Электронное поле это: ВОЗ | Электромагнитные поля

Содержание

Электрическое поле: основные понятия

Электрические заряды не воздействуют непосредственно друг на друга. Согласно современным представлениям, заряженные тела взаимодействуют посредством силового поля, которое создают вокруг себя.

Это силовое поле воздействует на заряженные тела с некоторой силой. Исследовать электрическое поле, которое окружает тело, несущее заряд, можно с помощью пробного заряда, величина которого незначительна. Особенностью электрического поля точечного заряда является тот факт, что оно не производит заметного перераспределения исследуемых зарядов.

Понятие напряженности электрического поля

Определение 1

Напряженность электрического поля – это силовая характеристика, которая используется для количественного определения электрического поля.

Второе значение термина – физическая величина, равная отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда.

Напряженность электрического поля можно задать формулой:

E→=F→q.

Напряжение электрического поля является векторной величиной. Направление вектора E→ совпадает с направлением силы, которая воздействует на положительный пробный заряд в пространстве.

Напряженность электрического поля

Какое поле называют электростатическим?

Определение 2

Электростатическое поле – это электрическое поле, которое окружает неподвижные и не меняющиеся со временем заряды.

Очень часто в контексте темы электростатическое поле будет именоваться электрическим для краткости.

Электрическое поле может быть создано сразу несколькими заряженными телами. Такое поле также можно исследовать с помощью пробного заряда. В этом случае мы будем оценивать результирующую силу, которая будет равна геометрической сумме сил каждого из заряженных тем в отдельности.

Определение 3

Напряженность электрического поля, которая создается в определенной точке пространства системой зарядов, будет равна векторной сумме напряженностей электрических полей:

E→=E1→+E2→+. ..

Электрическое поле подчиняется принципу суперпозиции.

Определение 4

Согласно формуле, напряженность электростатического поля, которое создается точечным зарядом Q на расстоянии r от него, в соответствии с законом Кулона, будет равна по модулю:

E=14πε0·Qr2.

Это поле называется кулоновским.

Слишком сложно?

Не парься, мы поможем разобраться и подарим скидку 10% на любую работу

Опиши задание

В кулоновском поле направление вектора E⇀ зависит от знака заряда Q: если Q>0, то вектор E⇀ направлен по радиусу от заряда, если Q<0, то вектор E⇀ направлен к заряду.

Обратимся к иллюстрации. На рисунке для большей наглядности мы используем силовые линии электрического поля. Они проходят таким образом, чтобы направление вектора E⇀ в каждой из точек пространства совпадало с направлением касательной к силовой линии. Густота силовых линий соответствует модулю вектора напряженности поля.

Рисунок 1.2.1. Силовые линии электрического поля.

Мы можем использовать как положительные, так и отрицательные точечные заряды. Оба эти случая мы изобразили на рисунке. Электростатическое поле, которое создается системой зарядов, мы можем представить как суперпозицию кулоновских полей точечных зарядов. В связи с этим мы можем рассматривать поля точечных зарядов как элементарные структурные единицы любого электрического поля.

Рисунок 1.2.2. Силовые линии кулоновских полей.

Кулоновское поле точечного заряда Q удобно записать в векторной форме. Для этого нужно провести радиус-вектор r→от заряда Q к точке наблюдения. Тогда при Q>0 вектор E→ параллелен r→, а при Q<0 вектор E→ антипараллелен r→.

Следовательно можно записать:

E→=14πε0·Qr3r→,

где r – модуль радиус-вектора r→.

По заданному распределению зарядов можно определить электрическое поле E→. Такие задачи часто встречаются в таком разделе физики как электростатика. Рассмотрим пример такой задачи.

Пример 1

Предположим, что нам нужно найти электрическое поле длинной однородно заряженной нити на расстоянии R от нее. Для большей наглядности мы привели схему на рисунке ниже.

Рисунок 1.2.3. Электрическое поле заряженной нити.

Поле в точке наблюдения P может быть представлено в виде суперпозиции кулоновских полей, создаваемых малыми элементами Δx нити, с зарядом τΔx, где τ – заряд нити на единицу длины. Задача сводится к суммированию (интегрированию) элементарных полей ∆E→. Результирующее поле оказывается равным

E=τ2πε0R.

Вектор E→ везде направлен по радиусу R→. Это следует из симметрии задачи.

Даже в таком простом примере вычисления могут быть достаточно громоздкими. Упростить математические расчеты позволяет теорема Гаусса, которая выражает фундаментальное свойство электрического поля.

Рисунок 1.2.4. Модель электрического поля точечных зарядов.

Рисунок 1. 2.5. Модель движения заряда в электрическом поле.

Понятие о диполях

Определение 5

Электрический диполь – это система из двух одинаковых по модулю зарядов, которые отличаются знаками и расположены на некотором расстоянии друг от друга.

Эта система может послужить нам хорошим примером применения принципа суперпозиции полей, а также электрической моделью многих молекул.

Рисунок 1.2.6. Силовые линии поля электрического диполя E→=E1→+E2→.

Дипольный момент p→ является одной из наиболее важных характеристик электрического диполя:

p→=l→q,

где l→ – вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному, модуль l→=l.

Электрическим дипольным моментом обладает, например, нейтральная молекула воды (h3O), так как центры двух атомов водорода располагаются не на одной прямой с центром атома кислорода, а под углом 105°. Дипольный момент молекулы воды p=6,2·10–30 Кл · м.

Рисунок 1.2.7. Дипольный момент молекулы воды.

Электромагнитное поле | Virtual Laboratory Wiki

Электромагни́тное по́ле — это фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, представимое как совокупность электрического и магнитного полей, которые могут при определенных условиях порождать друг друга. Электромагнитное поле (его изменение со временем) описывается в электродинамике в классическом приближении посредством системы уравнений Максвелла. При переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой электрическое и магнитное поле в новой системе отсчета — каждое зависит от обоих — электрического и магнитного — в старой, и это еще одна из причин, заставляющая рассматривать электрическое и магнитное поле как проявления единого электромагнитного поля.

В современной формулировке электромагнитное поле представлено тензором электромагнитного поля, компонентами которого являются три компоненты напряженности электрического поля и три компоненты напряженности магнитного поля (или — магнитной индукции)[1], а также четырехмерным электромагнитным потенциалом — в определенном отношении еще более важным.

Действие электромагнитного поля на заряженные тела описывается в классическом приближении посредством силы Лоренца.

Квантовые свойства электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами (а также квантовые поправки к классическому приближению) — предмет квантовой электродинамики, хотя часть квантовых свойств электромагнитного поля более или менее удовлетворительно описывается упрощенной квантовой теорией, исторически возникшей заметно раньше.

Распространение возмущений электромагнитного поля на далекие расстояния называется электромагнитной волной (электромагнитными волнами). Любая электромагнитная волна распространяется в пустом пространстве (вакууме) с одинаковой скоростью — скоростью света (свет также является электромагнитной волной). В зависимости от длины волны электромагнитное излучение подразделяется на радиоизлучение, свет (в том числе инфракрасный и ультрафиолет), рентгеновское излучение и гамма-излучение.

История открытия

До начала XIXв. электричество и магнетизм считались явлениями, не связанными друг с другом, и рассматривались в разных разделах физики.

