экспериментальные законы электромагнетизма

Законы электромагнетизма

Электрические и магнитные явления были известны человечеству с древности. Само понятие «электрические явления» восходит к Древней Греции (вспомните: два куска янтаря («электрон»), потертые тряпочкой, отталкиваются друг от друга, притягивают мелкие предметы…). Впоследствии было установлено, что существует как бы два вида электричества: положительное и отрицательное.

Что касается магнетизма, то свойства некоторых тел притягивать другие тела были известны еще в далекой древности, их назвали магнитами. Свойство свободного магнита устанавливаться в направлении «Север-Юг» уже во II в. до н.э. использовалось в Древнем Китае во время путешествий.

Первое же в Европе опытное исследование магнита было проведено во Франции в 13 в. В результате было установлено наличие у магнита двух полюсов. В 1600 г.

Гильбертом была выдвинута гипотеза о том, что Земля представляет собой большой магнит: эти и обусловлена возможность определения направления с помощью компаса.

18-й век, ознаменовавшийся становлением МКМ, фактически положил начало и систематическим исследованиям электрических явлений. Так было установлено, что одноименные заряды отталкиваются, появился простейший прибор – электроскоп. В середине 18 в.

была установлена электрическая природа молнии (исследования Б. Франклина, М. Ломоносова, Г.

Рихмана, причем заслуги Франклина следует отметить особо: он является изобретателем молниеотвода; считается, что именно Франклин предложил обозначения «+» и «–» для зарядов).

В 1759 г. английский естествоиспытатель Р. Симмер сделал заключение о том, что в обычном состоянии любое тело содержит равное количество разноименных зарядов, взаимно нейтрализующих друг друга. При электризации происходит их перераспределение.

В конце 19-го, начале 20-го века опытным путем было установлено, что электрический заряд состоит из целого числа элементарных зарядов е=1,6×10-19 Кл. Это наименьший существующий в природе заряд. В 1897 г. Дж.

Томсоном была открыта и наименьшая устойчивая частица, являющаяся носителем элементарного отрицательного заряда (электрон, имеющий массу moe=9,1×10-31). Таким образом, электрический заряд является дискретным, т.е.

состоящим из отдельных элементарных порций q=± ne, где n – целое число.

В результате многочисленных исследований электрических явлений, предпринятых в 18-19 вв. был получен ряд важнейших законов.

Закон сохранения электрического заряда: в электрически замкнутой системе сумма зарядов есть величина постоянная. (Т.е. электрические заряды могут возникать и исчезать, но при этом обязательно появляется и исчезает равное количество элементарных зарядов противоположных знаков). Величина заряда не зависит от его скорости.

Закон взаимодействия точечных зарядов, или закон Кулона:

, где e — относительная диэлектрическая проницаемость среды (в вакууме e = 1). Силы Кулона существенны до расстояний порядка 10-15м (нижний предел). На меньших расстояниях начинают действовать ядерные силы (т.н. сильное взаимодействие). Что касается верхнего предела, то он стремится к :.

Исследование взаимодействия зарядов, проводившееся в 19 в. замечательно еще и тем, что вместе с ним в науку вошло понятие поля. Начало этому было положено в работах М. Фарадея. Поле неподвижных зарядов получило название электростатического.

Электрический заряд, находясь в пространстве, искажает его свойства, т.е. создает поле. Силовой характеристикой электростатического поля является его напряженность . Электростатическое поле является потенциальным.

Его энергетической характеристикой служит потенциал j.

Открытие Эрстеда. Природа магнетизма оставалась неясной до конца 19 в., а электрические и магнитные явления рассматривались независимо друг от друга, пока в 1820 г. датский физик Х. Эрстед не открыл магнитное поле у проводника с током.

Так была установлена связь электричества и магнетизма. Силовой характеристикой магнитного поля является напряженность . В отличие от незамкнутых линий электрического поля силовые линии магнитного поля замкнуты, т.е. оно является вихревым.

Электродинамика. В течение сентября 1820 г. французский физик, химик и математик А.М. Ампер разрабатывает новый раздел науки об электричестве – электродинамику.

Законы Ома, Джоуля-Ленца: важнейшими открытиями в области электричества явились открытый Г. Омом (1826) закон I=U/R и для замкнутой цепи I= ЭДС/(R+r), а также закон Джоуля-Ленца для количества тепла, выделяющегося при прохождении тока по неподвижному проводнику за время t: Q = IUT.

