Один из вопросов, который часто можно найти на просторах глобальной Сети - это чем отличается вихревое электрическое поле от электростатического. На самом деле различия кардинальны. В электростатике рассматривается взаимодействие двух (или более) зарядов и, что важно, линии напряженности таких полей не замкнуты. А вот вихревое электрическое поле подчиняется совершенно другим законам. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

Один из самых распространенных приборов, с которым сталкивается практически каждый человек - это счетчик учета потребленной электрической энергии. Только не современные электронные модели, а «старые», в которых используется алюминиевый вращающийся диск. Его «заставляет» вращаться индукция электрического поля. Как известно, в любом проводнике большого объема и массы (не провод), который пронизывает изменяющийся магнитный поток, в соответствии с возникает электродвижущая сила и электрический ток, называемый вихревым. Отметим, что в данном случае совершенно не принципиально, изменяется ли магнитное поле или в нем перемещается сам проводник. В соответствии с законом электромагнитной индукции в массе проводника создаются замкнутые контуры вихреобразной формы, по которым циркулируют токи. Их ориентированность можно определить, воспользовавшись правилом Ленца. Оно гласит, что тока направлено таким образом, чтобы компенсировать любое изменение (как уменьшение, так и увеличение) инициирующего внешнего магнитного потока. Диск счетчика вращается именно благодаря взаимодействию внешнего магнитного поля и генерируемого токами, возникающими в нем самом.

Каким же образом вихревое электрическое поле связано со всем вышесказанным? На самом деле связь есть. Все дело в терминах. Любое изменение магнитного поля создает вихревое электрическое поле. Далее все просто: в проводнике генерируется и возникает ток в контуре. Его величина зависит от скорости изменения основного потока: например, чем быстрее проводник пересекает линии напряженности поля, тем больше ток. Особенность данного поля в том, что его линии напряженности не имеют ни начала, ни конца. Иногда его конфигурацию сравнивают с соленоидом (цилиндр с витками проволоки на его поверхности). Еще одно схематичное представление для пояснения использует вектор Вокруг каждого из них создаются линии действительно, напоминающие вихри. Важная особенность: последний пример верен в том случае, если интенсивность магнитного потока изменяется. Если «смотреть» по вектору индукции, то при увеличении потока линии вихревого поля вращаются по часовой стрелке.

Свойство индукции широко применяется в современной электротехнике: это и измерительные приборы, и двигатели и в ускорителях электронов.

• данный вид поля неразрывно связан с носителями заряда;
• сила, действующая на носитель заряда, создается полем;
• по мере удаления от носителя поле слабеет;
• характеризуется силовыми линиями (или, что также верно, линиями напряженности). Они направлены, поэтому представляют собой векторную величину.

Для изучения свойств поля в каждой произвольной точке используют тестовый (пробный) заряд. При этом стремятся так подобрать «пробник», чтобы его внесение в систему не повлияло на действующие силы. Обычно это эталонный заряд.

Отметим, что правило Ленца дает возможность рассчитать только электродвижущую силу, а вот значение вектора поля и его направленность определяют другим методом. Речь идет о системе уравнений Максвелла.

Итак, давайте зафиксируем то, что мы уже успели изучить. Все наши формулы могут быть выведены из нескольких утверждений.

Утверждение 1.

Математической формулировкой этого утверждения является теорема Остроградского - Гаусса для напряженности электрического поля

В правой части стоит интеграл от плотности зарядов по произвольному объему, который равен полному заряду внутри него. В левой части - поток вектора напряженности электрического поля через произвольную замкнутую поверхность, ограничивающую этот объем. Как мы видели, закон Кулона также содержится в этом уравнении.

Утверждение 2.

Магнитные заряды отсутствуют в природе.

Математической формулировкой этого утверждения является теорема Остроградского - Гаусса для вектора магнитной индукции, в правой части которой стоит нуль

Утверждение 3.

Математически это выражается как равенство нулю циркуляции напряжённости электростатического поля по произвольному контуру

Утверждение 4.