В 1819г. датский физик Г. Х. Эрстед обнаружил, что проводник, по которому течёт электрический ток, вызывает отклонение стрелки магнитного компаса, из чего следовало, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны.

Французский физик и математик А. Ампер в 1824г. дал математическое описание взаимодействия проводника тока с магнитным полем (см. Закон Ампера).

В 1831г. английский физик М. Фарадей экспериментально обнаружил явление электромагнитной индукции и дал его математическое описание.

В 1864г. Дж. Максвелл создаёт теорию электромагнитного поля, согласно которой электрическое и магнитное поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого — электромагнитного поля. Эта теория с единой точки зрения объясняла результаты всех предшествующих исследований в области электродинамики, и, кроме того, из неё вытекало, что любые изменения электромагнитного поля должны порождать электромагнитные волны, распространяющиеся в диэлектрической среде (в том числе в пустоте — со скоростью света). Максвелл высказывал предположение, что свет является одним из проявлений электромагнитных волн. При жизни Максвелла учение об электромагнитных волнах оставалось «чистой» теорией, не имевшей никаких экспериментальных подтверждений.

В 1887г. немецкий физик Г. Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические выводы Максвелла. Его экспериментальная установка состояла из находящихся на некотором расстоянии друг от друга передатчика и приёмника электромагнитных волн, и фактически представляла собой исторически первую систему радиосвязи, хотя сам Герц не видел никакого практического применения своего открытия, и рассматривал его исключительно как экспериментальное подтверждение теории Максвелла.

В XX в. развитие представлений об электромагнитном поле и электромагнитном излучении продолжилось в рамках квантовой теории поля, основы которой были заложены великим немецким физиком Максом Планком.

Классификация

Электромагнитное поле с современной точки зрения есть безмассовое[2] абелево[3]векторное[4]калибровочное[5] поле. Его калибровочная группа — группа U(1).

Среди известных (не гипотетических) фундаментальных полей электромагнитное поле — единственное, относящееся к указанному типу. Все другие поля такого же типа (которые можно рассматривать, по крайней мере, чисто теоретически) — (были бы) полностью эквивалентны электромагнитному полю, за исключением, быть может, констант.

Физические свойства

В рамках квантовой электродинамики принято рассматривать электромагнитное излучение как поток квантов света. Частицей-переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон — квант электромагнитного поля.

Электромагнитное взаимодействие — это один из основных видов фундаментальных взаимодействий. Существует теория, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействие в одно — электрослабое. Также существуют теории, объединяющие электромагнитное и гравитационное взаимодействие (например, теория Калуцы-Клейна). Однако последняя, при ее теоретических достоинствах и красоте, не является общепринятой (в смысле ее предпочтительности), так как экспериментально не обнаружено ее отличий от простого сочетания обычных теорий электромагнетизма и гравитации, как и теоретических преимуществ в степени, заставившей бы признать её особенную ценность. Это же (в лучшем случае) можно сказать пока и о других подобных теориях: даже лучшие из них по меньшей мере недостаточно разработаны, чтобы считаться вполне успешными.

Безопасность электромагнитных полей

В связи со всё большим распространением источников ЭМП в быту (СВЧ-печи, мобильные телефоны, теле-радиовещание) и на производстве (оборудование ТВЧ, радиосвязь), большое значение приобретает нормирование уровней ЭМП.

Нормирование уровней ЭМП проводится раздельно для рабочих мест и санитарно-селитебной зоны.
Контроль за уровнями ЭМП возложен на органы санитарного надзора и инспекцию электросвязи, а на предприятиях — на службу охраны труда.

Предельно-допустимые уровни ЭМП в разных радиочастотных диапазонах различны [6].

См. также

Ссылки

  1. ↑ Для вакуума, для которого формулируются фундаментальные уравнения, напряженность магнитного поля и магнитная индукция — по сути одно и то же, хотя в некоторых системах единиц (в том числе в СИ) могут отличаться постоянным множителем и даже единицами измерения.
  2. ↑ Параметр m (масса) в уравнении Клейна-Гордона для электромагнитного поля равен нулю (иначе говоря, это означает, что электромагнитный потенциал подчиняется — в определенной калибровке — просто волновому уравнению. С этим связан факт, что фотон (в вакууме) нельзя — как и любую безмассовую частицу — остановить (а также разогнать или замедлить), он всегда движется с одной и той же скоростью — скоростью света.
  3. ↑ В наиболее простой интерпретации это означает, что электромагнитное поле непосредственно не взаимодействует само с собой, то есть что электромагнитное не имеет электрического заряда. Фотон не может сам непосредственно излучить или поглотить другой фотон.
  4. ↑ При применении терминов в узком смысле калибровочными считаются только векторные поля; но мы, во всяком случае, обозначим здесь векторный характер электромагнитного поля явно.
  5. ↑ Калибровочным электромагнитное поле является при рассмотрении его во взаимодействии с электрически заряженными частицами; понятие калибровочного поля всегда подразумевает подобное взаимодействие (подобное в каком-то смысле; конкретный способ взаимодействия может заметно отличаться).
  6. ↑ ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ УРОВНИ (ПДУ) ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ (ЭМП) ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ 10 60 КГЦ (УТВ. МИНЗДРАВОМ СССР 31.07.1991 N 5803-91), по состоянию на 12 октября 2006 года.

ar:مجال كهرومغناطيسي
be:Электрамагнітнае поле
bg:Електромагнитно поле
bs:Elektromagnetno polje
ca:Camp electromagnètic
cs:Elektromagnetické pole
da:Elektromagnetisk felt
el:Ηλεκτρομαγνητικό πεδίο
en:Electromagnetic field
eo:Elektromagneta kampo
es:Campo electromagnético
et:Elektromagnetväli
fr:Champ électromagnétique
gl:Campo electromagnético
he:שדה אלקטרומגנטי
hr:Elektromagnetsko polje
hu:Elektromágneses mező
id:Medan elektromagnetik
it:Campo elettromagnetico
ja:電磁場
ko:전자기장
lt:Elektromagnetinis laukas
mg:Anjanandrianaratra
nl:Elektromagnetisch veld
nn:Elektromagnetiske felt
pl:Pole elektromagnetyczne
pt:Campo eletromagnético
sk:Elektromagnetické pole
sq:Fusha elektromagnetike
sr:Електромагнетско поље
sv:Elektromagnetiskt fält
uk:Електромагнітне поле
vi:Trường điện từ
zh:电磁场

Как маленький электрон может рассказать о строении Вселенной

Какова форма электрона? Если вы вспомните картинки из школьных учебников, то ответ будет вполне простым: электрон — это маленький шарик с отрицательным зарядом, который меньше атома.  Это, однако, довольно далеко от истины.

Электрон широко известен как один из основных компонентов атомов, составляющие мир вокруг нас. Именно электроны, окружающие ядро ​​каждого атома, определяют, как протекают химические реакции. Их применение в промышленности широко распространено: от электроники и сварки до формирования изображений и современных ускорителей частиц. Недавно, однако, физический эксперимент под названием ACME (Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment, дослово Улучшенный холодный молекулярный электрон с электрическим дипольным моментом) поставил электрон в центр научного исследования. Вопрос, на который пыталась ответить коллаборация ACME, был обманчиво прост: какова форма электрона?