Работы М.Фарадея. Исследования английского физика М.Фарадея (1791-1867) придали определенную завершенность изучению электромагнетизма. Зная об открытии Эрстеда и разделяя идею о взаимосвязи явлений электричества и магнетизма, Фарадей в 1821 г. поставил задачу «превратить магнетизм в электричество».

Через 10 лет экспериментальной работы он открыл закон электромагнитной индукции. (Суть закона: изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению ЭДС индукции ЭДСi = k×DФm/Dt, где DФm/Dt – скорость изменения магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на контур). С 1831 по 1855 гг.

выходит в свет в виде серий главный труд Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству».

Работая над исследованием электромагнитной индукции, Фарадей приходит к выводу о существовании электромагнитных волн. Позже, в 1831 г. он высказывает идею об электромагнитной природе света.

Одним из первых, кто оценил работы Фарадея и его открытия, был Д.Максвелл, который развил идеи Фарадея, разработав в 1865 г. теорию электромагнитного поля, которая значительно расширила взгляды физиков на материю и привела к созданию электромагнитной картины мира (ЭМКМ).

Источник: https://students-library.com/library/read/51512-osnovnye-eksperimentalnye-zakony-elektromagnetizma

Основные законы электромагнетизма

Законы электромагнетизма

тестового задания (в виде формул) или текста Перечень контролируемых учебных элементов Студент должен
Знать определение магнитного момента рамки с током и уметь определить его направление и величину
Знать связь вектора магнитной индукции и напряжённости магнитного поля и уметь провести расчёт
3* Знать закон Био-Савара-Лапласа и уметь выполнить по нему расчёт
Магнитная индукция кругового тока Уметь определить направление линий вектора магнитной индукции кругового тока
Знать зависимость магнитной индукции прямого тока от силы тока в нём и от расстояния до рассматриваемой точки поля
Принцип суперпозиции для магнитного поля Знать принцип суперпозиции для магнитного поля и уметь его использовать для нахождения точки пространства, где поле от двух прямых токов равно 0
Знать закон Ампера и уметь провести расчёт
8* *Закон Ампера *Уметь определить направление силы Ампера в магнитном поле создаваемым отрезком прямого тока
Знать формулу магнитной части силы Лоренца и уметь провести расчёт
10* * *Знать формулу силы Лоренца и уметь провести расчёт полной силы Лоренца
11* *Закон полного тока для магнитного поля в вакууме *Знать закон полного тока и уметь определить величину магнитной индукции для случая, когда она равна 0
12* * *Знать закон полного тока и уметь определить циркуляцию вектора магнитной индукции по известным токам
Знать определение потока вектора магнитной индукции и уметь провести расчёт
Знать, чему равна работа по перемещению контура с током в магнитном поле и уметь выполнить расчёт
15* * *Знать, как зависит величина э.д.с. самоиндукции от изменения тока и уметь выполнить расчёт, а также оценить характер зависимости э.д.с. самоиндукции от времени
16* * *Знать закон электромагнитной индукции (ЭМИ) Фарадея-Максвелла, уметь выполнить расчёт и оценить, как зависит э.д.с. ЭМИ от времени
17* * и *Уметь решить задачу на комбинацию закона ЭМИ и определения потока вектора магнитной индукции
18* * * Уметь оценить зависимость силы тока от времени для рамки вращающейся в постоянном магнитном поле с постоянной угловой скоростью
19* * Знать закон электромагнитной индукции (ЭМИ) Фарадея-Максвелла и уметь оценить по графику Ф(t) максимальное или минимальное значение э.д.с. ЭМИ
Знать формулу объёмной плотности энергии магнитного поля и уметь выполнить расчёт
Знать формулу энергии магнитного поля, связанного с контуром индуктивностью , и уметь провести расчёт

Таблица 4.

