Электромагнитное поле. Электромагнитная волна.11 класс

Электромагнитное поле. Электромагнитная волна

Федоров А.М. – учитель физики Кюкяйской СОШ Сунтарского улуса Республики Саха

Вихревое электрическое поле

При изменении со временем магнитного потока через поверхность, ограниченную проводящим контуром, в нём возникает, как вы уже знаете, электрический ток (явление электромагнитной индукции). 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.
Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, имеет совсем другую природу, чем электростатическое.
Оно не связано непосредственно с электрическими зарядами, и его линии напряжённости не могут на них начинаться и кончаться.
Вихревым электрическим полем называется поле, силовые линии которого нигде не начинаются и не заканчиваются, а представляют собой замкнутые линии (рис. 6.1), подобные линиям индукции магнитного поля.

Правило Ленца

Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряженность электрического поля. Согласно правилу Ленца при возрастании магнитной индукции ( ∆𝑩 ∆𝒕 ∆𝑩𝑩 ∆𝑩 ∆𝒕 ∆𝒕𝒕 ∆𝑩 ∆𝒕 >0) направление силовых линий вектора напряженности Е возникающего электрического поля совпадает с направлением вращения буравчика(винта), движущегося поступательно в направлении, противоположном вектору индукции В магнитного поля. Напротив, при убывании магнитной индукции ( ∆𝑩 ∆𝒕 ∆𝑩𝑩 ∆𝑩 ∆𝒕 ∆𝒕𝒕 ∆𝑩 ∆𝒕 <0) буравчик должен поступательно двигаться по направлению вектора индукции В магнитного поля, и направление вращения ручки буравчика укажет направление силовых линий напряженности возникающего электрического поля.
В свою очередь, направление силовых линий напряжённости Е совпадает с направлением индукционного тока. Сила, действующая со стороны вихревого электрического поля на заряд q, по-прежнему равна 𝐹 𝐹𝐹 𝐹 = q 𝐸 𝐸𝐸 𝐸 . Но в отличие от случая стационарного электрического поля работа вихревого поля по перемещению заряда q на замкнутом пути не равна нулю.

Гипотеза Максвелла

Работа вихревого электрического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого неподвижного проводника численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.
Итак, согласно гипотезе Максвелла переменное магнитное поле вызывает появление вихревого электрического поля.
Изучая свойства электромагнитного поля, Дж.К. Максвелл задался вопросом: если переменное магнитное поле порождает электрическое поле, то не существует ли в природе обратного процесса?
Во всех случаях, когда электрическое поле изменяется со временем, оно порождает магнитное поле.
Линии магнитной индукции этого поля охватывают проводник с током.
При возрастании напряженности электрического поля вектор индукции В возникающего магнитного поля направлен в сторону вращения ручки буравчика, поступательно движущегося в направлении вектора Е, а при убывании напряженности электрического поля направление вектора В изменяется на противоположное.

Электромагнитное поле

Согласно гипотезе Максвелла магнитное поле, например, при зарядке конденсатора после замыкания ключа создаётся изменяющимся во времени электрическим полем, существующим в пространстве между обкладками конденсатора. Причем магнитное поле направлено так, как если бы между обкладками существовал электрический ток, такой же, как в проводнике.
Справедливость гипотезы Максвелла была доказана экспериментальным обнаружением электромагнитных волн.
После открытия взаимосвязи между изменяющимися электрическим и магнитным полями стало ясно, что эти поля не существуют обособленно, независимо одно от другого. Нельзя создать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно в пространстве не возникло и электрическое поле. И наоборот, переменное электрическое поле не может существовать без магнитного.

Электромагнитное поле

Электромагнитная волна

Представим себе, что электрический заряд был приведён в быстрые колебания вдоль некоторой прямой. Тогда электрическое поле вокруг заряда начнёт периодически изменяться. Период этих изменений будет равен периоду колебаний заряда. Переменное электрическое поле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле, а оно, в свою очередь, вызовет появление переменного электрического поля уже на большем расстоянии от заряда и т. д.
В окружающ6ем заряд пространстве, захватывая всё большие и большие области, возникает система взаимно перпендикулярных, периодически изменяющихся электрических и магнитных полей. Образуется электромагнитная волна, бегущая по всем направлениям от колеблющегося заряда.