Типичная школьная модель атома, где электроны показываются кружочками на орбитах вокруг ядра. Увы, на деле все устроено куда сложнее.

Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны адаптировать наше определение формы, чтобы оно могло использоваться в невероятно малых масштабах, или, другими словами, в области квантовой физики.  Видеть различные объекты в нашем макроскопическом мире — это значит обнаруживать нашими глазами лучи света, отражающиеся от этих объектов вокруг нас.

Проще говоря, мы определяем форму объекта, наблюдая, как они реагируют, когда мы светим на них. Хотя это может казаться странным способом узнавать о форме объекта, он становится очень полезным в субатомном мире квантовых частиц. Это дает нам способ определить свойства электрона так, чтобы они имитировали тот принцип, с помощью которого мы описываем формы объектов в классическом макромире.

Что заменяет концепцию формы в микромире? Поскольку свет — это не что иное, как комбинация колеблющихся электрических и магнитных полей, было бы полезно определить квантовые свойства электрона, которые несут информацию о том, как он реагирует на эти поля. Давайте сделаем это.

Электроны в электрическом и магнитном полях


В качестве примера рассмотрим простейшее свойство электрона: его электрический заряд. Он описывает силу — и, в конечном счете, ускорение, которое испытал бы электрон, если поместить его в какое-либо внешнее электрическое поле. Это свойство электрона — его заряд — выживает и в квантовом мире.

Аналогично, другое «выживающее» свойство электрона называется магнитным дипольным моментом. Это говорит нам, как электрон будет реагировать на магнитное поле. В этом отношении электрон ведет себя так же, как крошечный стержневой магнит, пытаясь ориентироваться вдоль направления магнитного поля. Хотя важно помнить, что не нужно слишком углубляться в эти аналогии, они просто помогают нам понять, почему физики заинтересованы в измерении этих квантовых свойств с максимально возможной точностью.

Какое квантовое свойство описывает форму электрона? На самом деле их несколько. Самое простое — и полезное для физиков — то, которое называется электрическим дипольным моментом, или ЭДМ.

В классической физике ЭДМ возникает при пространственном разделении зарядов (грубо говоря, это вектор, который соединяет «центр электрической отрицательности» системы с ее «центром электрической положительности»). Электрически заряженная сфера, в которой отсутствует разделение зарядов, имеет ЭДМ, равный нулю.  Но представьте себе гантель, шарики которой противоположно заряжены: одна сторона положительно, а другая отрицательно. В макроскопическом мире эта гантель будет иметь ненулевой электрический дипольный момент. Если форма объекта отражает распределение его электрического заряда, это также будет означать, что форма объекта должна отличаться от сферической. Таким образом, очевидно, ЭДМ может помочь определить форму макроскопического объекта.

Электрический дипольный момент в квантовом мире

Однако в квантовом мире определить ЭДМ куда сложнее. Там пространство вокруг электрона не пусто и не неподвижно. Скорее, оно населено различными субатомными частицами, которые в течение коротких промежутков времени переходят в виртуальное существование.

Эти виртуальные частицы образуют «облако» вокруг электрона. Если мы направим свет на электрон, часть света может отразиться от виртуальных частиц в облаке, а не от самого электрона.

Это изменит числовые значения заряда электрона, магнитного и электрического дипольного моментов.  Выполнение очень точных измерений этих квантовых свойств расскажет нам, как ведут себя эти неуловимые виртуальные частицы, когда они взаимодействуют с электроном, и изменяют ли они ЭДМ электрона.

Самое интересное, что среди этих виртуальных частиц могут быть новые, неизвестные нам виды, с которыми мы еще не сталкивались. Чтобы увидеть их влияние на электрический дипольный момент электрона, нам нужно сравнить результат измерения с теоретическими предсказаниями размера ЭДМ, рассчитанными в соответствии с принятой в настоящее время теории Вселенной, Стандартной модели.

Все элементарные частицы Стандартной модели.

До сих пор Стандартная модель точно описывала все лабораторные измерения, которые когда-либо проводились. Тем не менее, она не может решить многие из наиболее фундаментальных вопросов — например, почему материя доминирует над антиматерии во всей Вселенной. Стандартная модель также предсказывает ЭДМ электрона: она требует, чтобы он был настолько мал, чтобы эксперимент ACME не имел возможности его измерить.  Но что случилось бы, если бы ACME фактически обнаружил ненулевое значение для электрического дипольного момента электрона?

Латаем дыры в Стандартной модели


Были предложены новые теоретические модели, которые исправляют недостатки Стандартной модели, предсказывая существование новых тяжелых частиц. Эти модели могут заполнить пробелы в нашем понимании Вселенной. Чтобы проверить такие модели, нам нужно доказать существование этих новых тяжелых частиц. Это можно сделать с помощью серьезных экспериментов, таких как эксперименты на международном Большом адронном коллайдере (БАК), путем непосредственного производства новых частиц в столкновениях при высоких энергиях.

В качестве альтернативы, мы могли бы видеть, как эти новые частицы изменяют распределение заряда в «облаке» и их влияние на ЭДМ электрона. Таким образом, однозначное наблюдение дипольного момента электрона в эксперименте ACME доказало бы, что новые частицы действительно присутствуют. Это была цель эксперимента ACME.

Что нужно сделать, чтобы измерить электрический дипольный момент? Нам нужно найти источник очень сильного электрического поля, чтобы проверить реакцию электрона на него. Один из возможных источников таких полей можно найти внутри таких молекул, как монооксид тория. Эта молекула и использовалась в эксперименте ACME. Светя тщательно настроенными лазерами на эти молекулы, можно узнать значения электрического дипольного момента электрона, если он не слишком мал.

Однако, как оказалось, это так. Физики коллаборации ACME не наблюдали электрический дипольный момент электрона — это говорит о том, что его значение слишком мало, чтобы их экспериментальный аппарат мог его обнаружить. Этот факт имеет важное значение для нашего понимания того, что мы можем ожидать от экспериментов на Большом адронном коллайдере в будущем.

Интересно, что тот факт, что коллаборацией ACME не был обнаружен ЭДМ электрона, фактически исключает существование новых тяжелых частиц, которые легче всего обнаружить на БАК. Это замечательный результат для «настольного» эксперимента, который влияет как на то, как мы планируем прямой поиск новых частиц на гигантском Большом адронном коллайдере, так и на то, как мы строим теории, описывающие природу частиц. Удивительно, что изучение чего-то такого маленького, как электрон, может многое рассказать нам о Вселенной.

Электромагнитное поле — материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: электромагнитное поле.

Вспомним, каким образом Максвелл объяснил явление электромагнитной индукции. Переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Если в переменном магнитном поле находится замкнутый проводник, то вихревое электрическое поле приводит в движение заряженные частицы этого проводника — так возникает индукционный ток, наблюдаемый в эксперименте.

Линии вихревого электрического поля охватывают линии магнитного поля. Если смотреть с конца вектора , то линии вихревого электрического поля идут по часовой стрелке при возрастании магнитного поля и против часовой стрелки при убывании магнитного поля. Такое направление вихревого электрического поля, напомним, задаёт направление индукционного тока в соответствии с правилом Ленца.

Таким способом Максвелл объяснил, почему в экспериментах Фарадея появлялся индукционный ток. Но затем Максвелл пошёл ещё дальше и уже без какой-либо опоры на экспериментальные данные высказал симметричную гипотезу: переменное электрическое поле порождает магнитное поле (рис. 1, 2).