Магнитные свойства вещества. Уравнения Максвелла

тестового задания (в виде формул) или текста Перечень контролируемых учебных элементов Студент должен
Знать вектора намагниченности и напряжённости магнитного поля и уметь выполнить расчёт любой величины, входящей в формулу
Ферромагнетики Знать характер зависимости намагниченности от напряжённости магнитного поля, иметь представление о явлении гистерезиса, коэрцитивной силе и температуре Кюри и знать, как зависит магнитная проницаемость от напряжённости магнитного поля
Диамагнетики Знать причину диамагнитного эффекта
Магнетики Знать соотношение величин магнитной восприимчивости диа-, пара- и ферромагнетиков
5* * Знать первое уравнение электромагнитной теории Максвелла (в интегральной форме) и уметь по известной правой части уравнения найти левую
6* * *Знать второе уравнение электромагнитной теории Максвелла (в интегральной форме) и уметь по известной правой части уравнения найти левую
7* Знать величину плотности тока смещения и уметь её рассчитать
Знать вид первого уравнения электромагнитной теории Максвелла в дифференциальной форме и понимать, что оно относится к конкретной точке поля
Система уравнений электромагнитной теории Максвелла в интегральной форме Уметь в написанной системе уравнений указать, какой член описывает токи проводимости, а какой – заряды, в каком случае электрические и магнитные поля являются стационарными

3. Характеристики теста.Каждый тест состоит из 7 заданий закрытого типа с возможностью выбора одного верного из 4-х правдоподобных ответов. Тестовые задания отвечают всем необходимым критериям, предъявляемым к подобного рода измерительным материалам [3].

Пять заданий проверяют знание основных законов, формулировки которых легко запоминаются и, кроме того, эти формулировки многократно применялись в процессе изучения на лекциях, практических занятиях, при подготовке к выполнению лабораторных работ. Два задания (они помечены звёздочками при детализации целей обучения) являются более сложными для выполнения.

В конце каждого теста указаны константы, необходимые для расчётов. Если константы не приведены, это означает, что задания можно решить, не пользуясь дополнительными сведениями.

Все цифры в заданиях подобраны так, что расчёты можно проводить без калькулятора. Кроме того, студент должен иметь представления о приставках к единицам измерения величин (пк, н, мк , мл, К, М, Г).

4. Конкретизация времени тестирования.Время, отводимое на выполнение каждого тестового задания, составляет 1,5-2 минуты.

Таким образом, суммарное время, необходимое на выполнение всего теста из 7 заданий, составляет не более 15 минут.

В это время не входит время организационной части процедуры тестирования (раздача заданий, заполнение бланка для ответов). Время засекается, когда бланки заполнены и тесты выданы студентам.

Опыт многократного тестирования показывает, что если студент знает формулировки основных законов и определений, то он справляется со всеми 7-ю заданиями за гораздо меньшее время (порядка 10 минут, что соответствует 1,5 минутам на выполнение одного задания). Если же студент не знает этих формулировок, то он просит дополнительное время подумать. Как правило, просьба студента выполняется, ему даётся дополнительно 5-10 минут. Тем не менее, такие студенты с тестом не справляются и за дополнительное время.

5. Критерии оценивания.Тест проверяет минимальный уровень знаний и умений студента, а именно: знание основных определений и законов, которые составляют фундамент изучения физики в последующих семестрах, и умение, пользуясь формулами этих определений и законов, найти какую-либо физическую величину, если известны остальные величины.

Если студент отвечает правильно на 5 и более вопросов из 7, то он получает допуск к экзамену, и может тянуть билет и получить положительную оценку за сдачу экзамен.

Если студент отвечает правильно на 1-3 вопроса, то ему оценка «неудовлетворительно» за экзамен.

Если же студент выполняет правильно 4 задания, то ему предоставляется право исправить какой-либо из трёх неверных ответов, пользуясь своим черновиком. Если студент покажет, что он знает учебный материал (необходимая формула записана правильно), но совершил ошибку в расчётах, он также получает допуск к экзамену.

Как показал опыт, если студент успешно работал в семестре (сдал все обязательные формы контроля – выполнил и защитил лабораторные работы, написал и защитил расчётно-графическое задание, выполнил контрольные работы) и подготовился к сдаче экзамена, то он успешно проходит тестирование с первого раза, выполнив правильно 5-7 заданий из 7 предлагаемых. Те студенты, которые не занимались в семестре, которые лишь к концу семестра начинают выполнять в спешке обязательные формы контроля, не справляются с тестом.

Источник: https://studopedia.org/2-43541.html

Booksm
Добавить комментарий