Математическим выражением этого утверждения является теорема о циркуляции вектора магнитной индукции

В левой части стоит циркуляция магнитного поля по произвольному контуру L , а в правой - интеграл от плотности полного тока по произвольной поверхности S , натянутой на этот контур. Этот интеграл равен сумме токов, пересекающих поверхность S . В этом уравнении содержится закон Био - Савара - Лапласа.

Эти четыре уравнения надо дополнить выражением для силы Лоренца, действующей на движущиеся заряды со стороны электромагнитных полей

Внимательный читатель заметит, что заголовки к двум последним утверждениям выделены другим шрифтом. Это сделано не случайно: данные утверждения подлежат модификации. Дело в том, что с тех пор, как мы сформулировали эти четыре утверждения, мы познакомились еще с одним явлением - электромагнитной индукцией. Оно пока еще не нашло отражения в выписанных уравнениях. Сделаем это.

Если магнитный поток через проводящий виток L меняется, то в витке возникает ЭДС индукции. Что это означает? Заряды, находящиеся в проводнике, будут испытывать действие силы, связанной с этой ЭДС. Но появление силы, действующей на заряд, означает появление какого-то электрического поля. Циркуляция этого поля по витку как раз и равна по определению ЭДС индукции

Отличие циркуляции от нуля означает, что данное электрическое поле не потенциально, а имеет вихревой характер, подобно магнитному полю. Но если такое поле появилось, то в чем тогда роль витка? Виток - это не более, чем удобный детектор для регистрации вихревого электрического поля по возникшему индукционному току. Для того, чтобы расстаться с витком окончательно, выразим ЭДС индукции через поток магнитного поля. Перепишем закон Фарадея в виде

Объединяя это уравнение с (9.6), приходим к модифицированному утверждению 3 (рис. 9.1).

Утверждение 5.

Рис. 9.1. Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла:
изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое поле

Математически это выражается в виде уравнения

В этом уравнении содержится закон электромагнитной индукции Фарадея.

Здесь надо проявить немного осторожности: раз у нас появилось дополнительное электрическое поле, не изменит ли оно первое утверждение? По счастью, ответ отрицателен: поток вихревого поля через замкнутую поверхность равен нулю, так что это поле не даст вклада в левую часть уравнения (9.1).

Казалось бы, мы учли уже все явления, с которыми знакомы. Почему же тогда мы пометили четвертое уравнение как требующее модификации? Дело в том, что теперь нарушена симметрия между электрическими и магнитными явлениями. Предположим, что в системе нет ни зарядов, ни токов. Может ли существовать тогда электромагнитное поле? Ответ мы знаем из современной жизни: может! Существуют же электромагнитные волны, которые распространяются в космосе и не требует для этого никакой среды. В отсутствие зарядов и токов первые два уравнения (9.1) и (9.2) вполне симметричны. Этого нельзя сказать о второй паре уравнений. Электрическое (вихревое) поле можно породить без зарядов, просто изменением магнитного поля? Почему же магнитное поле нельзя породить не токами, а изменяя электрическое поле?

В соответствии с законом Фарадея для электромагнитной индукции в контуре, который движется в магнитном поле, возникает ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитного потока в этом контуре

Опытами Фарадея также установлено, что ЭДС электромагнитной индукции, определяемая выражением (67), возникает и тогда, когда неподвижный контур пронизывает изменяющееся магнитное поле (рисунок 48).

Если в движущемся контуре причиной возникновения ЭДС является сила Лоренца, томеханизм ее возникновения в неподвижном контуре (проводнике) становится неясным. Очевидно, сторонняя сила, разделяющая заряды в контуре, не может иметь электростатическое происхождение, поскольку кулоновские силы приводят не к возрастанию разности потенциалов, к ее выравниванию.

Рисунок 48

По общему определению ЭДС источника ε , (68)

где - напряженность поля сторонних сил.

С другой стороны . (69)

Символ частной производной в выражении (69) указывает на то, что в общем случае индукция магнитного поля зависит не только от времени, но и от координат.