Рис. 1. Симметричная гипотеза Максвелла (возрастание поля)

Линии этого магнитного поля охватывают линии переменного электрического поля и идут в другую сторону по сравнению с линиями вихревого электрического поля. Так, при возрастании электрического поля линии порождаемого магнитного поля направлены против часовой стрелки, если смотреть с конца вектора (рис. 1, справа).

Рис. 2. Симметричная гипотеза Максвелла (убывание поля)

Наоборот, при убывании электрического поля линии порождаемого магнитного поля идут по часовой стрелке (рис. 2, справа).

У электрического поля может быть два источника: электрические заряды и переменное магнитное поле. В первом случае линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.

Во втором случае электрическое поле является вихревым — его линии оказываются замкнутыми.

У магнитного поля также может быть два источника: электрический ток и переменное электрическое поле. При этом линии магнитного поля замкнуты в обоих случаях (оно всегда вихревое). Максвелл предположил, что оба источника магнитного поля равноправны в следующем смысле. Рассмотрим, например, процесс зарядки конденсатора (рис. 3):

Рис. 3. Магнитное поле внутри конденсатора совпадает с магнитным полем тока

В данный момент по проводам, соединяющим обкладки конденсатора, течёт ток . Заряд конденсатора увеличивается, и, соответственно, возрастает электрическое поле между обкладками. Это переменное электрическое поле порождает магнитное поле . Так вот, согласно гипотезе Максвелла магнитное поле внутри конденсатора оказывается точно таким же, как и магнитное поле тока — как если бы ток протекал в пространстве между обкладками конденсатора.

Подчеркнём ещё раз, что симметричная гипотеза Максвелла была поначалу чисто умозрительной. На тот момент не наблюдалось каких-либо неясных физических явлений, для объяснения которых потребовалась бы такая гипотеза. Лишь впоследствии (и уже после смерти Максвелла) она получила блестящее экспериментальное подтверждение. Об этом — чуть ниже.

Прежде всего, симметричная гипотеза указала на то, что электрическое и магнитное поля тесно взаимосвязаны. Они не являются обособленными физическими объектами и всегда существуют рядом друг с другом. Если в какой-то системе отсчёта электрическое (магнитное) поле отсутствует, то в другой системе отсчёта, движущейся относительно первой, оно непременно появится.

Допустим, например, что в движущемся автомобиле покоится электрический заряд. В системе отсчёта, связанной с автомобилем, этот заряд не создаёт магнитного поля. Но относительно земли заряд движется, а любой движущийся заряд является источником магнитного поля. Поэтому наблюдатель, стоящий на земле, зафиксирует магнитное поле, создаваемое зарядом в автомобиле.

Пусть также на земле лежит магнит. Наблюдатель, стоящий на земле, регистрирует постоянное магнитное поле, создаваемое этим магнитом; коль скоро это поле не меняется со временем, никакого электрического поля в земной системе отсчёта не возникает. Но относительно автомобиля магнит движется — приближается к автомобилю или удаляется от него. В системе отсчёта автомобиля магнитное поле меняется со временем — нарастает или убывает; наблюдатель в автомобиле фиксирует вихревое электрическое поле, порождаемое переменным магнитным полем нашего магнита.

Но все инерциальные системы отсчёта абсолютно равноправны, среди них нет какой-то одной привилегированной. Законы природы выглядят одинаково в любой инерциальной системе отсчёта, и никакой физический эксперимент не может отличить одну инерциальную систему отсчёта от другой (это — принцип относительности Эйнштейна, о котором пойдёт речь в листке «Принципы СТО»). Поэтому естественно считать, что электрическое поле и магнитное поле служат двумя различными проявлениями одного физического объекта — электромагнитного поля.

Таким образом, в произвольной, наудачу выбранной системе отсчёта будут присутствовать обе компоненты электромагнитного поля — поле электрическое и поле магнитное. Но может случиться и так, что в некоторой системе отсчёта, специально приспособленной для данной задачи, одна из этих компонент обратится в нуль. Мы видели это в наших примерах с автомобилем.

Электромагнитное поле можно наблюдать и исследовать по его действию на заряженные частицы. Силовой характеристикой электромагнитного поля является пара векторов и — напряжённость электрического поля и индукция магнитного поля. Сила, с которой электромагнитное поле действует на заряд , движущийся со скоростью , равна:

Силы в правой части нам хорошо известны. Сила действует со стороны электрического поля. Она не зависит от скорости заряда.

Сила действует со стороны магнитного поля. Её направление определяется по правилу часовой стрелки или левой руки, а модуль — по формуле , где — угол между векторами и .

Теория электромагнитного поля была создана Максвеллом. Он предложил свою знаменитую систему дифференциальных уравнений (уравнений Максвелла), которые позволяют найти векторы и в любой точке заданной области пространства по известным источникам — зарядам и токам (для однозначного нахождения полей необходимо знать ещё начальные условия — значения полей в начальный момент времени, а также граничные условия — некоторые условия для полей на границе рассматриваемой области). Уравнения Максвелла легли в основу электродинамики и позволили объяснить все известные на тот момент явления электричества и магнетизма. Но мало того — уравнения Максвелла дали возможность предсказывать новые явления!

Так, среди решений уравнений Максвелла обнаружились поля с неизвестными ранее свойствами — электромагнитные волны. А именно, уравнения Максвелла допускали решения в виде электромагнитного поля, которое может распространяться в пространстве, захватывая с течением времени все новые и новые области. Скорость этого распространения конечна и зависит от среды, заполняющей пространство. Но электромагнитные волны не нуждаются ни в какой среде — они могут распространяться даже сквозь пустоту. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме совпадает со скоростью света м/с ( сам свет также является электромагнитной волной).

Это был один из удивительных случаев в физике, когда фундаментальное открытие делалось «на кончике пера» — новое явление открывалось чисто теоретически, опережая эксперимент. Опытное подтверждение пришло позже: электромагнитные волны были впервые обнаружены в опытах Герца через восемь лет после смерти Максвелла. Эти опыты подтвердили справедливость симметричной гипотезы и основанной на ней теории электромагнитного поля, построенной Максвеллом.

Электромагнитные волны и их спектр, электромагнитное поле, беспроводная радиосвязь

Электромагнитные волны и их спектр, электромагнитное поле, беспроводная радиосвязь

Все об электромагнитных волнах и их спектре, электромагнитном поле, беспроводной радиосвязи.

Исторически первой технологией беспроводной связи является радиосвязь. В свое время она нашла очень широко применение, и по-прежнему успешно служит в наши дни. Удобные многоканальные радиостанции позволяют пользователю разговаривать на коротких расстояниях, в то время как гражданские радиостанции и морские радиостанции предлагают услуги связи для моряков. Радиолюбители обмениваются данными и выполняют функции экстренной связи во время бедствий с помощью своего вещательного оборудования и даже могут передавать цифровую информацию по радиочастотному спектру.

Принцип работы беспроводной радиосвязи основан на использовании энергии электромагнитного поля и электромагнитных волн (радиоволн). Радиовещательная служба, транслирует звук в эфире в виде радиоволн. Радио использует передатчик, который используется для передачи данных в форме радиоволн на приемную антенну. Радиовещание может также осуществляться через кабельную сеть и спутники (свч-связь).