Электромагнитная волна- поперечная волна

В каждой точке пространства электрические и магнитные поля меняются во времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее достигнут её колебания векторов Е и В. Следовательно,
на разных расстояниях от заряда колебания каждого из этих векторов происходят с различными фазами.
Колебания векторов  и  в любой точке совпадают по фазе. Кратчайшее расстояние между двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковых фазах, есть длина волны λ. В данный момент времени векторы  и  меняются в пространстве по оси Z по закону синуса с периодом λ.
Направления этих двух колеблющихся векторов — напряженности электрического поля и индукции магнитного поля — перпендикулярны направлению распространения волны. Электромагнитная волна является поперечной.

Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. При этом существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со временем, т. е. что они движутся с ускорением. Наличие ускорения у движущихся зарядов — главное условие излучения ими электромагнитных волн.
Электромагнитное поле излучается заметным образом не только при колебаниях заряда, но и при любом достаточно быстром изменении его скорости. Интенсивность излучаемой волны тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.
При ускорении частицы обнаруживается присущая электромагнитному полю инертность. Поле «отрывается» от частицы и начинает самостоятельное существование в форме электромагнитных волн.

Энергия электромагнитного поля волны в любой фиксированный момент времени меняется периодически в пространстве, вместе с изменением векторов и . Бегущая волна несет с собой энергию, перемещающуюся со скоростью вдоль направления распространения волны. В результате этого энергия, переносимая электромагнитной волной в любой точке пространства, меняется периодически со временем.

Образцы заданий ЕГЭ

Упражнения

В системе отсчёта, относительно которой заряд неподвижен, существу(-ет, -ют):
постоянное электрическое и магнитное поля
переменное электромагнитное поле
только магнитное поле
только электрическое поле
2. Из предложенного перечня выбери верное утверждение об электромагнитных волнах.
Электромагнитная волна — поперечная волна
Колебания векторов напряжённости электрического поля и магнитной индукции происходят в плоскостях, параллельных направлению распространения волны
Электромагнитные волны распространяются в веществе со скоростью 300000 км/с
Электромагнитные волны излучают заряды, движущиеся прямолинейно и равномерно

Упражнения

3. Выбери условие, при котором электрический заряд не излучает электромагнитные волны:
при движении с постоянным ускорением
при криволинейном движении с постоянной по модулю скоростью
при равномерном движении по прямой
при любом виде движения
4. Что в 1865 году Дж. К. Максвелл изложил в своём труде «Трактат по электричеству и магнетизму»?

Явление электромагнитной индукции
Теорию электромагнитного поля
Явление самоиндукции
Явление магнетизма

Домашнее задание

Можно ли обнаружить магнитное поле в системе отсчета, связанной с одним из равномерно движущихся электронов в потоке, который создается в кинескопе телевизора?
Какое поле возникает вокруг электрона, движущегося в данной системе отсчета с постоянной скоростью?
Какое поле можно обнаружить вокруг неподвижного янтаря, заряженного статическим электричеством? Вокруг движущегося? Ответы обоснуйте.
Согласно теории электромагнитного поля Максвелла
А: переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле;
Б: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.
Как(-ое, -ие) утверждени(-е, -я) верн(-о, -ы)?5. Заряженное тело, подвешенное на леске, имеющей небольшую толщину, движется равномерно вместе с тележкой вдоль демонстрационного стола.
В системе отсчёта, связанной со столом, существует
все ответы верны
только магнитное поле
постоянное электрическое и магнитное поля
только переменное электрическое поле

Использованные ссылки

https://resh.edu.ru/subject/lesson/3273/train/#192571
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%B2/54.html
https://www.yaklass.ru/p/fizika/9-klass/elektromagnitnoe-pole-535026/elektromagnitnoe-pole-skorost-rasprostraneniia-elektromagnitnykh-voln-821795/re-eca93c25-916e-43e4-8e9f-dfe1e5648a55/pe?resultId=3734698612&c=1