С учетом формул (69) и (68) закон Фарадея для электромагнитной индукции преобразуется к виду . (70)

В соответствии с полученным выражением (70), любое изменение магнитного поля, пронизывающего контур, приводит к появлению напряженности поля сторонних сил и. как следствие, к возникновению в контуре ЭДС электромагнитной индукции. При этом изменение магнитного поля не сопровождается механическими, химическими, тепловыми и другими изменениями в контуре. Английский физик Дж. Максвелл предложил гипотезу, согласно которой сторонние силы, разделяющие заряды в контуре, имеют электрическую природу. Тогда и соотношение (70) можно записать в виде . (71)

Согласно формуле (71), в изменяющемся магнитном поле циркуляция вектора напряженности электрического поля не равна нулю, то есть электрическое поле является вихревым (рисунок 49).

Важно отметить, что вихревое электрическое поле возникает в любом пространстве, то есть для его существования наличие проводящего контура необязательно. Но если это поле возникло в проводящей среде, то оно приводит к появлению вихревых токов или токов Фуко (рисунок 50).

В проводниках, обладающих малым удельным сопротивлением, эти токи могут достигать больших величин. В связи с этим их часто используют для индукционного нагрева металлических деталей при закаливании, обезгаживают арматуры электронных приборов и т.д.

Рисунок 49 Рисунок 50

При работе электрических машин (электродвигателей, электрогенераторов, трансформаторов) эти токи приводят к нежелательным тепловым потерям в металлических магнитопроводах. Для уменьшения потерь сердечники трансформаторов, статоры и роторы электрических машин набирают из тонких, изолированных друг от друга пластин из электротехнической стали. В других случаях в качестве магнитопроводов применяют высокоомные магнитные материалы – ферриты.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Электростатическое поле

Физические и химические свойства вещества от атома до живой клетки в значительной степени объясняются электрическими силами электрические.. электростатическое.. пример среда e вакуум воздух керосин вода..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Твитнуть

Все темы данного раздела:

Неоднородные цепи
Электрическая цепь, в которой непрерывное протекание тока обеспечивается за счет сторонних сил, называется н

Магнитное поле в вакууме
Вблизи неподвижных зарядов возникает электростатическое поле. Движение зарядов (протекание электрического тока) приводит к появлению новой формы материи – магнитного поля. Это особа

Циркуляция вектора магнитной индукции
По аналогии с электростатикой определяется понятие циркуляции вектора по замкнутому контуру

Контур с током в однородном магнитном поле
Применим закон Ампера к прямоугольному контуру с током в однородном магнитном поле. На ребра “a” действует сила

Контур с током в неоднородном магнитном поле
Если контур с током находится в неоднородном магнитном поле, то на разные его участки действуют неодинаковые силы

Контур с током в радиальном магнитном поле
Из формул (37) и (38) следует, что в однородном магнитном поле вращающий момент, действующий на контур с током максимален, если

Электродвигатели
Из рисунка 23 следует, что при выбранной ориентации полюсов магнита и направления тока а контуре вращающий момент направлен «на нас», то есть стремится повернуть контур против часов

Работа магнитного поля
Если действующая на проводник с током со стороны магнитного поля сила ампера вызывает его перемещение, то о

Намагниченность веществ
Различные вещества в магнитном поле намагничиваются, то есть приобретают магнитный момент и сами становятся источниками магнитных полей. Результирующее магнитное поле в среде является суммой полей,

Диа-, пара- и ферромагнетики и их применение
Магнитный момент атома включает несколько составляющих, где

Диамагнетики
У некоторых атомов (Cu, Au, Zn и др.) электронные оболочки имеют такое строение, что орбитальный и спиновый моменты взаимно скомпенсированы, и в целом магнитный момент атома равен н

Парамагнетики
У атомов таких веществ, как Al, Mn, Os и др. нескомпенсирован суммарный орбитальный момент, то есть в отсутствие внешнего поля у них имеются собственные магнитные моменты. Тепловое