Электромагнитное поле — связанные между собой переменные электрическое и магнитное поля. Между электрическим и магнитным полем существует теснейшая взаимная связь, которая заключается в том, что не только всякие изменения магнитного поля сопровождаются появлением электрического поля (это явление электромагнитной индукции), но также и всякие изменения электрического поля сопровождаются появлением магнитного поля.

Поэтому в электромагнитном поле электрическое поле может возникать не вследствие присутствия электрических зарядов, а вследствие изменений магнитного поля. Магнитное же поле может возникать не вследствие наличия электрических токов, а в результате изменений электрического поля. Поэтому переменное электромагнитное поле может существовать в тех областях пространства, где нет ни электрических зарядов, ни электрических токов и нет никаких проводников.

Указанная связь между электрическим и магнитным полями делает возможным не только существование электромагнитного поля в отсутствии электрических зарядов и токов, но и распространение этого поля в пространстве.

Переменное электрическое поле возбуждает в смежных областях пространства переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, возбуждает в смежных областях пространства переменное электрическое поле и так от точки к точке распространяется переменное электромагнитное поле в пространстве, в котором нет проводников.

Тем, что переменные электромагнитные поля могут распространяться в пространстве без помощи проводников, и пользуются для радиосвязи. Для этого применяют периодически меняющиеся быстропеременные электромагнитные поля, которые носят название электромагнитных волн.

Электромагнитные волны — периодически меняющееся электромагнитное поле, способное распространяться в пространстве без помощи проводов.

Скорость, с которой распространяются электромагнитные волны в пространстве, зависит от свойств заполняющей это пространство среды. Если среда обладает диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ, то скорость распространения электромагнитных волн в среде:

υ = с/(sqr(ε·υ)),

где с — скорость распространения этих волн в пространстве, не заполненном веществом, равная примерно 300000 км/сек (с такой же скоростью распространяются и световые волны, являющиеся по своей природе также электромагнитными волнами).

Длина электромагнитной волны λ это — путь, проходимый электромагнитным полем за один период его колебаний Т. Следовательно:

λ = υ·T = υ/f

где f — частота колебаний поля.

Переменное электромагнитное поле возникает вокруг всякого контура, по которому течет переменный ток. Однако если размеры контура очень малы по сравнению с той длиной волны, которая соответствует частоте текущего в контуре тока, то электромагнитное поле, возникающее вокруг контура, остается связанным с этим контуром и при этом быстро убывает по мере удаления от контура.

Если же размеры контура увеличиваются, то постепенно,- по мере приближения размеров контура к длине волны, возбуждаемой в этом контуре, все большая и большая часть электромагнитного поля теряет свою связь с контуром и в виде электромагнитных волн распространяется во все стороны от контура, сравнительно медленно убывая по мере удаления от контура — происходит излучение электромагнитных волн.

Электромагнитные волны, удаляясь от контура, уносят с собой ту энергию, которая сосредоточена в электрическом и магнитном полях волны Направление распространения электромагнитных волн и направление течения энергии волны определяется вектором Умова-Пойнтинга.

Если с помощью генератора быстрых электрических колебаний возбуждать быстропеременные токи в контуре, который способен излучать электромагнитные волны, то часть энергии колебаний генератора будет излучаться этим контуром в виде электромагнитных волн и распространяться в окружающем пространстве. Так действует передающая радиостанция.

Контуры передатчика, служащие для излучения электромагнитных волн, носят название передающих антенн. Если волны, распространяющиеся в пространстве, встречают на своем пути проводники, то переменное электромагнитное поле волны возбуждает в этих проводниках (которые в этом случае носят название приемных антенн) переменные токи, на создание которых затрачивается часть энергии электромагнитных волн.

Эти токи во всем подобны токам в передающей антенне, возбуждающей электромагнитные волны, но энергия этих токов гораздо меньше, чем энергия токов в передающей антенне, вследствие того, что при распространении волн энергия эта рассеивается во все большем и большем объеме и, кроме того, может происходить поглощение энергии электромагнитных волн в лежащих на их пути проводниках. Так может быть осуществлена передача электромагнитной энергии из передающей в приемную антенну без помощи проводов, а вместе с тем и радиосвязь, т. е. передача тех или иных сигналов.

Электромагнитный спектр — вся область электромагнитных волн, имеющих одну и ту же природу, но различающихся по длине волны и в соответствии с этим обладающих различными свойствами.

Свойства электромагнитных волн, т. е. быстропеременного электромагнитного поля, оказываются очень различными при различных частотах изменения поля, т. е. при различных длинах волн.

Медленно меняющиеся электромагнитные поля с частотами менее 15 кгц (что соответствует звуковой частоте) не применяются для излучения, т. к. при этих частотах обычные контуры практически не излучают электромагнитных волн.

Электромагнитные поля с частотами от 15 кгц примерно до 50 000 мггц соответствуют электромагнитным волнам длиной от 20 000 м до 6 мм, применяемым для целей радиосвязи. Поэтому эта вся область носит название радиоволн.

Далее, в сторону более коротких волн следуют т. н. микроволны, которые были впервые получены русскими физиками П. Н. Лебедевым, М. А. Левитской и А. А. Глаголевой-Аркадьевой, а затем тепловые и световые лучи, которые также представляют собой электромагнитные волны, но гораздо более короткие, чем те, которыми пользуются для целей радиосвязи.

Так, например, лучи видимого света соответствуют волнам длиной в несколько десятитысячных долей миллиметра, т. е. частотами примерно в 1015 гц. Еще дальше за световыми лучами следуют ультрафиолетовые лучи, затем еще более короткие рентгеновские лучи и, наконец, наиболее короткие — гамма-лучи, излучаемые радиоактивными веществами.

Ранее ЭлектроВести писали, что пятнадцатую неделю 2020 года (6-12 апреля) фотоэлектрическая солнечная энергетика впервые в истории отрасли выработала 23% электроэнергии Германии.

По материалам: electrik.info.

5.4. Электрическое поле и его характеристики

5.4. Электрическое поле и его характеристики

Заряды взаимодействуют не только при соприкосновении наэлектризованных тел, но и тогда, когда эти тела находятся на расстоянии друг от друга. Вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие электрических зарядов на расстоянии, называется электрическим полем.

Электрическое поле всегда существует вокруг электрического заряда и имеет две характеристики: силовую (напряженность электрического поля в данной точке) и энергетическую (потенциал электрического поля в данной точке).

Напряженность Е электрического поля в какой-либо точке измеряется силой F, с которой поле действует на единичный положительный точечный заряд q, помещенный в эту точку:

Е = F/ q.

Напряженность электрического поля – векторная величина. Направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора силы F, действующей в данной точке на положительный заряд.

Потенциалом электрического поля в данной точке называется величина, численно равная значению потенциальной энергии единичного положительного точечного заряда, помещенного в этой точке.

Потенциалы точек электрического поля положительно заряженного тела положительны и уменьшаются по мере удаления от тела, а потенциалы точек электрического поля отрицательно заряженного тела отрицательны и увеличиваются при удалении от тела.

Потенциал наэлектризованного проводника становится тем больше, чем больше электричества сообщается ему.

Если электрическое поле создается несколькими зарядами, расположенными в различных точках пространства, то потенциал в каждой точке поля равен алгебраической сумме потенциалов полей всех зарядов в этой точке.

Разность потенциалов (ϕ 1 – ϕ 2) между двумя точками электрического поля получила название напряжения (U). Напряжение численно равно работе А, которую производят электрические силы при перемещении единичного положительного заряда q между двумя точками:

U = ϕ 1 – ϕ 2 = А / q.

В системе СИ за единицу разности потенциалов (единицу напряжения) принимается один вольт (1 В) – разность потенциалов между двумя точками электрического поля, при которой силы поля, перемещая один кулон электричества из одной точки в другую, совершают работу в один джоуль.

Если электрическое поле однородно, т.е. напряженность во всех точках поля постоянна по величине и направлению, то между напряженностью поля и разностью потенциалов существует взаимосвязь:

E = – U/ L, где L – длина силовой линии однородного электрического поля.

В системе СИ напряженность электрического поля измеряется в единицах вольт/метр (В/м). 1 В/м – это напряженность такого однородного электрического поля, у которого разность потенциалов на концах силовой линии длиной в 1 м равна 1 В.

Загадка земного ядра: откуда у нашей планеты магнитное поле

https://ria.ru/20190613/1555493880.html

Загадка земного ядра: откуда у нашей планеты магнитное поле

Загадка земного ядра: откуда у нашей планеты магнитное поле

Северный магнитный полюс продолжает смещаться с территории Канады в сторону архипелага Северная Земля со скоростью 55 километров в год. Ученые предполагают:… РИА Новости, 13.06.2019

2019-06-13T08:00

2019-06-13T08:00

2019-06-13T08:04

венера

наса

наука

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdn22.img.ria.ru/images/154760/95/1547609587_0:103:3276:1946_1920x0_80_0_0_1802942d2e807a433ba5a2a21ef79391. jpg

МОСКВА, 13 июн — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Северный магнитный полюс продолжает смещаться с территории Канады в сторону архипелага Северная Земля со скоростью 55 километров в год. Ученые предполагают: готовится смена полюсов из-за волнений в жидкой части ядра планеты, недоступной прямым наблюдениям. Что именно там происходит, понять трудно, но есть много гипотез. Миссия к «железному миру»В 2022 году NASA собирается отправить аппарат к астероиду Психея, находящемуся между Марсом и Юпитером. Его называют железным миром. По отражению лучей с поверхности, по тому, как быстро она нагревается и остывает, ученые поняли, что это если не полностью, то по большей части металл. Не исключено, что именно оттуда к нам прилетают железные метеориты. Это происходит очень редко, всего известно не более двух сотен таких событий. Предполагается, что Психея — ядро планеты земной группы, которая лишилась внешних оболочек. Вместе с Землей и Венерой эта планета формировалась вблизи Солнца, но затем что-то случилось. Может, катастрофа, а может, всему виной повторные разогревы планетоземали — сгустков материи, из которых образуются планеты. Ученые непременно хотят попасть в «железный мир», и не только ради геологической разведки месторождений в интересах наших потомков. В первую очередь — чтобы вплотную исследовать аналог ядра Земли. Почему ядро железноеЯдро Земли — интереснейший объект. Его состав и температура отражаются на вышележащих слоях и атмосфере. Ядро — источник магнитного поля, благодаря которому возникла жизнь. Там же — ключ к тайне образования планет земной группы. Недра Земли исследуют с помощью сейсмических волн и моделирования. Грубо говоря, планета состоит из верхней оболочки — коры, мантии и ядра. О том, что ядро — железное, свидетельствует несколько фактов. У Земли собственное магнитное поле, словно диполь вставлен по оси вращения. Мантия не может генерировать такое поле, она слишком слабо проводит электрический ток. Согласно модели геодинамо на это способна только проводящая жидкость. Значит, часть ядра — жидкая. Железо — один из самых распространенных элементов в Солнечной системе. Это подтверждается его обилием в метеоритах. Во внешней части ядра не проходят упругие S-волны, значит, она жидкая. Внутренняя часть ядра радиусом примерно 1221 километр слабо распространяет S-волны — соответственно, она либо твердая, либо в состоянии, симулирующем твердость. Граница двух слоев в ядре довольно четкая, как и между ядром и нижней мантией. Считается, что ядро железное, с небольшими примесями никеля (на это указывает состав железных метеоритов), кремния, сульфидов и кислорода. Некоторые особенности прохождения сейсмоволн говорят о том, что внутреннее твердое ядро вращается слегка быстрее, чем мантия и кора, примерно на 0,15 градуса в год. Когда и как образовалось ядро Земли? Каково в нем соотношение химических элементов? Почему оно не однородное? Какая там температура? Где источник энергии? И главное, почему ядро вообще сформировалось внутри планеты? По каждому из этих и множеству других вопросов есть немало гипотез. Кому из близнецов повезлоВенеру считают близнецом Земли — она лишь немного меньше по массе и размерам. Но нынешние условия на ее поверхности совершенно другие. У Земли есть собственное магнитное поле, атмосфера и биосфера.У Венеры из этого списка — только ядовитая атмосфера с облаками из серной кислоты. Следов магнитного поля нет и в геологическом прошлом, хотя они могли и исчезнуть. Вероятно, все дело в происхождении близнецов. Венера и Земля образовались в одной части газопылевой туманности, окружавшей Солнце. Зародыши планет увеличивались, притягивая к себе все больше материала. Когда масса стала критической, начались разогрев, плавление. Вещество разделялось на фракции: тяжелые элементы оседали внутри, легкие поднимались наверх. Как полагают ученые из Германии, Японии и Франции, расслоение таких тел, как Земля, идет равномерно и стабильно, каждый слой — однородный. Чтобы ядро получилось двухслойное и неоднородное, где-то ближе к концу процесса планета должна была испытать очень сильный удар другого массивного тела. Часть вещества «пришельца» осталась в недрах Земли, часть была выбита на орбиту, где затем образовалась Луна. От удара внутренности планеты перемешались, и это привело к частичному плавлению ядра.А вот эволюция Венеры прошла гладко, без ЧП космического масштаба. Расслоение благополучно завершилось с образованием твердого железного ядра, неспособного генерировать магнитное поле. Есть и другая гипотеза: спонтанная кристаллизация железного расплава. Однако для этого ему нужно остыть до тысячи Кельвинов, что невозможно. Значит, зародыши кристаллизации проникли извне, сделали вывод ученые из США. Например, из нижней мантии. Это крупные куски железа размером десятки и сотни метров. Откуда им там взяться — большой вопрос.Один из ответов лежит на поверхности Земли в виде древних железистых кварцитов. Возможно, более трех миллиардов лет назад из этих пород сложилось дно океанов. Из-за движения плит оно погрузилось в мантию и оттуда — в ядро.Создание магнитного щитаСоотношение радиоактивных изотопов свинца указывает на возраст ядра: порядка четырех с половиной миллиардов лет. Когда возникло магнитное поле, неизвестно. Его следы встречаются уже в самых древних горных породах Земли возрастом 3,5 миллиарда лет. В соответствии с моделью геодинамо для магнитного поля Земли нужна проводящая жидкость, вращение которой сопровождается перемешиванием. Проблема в том, что магнитное поле у быстро вращающихся жидкостей рано или поздно затухает. Судя по геологическим данным, на видимом нам отрезке времени интенсивность магнитного поля Земли не менялась. Должен быть какой-то постоянный мощный источник энергии.На эту роль есть два кандидата. Температурная конвекция, возможная, если внутреннее ядро горячее внешнего, и композиционная конвекция, то есть перемещение элементов из одной части в другую. Это означает, что твердая часть ядра увеличивается. Но бояться полного застывания не стоит. На это понадобится не один миллиард лет.