Ферромагнетики и их применение
Вещества, у которых магнитная проницаемость достигает сотен и даже миллионов единиц, выделе

Электромагнитная индукция
В основе современного способа производства электроэнергии лежит физическое явление электромагнитной индукции, открытое Фарадеем в 1831 г. Современная энергетика все больше

Явление электромагнитной индукции
Рассмотрим сущность электромагнитной индукции и принципы, которые приводят к этому явлению. Предположим, что проводник 1-2 перемещается в магнитном поле со скоростью

Электрогенератор
Закон Фарадея относится к фундаментальным законам природы, и является следствием закона сохранения энергии. Он широко применяется в технике, в частности, в генераторах. Основная час

Самоиндукция
Явление электромагнитной индукции наблюдается во всех случаях, когда изменяется магнитный поток, пронизывающий контур. В частности, магнитный поток создается и током, текущим в самом контуре. Поэто

Переходные процессы в цепях с индуктивностью
Рассмотрим цепь, содержащую индуктивность и активное сопротивление (рисунок 44). В исходном состоянии ключ S находился в нейтральном положении. Пусть в момент времени t

Взаимная индукция. Трансформатор
Явление взаимной индукции – это частный случай явления электромагнитной индукции. Поместим два кон

Уравнения максвелла
К середине XIX века было накоплено большое количество экспериментальных фактов по электричеству и магнетизму. Неоценимый вклад в это внес М. Фарадей, венцом творческих успехов котор

Энергия магнитного поля
Рассчитаем энергию магнитного поля. Для этого вычислим работу источника тока в цепи с индуктивностью. При установлении тока в такой цепи по закону Ома имеем iR = ε

Ток смещения
В соответствии с прямой гипотезой Дж. Максвелла изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле. Обратная гипотеза Максвелла утверждает, что переменное электриче

Уравнения Максвелла
В 1860-65 гг. Максвелл развил теорию единого электромагнитного поля, которое описывается системой уравнений Максвелла

Переменное магнитное поле порождает инду­цированное электрическое поле . Если магнитное поле постоянно, то индуциро­ванного электрического поля не возникнет. Следовательно, индуцированное электрическое поле не связано с зарядами , как это имеет место в случае элект­ростатического поля; его силовые линии не начинаются и не заканчиваются на зарядах, а замкнуты сами на себя , подобно силовым линиям магнитного поля. Это означает, что индуцированное электрическое поле , подобно магнитному, является вихревым.

Если неподвижный проводник поместить в переменное магнитное поле, то в нем индуцируется э. д. с. Электроны приводятся в направленное движение электрическим полем, индуцированным переменным магнитном полем; возни­кает индуцированный электрический ток. В этом случае проводник является лишь индикатором индуцированного электрического поля. Поле приводит в движение свободные электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя. Теперь можно утверждать, что и без проводника это поле существует, обладая запасом энергии.

Сущность явления электромагнитной индукции заключается не столько в появлении индуцированного тока, сколько в возникновении вихревого электрического поля.

Это фундаментальное положение электродинамики установлено Максвел­лом как обобщение закона электромагнитной индукции Фарадея.

В отличие от электростатического поля индуцированное электрическое поле является непотенциальным, так как работа, совершаемая в индуцированном электрическом поле, при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна э. д. с. индукции, а не нулю.

Направление вектора напряженности вихревого электрического поля уста­навливается в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея и правилом Ленца. Направление силовых линий вихревого эл. поля совпадает с направлением индукционного тока.

Так как вихревое электрическое поле существует и в отсутствие проводника, то его можно применять для ускорения заряженных частиц до скоростей, со­измеримых со скоростью света. Именно на использовании этого принципа основано действие ускорителей электронов - бетатронов.

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

Отличие вихревого электрического поля от электростатического

1) Оно не связано с электрическими зарядами;
2) Силовые линии этого поля всегда замкнуты;
3) Работа сил вихревого поля по перемещению зарядов на замкнутой траектории не равна нулю.