https://ria.ru/20180820/1526749995.html

https://ria.ru/20190415/1552557085.html

https://ria.ru/20180322/1516957617.html

https://ria. ru/20190129/1550035242.html

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2019

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdn22.img.ria.ru/images/154760/95/1547609587_273:0:3004:2048_1920x0_80_0_0_9f56f605b2d18ef61f2b25095694cb36.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

венера, наса

МОСКВА, 13 июн — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Северный магнитный полюс продолжает смещаться с территории Канады в сторону архипелага Северная Земля со скоростью 55 километров в год. Ученые предполагают: готовится смена полюсов из-за волнений в жидкой части ядра планеты, недоступной прямым наблюдениям. Что именно там происходит, понять трудно, но есть много гипотез.

Миссия к «железному миру»

В 2022 году NASA собирается отправить аппарат к астероиду Психея, находящемуся между Марсом и Юпитером. Его называют железным миром.

По отражению лучей с поверхности, по тому, как быстро она нагревается и остывает, ученые поняли, что это если не полностью, то по большей части металл. Не исключено, что именно оттуда к нам прилетают железные метеориты. Это происходит очень редко, всего известно не более двух сотен таких событий.

Предполагается, что Психея — ядро планеты земной группы, которая лишилась внешних оболочек. Вместе с Землей и Венерой эта планета формировалась вблизи Солнца, но затем что-то случилось. Может, катастрофа, а может, всему виной повторные разогревы планетоземали — сгустков материи, из которых образуются планеты.

Ученые непременно хотят попасть в «железный мир», и не только ради геологической разведки месторождений в интересах наших потомков. В первую очередь — чтобы вплотную исследовать аналог ядра Земли.

20 августа 2018, 08:00НаукаАлмазное дно: обнаружен сверхглубокий источник драгоценных минералов

Почему ядро железное

Ядро Земли — интереснейший объект. Его состав и температура отражаются на вышележащих слоях и атмосфере. Ядро — источник магнитного поля, благодаря которому возникла жизнь. Там же — ключ к тайне образования планет земной группы.

Недра Земли исследуют с помощью сейсмических волн и моделирования. Грубо говоря, планета состоит из верхней оболочки — коры, мантии и ядра.

О том, что ядро — железное, свидетельствует несколько фактов. У Земли собственное магнитное поле, словно диполь вставлен по оси вращения. Мантия не может генерировать такое поле, она слишком слабо проводит электрический ток. Согласно модели геодинамо на это способна только проводящая жидкость. Значит, часть ядра — жидкая. Железо — один из самых распространенных элементов в Солнечной системе. Это подтверждается его обилием в метеоритах.

Во внешней части ядра не проходят упругие S-волны, значит, она жидкая. Внутренняя часть ядра радиусом примерно 1221 километр слабо распространяет S-волны — соответственно, она либо твердая, либо в состоянии, симулирующем твердость. Граница двух слоев в ядре довольно четкая, как и между ядром и нижней мантией.

Считается, что ядро железное, с небольшими примесями никеля (на это указывает состав железных метеоритов), кремния, сульфидов и кислорода.

Некоторые особенности прохождения сейсмоволн говорят о том, что внутреннее твердое ядро вращается слегка быстрее, чем мантия и кора, примерно на 0,15 градуса в год.

Когда и как образовалось ядро Земли? Каково в нем соотношение химических элементов? Почему оно не однородное? Какая там температура? Где источник энергии? И главное, почему ядро вообще сформировалось внутри планеты? По каждому из этих и множеству других вопросов есть немало гипотез.

15 апреля 2019, 08:00Наука»Садиться туда — наверняка катастрофа». Чем опасна экспедиция на Венеру

Кому из близнецов повезло

Венеру считают близнецом Земли — она лишь немного меньше по массе и размерам. Но нынешние условия на ее поверхности совершенно другие. У Земли есть собственное магнитное поле, атмосфера и биосфера.

У Венеры из этого списка — только ядовитая атмосфера с облаками из серной кислоты. Следов магнитного поля нет и в геологическом прошлом, хотя они могли и исчезнуть. Вероятно, все дело в происхождении близнецов.

Венера и Земля образовались в одной части газопылевой туманности, окружавшей Солнце. Зародыши планет увеличивались, притягивая к себе все больше материала. Когда масса стала критической, начались разогрев, плавление. Вещество разделялось на фракции: тяжелые элементы оседали внутри, легкие поднимались наверх.

Как полагают ученые из Германии, Японии и Франции, расслоение таких тел, как Земля, идет равномерно и стабильно, каждый слой — однородный. Чтобы ядро получилось двухслойное и неоднородное, где-то ближе к концу процесса планета должна была испытать очень сильный удар другого массивного тела. Часть вещества «пришельца» осталась в недрах Земли, часть была выбита на орбиту, где затем образовалась Луна. От удара внутренности планеты перемешались, и это привело к частичному плавлению ядра.22 марта 2018, 08:00НаукаПочему Луна не из чугуна? Ученые спорят о происхождении спутника Земли

А вот эволюция Венеры прошла гладко, без ЧП космического масштаба. Расслоение благополучно завершилось с образованием твердого железного ядра, неспособного генерировать магнитное поле.

Есть и другая гипотеза: спонтанная кристаллизация железного расплава. Однако для этого ему нужно остыть до тысячи Кельвинов, что невозможно.

Значит, зародыши кристаллизации проникли извне, сделали вывод ученые из США. Например, из нижней мантии. Это крупные куски железа размером десятки и сотни метров. Откуда им там взяться — большой вопрос.

Один из ответов лежит на поверхности Земли в виде древних железистых кварцитов. Возможно, более трех миллиардов лет назад из этих пород сложилось дно океанов. Из-за движения плит оно погрузилось в мантию и оттуда — в ядро.

Создание магнитного щита

Соотношение радиоактивных изотопов свинца указывает на возраст ядра: порядка четырех с половиной миллиардов лет. Когда возникло магнитное поле, неизвестно. Его следы встречаются уже в самых древних горных породах Земли возрастом 3,5 миллиарда лет.

В соответствии с моделью геодинамо для магнитного поля Земли нужна проводящая жидкость, вращение которой сопровождается перемешиванием.

Проблема в том, что магнитное поле у быстро вращающихся жидкостей рано или поздно затухает. Судя по геологическим данным, на видимом нам отрезке времени интенсивность магнитного поля Земли не менялась. Должен быть какой-то постоянный мощный источник энергии.

На эту роль есть два кандидата. Температурная конвекция, возможная, если внутреннее ядро горячее внешнего, и композиционная конвекция, то есть перемещение элементов из одной части в другую. Это означает, что твердая часть ядра увеличивается. Но бояться полного застывания не стоит. На это понадобится не один миллиард лет.

29 января 2019, 08:00НаукаМагнитный полюс Земли стремится в Россию. Что это значит для нас?