электростатическое поле	индукционное электрическое поле (вихревое электр. поле)
1. создается неподвижными электр. зарядами	1. вызывается изменениями магнитного поля
2. силовые линии поля разомкнуты - потенциальное поле	2. силовые линии замкнуты - вихревое поле
3. источниками поля являются электр. заряды	3. источники поля указать нельзя
4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути = 0.	4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути = ЭДС индукции

Помимо потенциального кулоновского электрического, существует вихревое поле, в котором имеются замкнутые линии напряженности. Зная общие свойства электрического поля, легче понять природу вихревого. Оно порождается изменяющимся магнитным полем.

Что вызывает индукционный ток проводника, находящегося в неподвижном состоянии? Что такое индукция электрического поля? Ответ на эти вопросы, а также об отличии вихревого от электростатического и стационарного, токах Фуко, ферритах и другом вы узнаете из следующей статьи.

Как меняется магнитный поток

Вихревое электрическое поле, появившееся вслед за магнитным, совсем иного рода, нежели электростатическое. Оно не имеет прямой связи с зарядами, и напряженности на его линиях не начинаются и не заканчиваются. Это замкнутые линии, как у магнитного поля. Поэтому оно и называется вихревое электрическое поле.

Магнитная индукция

Магнитная индукция будет меняться тем быстрее, чем больше напряженность. Правило Ленца гласит: при увеличении магнитной индукции направление вектора напряженности электрополя создает левый винт с направлением другого вектора. То есть при вращении левого винта по направлению с линиями напряженности его поступательное перемещение станет таким же, как и у вектора магнитной индукции.

Если же магнитная индукция будет убывать, то направление вектора напряженности создаст правый винт с направлением другого вектора.

Силовые линии напряженности имеют то же направление, что и индукционный ток. Вихревое электрическое поле действует на заряд с той же силой, что и до него. Однако в данном случае его работа по перемещению заряда является отличной от нуля, как в стационарном электрическом поле. Так как сила и перемещение имеют одно направление, то и работа на всем протяжении пути по замкнутой линии напряженности будет прежней. Работа положительного единичного заряда здесь будет равна электродвижущей силе индукции в проводнике.

Токи индукции в массивных проводниках

В массивных проводниках индукционные токи получают максимальные значения. Это происходит потому, что они имеют малое сопротивление.

Называются такие токи токами Фуко (это французский физик, исследовавший их). Их можно применять для изменения температуры проводников. Именно этот принцип заложен в индукционных печах, к примеру, бытовых СВЧ. Он же применяется для плавления металлов. Электромагнитная индукция используется и в металлических детекторах, расположенных в аэровокзалах, театрах и других общественных местах со скоплением большого количества людей.

Но токи Фуко приводят к потерям энергии для получения тепла. Поэтому сердечники трансформаторов, электрических двигателей, генераторов и других устройств из железа изготавливают не сплошными, а из разных пластин, которые друг от друга изолированы. Пластины должны находиться строго в перпендикулярном положении относительно вектора напряженности, который имеет вихревое электрическое поле. Пластины тогда будут иметь максимальное сопротивление току, а тепла будет выделяться минимальное количество.

Ферриты

Радиоаппаратура функционирует на высочайших частотах, где число достигает миллионов колебаний в секунду. Катушки сердечников здесь не будут эффективны, так как токи Фуко появятся в каждой пластине.

Существуют изоляторы магнитов под названием ферриты. Вихревые токи в них не появятся при перемагничивании. Поэтому потери энергии для тепла сводятся к минимальным. Из них изготавливают сердечники, используемые для высокочастотных трансформаторов, транзисторные антенны и так далее. Их получают из смеси первоначальных веществ, которую прессуют и обрабатывают термическим путем.

Если магнитное поле в ферромагнетике быстро изменяется, это ведет к появлению индукционных токов. Их магнитное поле будет препятствовать изменению магнитного потока в сердечнике. Поэтому поток не будет меняться, а сердечник — перемагничиваться. Вихревые токи в ферритах так малы, что могут быстро перемагничиваться.