Электрическое поле и движение заряда

Возможно, одно из самых полезных, но само собой разумеющихся достижений последних веков — это разработка электрических цепей. Поток заряда по проводам позволяет нам готовить пищу, освещать дома, кондиционировать нашу работу и жилое пространство, развлекать нас фильмами и музыкой и даже позволяет нам безопасно ездить на работу или в школу. В этом разделе Физического класса мы исследуем причины, по которым заряд течет по проводам электрических цепей, и переменные, которые влияют на скорость его прохождения.Средства, с помощью которых движущийся заряд передает электрическую энергию приборам для их работы, будут подробно рассмотрены.

Один из фундаментальных принципов, который необходимо понять, чтобы понять электрические цепи, относится к концепции того, как электрическое поле может влиять на заряд внутри цепи, когда он перемещается из одного места в другое. Понятие электрического поля было впервые представлено в разделе Статическое электричество. В этом блоке электрическая сила описывалась как неконтактная сила.Заряженный воздушный шар может оказывать притягательное воздействие на противоположно заряженный воздушный шар, даже когда они не находятся в контакте. Электрическая сила действует на расстоянии, разделяющем два объекта. Электрическая сила — это сила, действующая на расстоянии.

Силы действия на расстоянии иногда называют полевыми силами. Концепция полевой силы используется учеными для объяснения этого довольно необычного явления силы, которое происходит при отсутствии физического контакта. На пространство, окружающее заряженный объект, влияет наличие заряда; в этом пространстве создается электрическое поле.Заряженный объект создает электрическое поле — изменение пространства или поля в окружающей его области. Другие заряды в этой области почувствовали бы необычное изменение пространства. Независимо от того, входит ли заряженный объект в это пространство или нет, электрическое поле существует. Пространство изменяется присутствием заряженного объекта; другие объекты в этом пространстве испытывают странные и таинственные качества космоса. По мере того, как другой заряженный объект входит в пространство и перемещается на все глубже и глубже в поле, действие поля становится все более и более заметным.

Электрическое поле — это векторная величина, направление которой определяется как направление, в котором положительный тестовый заряд будет выдаваться при помещении в поле. Таким образом, направление электрического поля около положительного заряда источника всегда направлено от положительного источника. А направление электрического поля около отрицательного заряда источника всегда направлено в сторону отрицательного источника.

Электрическое поле, работа и потенциальная энергия

Электрические поля подобны гравитационным полям — оба связаны с силами, действующими на расстоянии.В случае гравитационных полей источником поля является массивный объект, а силы действия на расстоянии действуют на другие массы. Когда концепция силы гравитации и энергии обсуждалась в Блоке 5 Физического Класса, было упомянуто, что сила тяжести является внутренней или консервативной силой. Когда гравитация действительно воздействует на объект, перемещая его с высокого места на более низкое, общее количество механической энергии объекта сохраняется. Однако во время падающего движения произошла потеря потенциальной энергии (и увеличение кинетической энергии).Когда гравитация действует на объект, перемещая его в направлении гравитационного поля, объект теряет потенциальную энергию. Потенциальная энергия, изначально запасенная в объекте в результате его вертикального положения, теряется, когда объект перемещается под действием гравитационного поля. С другой стороны, для перемещения массивного объекта против его гравитационного поля потребуется энергия. Стационарный объект не будет естественно двигаться против поля и получать потенциальную энергию. Энергия в виде работы должна быть передана объекту внешней силой, чтобы он достиг этой высоты и соответствующей потенциальной энергии.

Важный момент, который следует сделать из этой аналогии с гравитацией, заключается в том, что внешняя сила должна совершать работу, чтобы переместить объект против природы — от низкопотенциальной энергии к высокопотенциальной. С другой стороны, объекты естественным образом переходят от энергии с высоким потенциалом к ​​энергии с низким потенциалом под действием силы поля. Для объектов просто естественно переходить от высокой энергии к низкой; но требуется работа, чтобы переместить объект с низкой энергии на высокую.

Аналогичным образом, чтобы переместить заряд в электрическом поле против его естественного направления движения, потребуется работа. Работа внешней силы, в свою очередь, добавит объекту потенциальной энергии. Естественное направление движения объекта — от высокой энергии к низкой энергии; но необходимо провести работу по перемещению объекта против природы . С другой стороны, не потребуется работы для перемещения объекта из места с высоким потенциалом энергии в место с низким потенциалом энергии.Когда этот принцип логически распространяется на движение заряда в электрическом поле, связь между работой, энергией и направлением движения заряда становится более очевидной.

Рассмотрим диаграмму выше, на которой положительный заряд источника создает электрическое поле, а положительный тестовый заряд перемещается против поля и вместе с ним. На схеме A положительный тестовый заряд перемещается против поля из точки A в точку B. Перемещение заряда в этом направлении было бы подобно движению против природы.Таким образом, потребуется работа, чтобы переместить объект из местоположения A в местоположение B, и положительный тестовый заряд будет приобретать потенциальную энергию в процессе. Это было бы аналогично перемещению массы в гору; потребовалась бы работа, чтобы вызвать такое увеличение потенциальной энергии гравитации. На схеме B положительный испытательный заряд перемещается с полем из точки B в точку A. Это движение было бы естественным и не требовало работы внешней силы. Положительный тестовый заряд будет терять энергию при перемещении из точки B в точку A.Это было бы аналогично падению массы вниз; это произойдет естественным образом и будет сопровождаться потерей гравитационной потенциальной энергии. Из этого обсуждения можно сделать вывод, что место с высокой энергией для положительного тестового заряда — это место, ближайшее к положительному исходному заряду; а место с низким энергопотреблением находится дальше всего.

Вышеупомянутое обсуждение относилось к перемещению положительного тестового заряда в электрическом поле, созданном положительным зарядом источника. Теперь рассмотрим движение того же положительного пробного заряда в электрическом поле, создаваемом отрицательным зарядом источника.Тот же принцип в отношении работы и потенциальной энергии будет использоваться для определения местоположений высокой и низкой энергии.

На схеме C положительный тестовый заряд движется из точки A в точку B в направлении электрического поля. Это движение было бы естественным — как масса, падающая на Землю. Для того, чтобы вызвать такое движение, не потребуется работа, и это будет сопровождаться потерей потенциальной энергии. На схеме D положительный испытательный заряд движется из точки B в точку A против электрического поля.Потребуется работа, чтобы вызвать это движение; это было бы аналогично увеличению массы в гравитационном поле Земли. Поскольку энергия передается испытательному заряду в виде работы, положительный испытательный заряд будет приобретать потенциальную энергию в результате движения. Из этого обсуждения можно сделать вывод, что место с низкой энергией для положительного тестового заряда — это место, ближайшее к отрицательному заряду источника, а место с высокой энергией — это место, наиболее удаленное от отрицательного заряда источника.

Когда мы начнем обсуждать схемы, мы применим эти принципы, касающиеся работы и потенциальной энергии, к движению заряда по цепи. Как мы здесь рассуждали, перемещение положительного тестового заряда против электрического поля потребует работы и приведет к увеличению потенциальной энергии. С другой стороны, положительный тестовый заряд будет естественным образом перемещаться в направлении поля без необходимости работы с ним; это движение приведет к потере потенциальной энергии.Прежде чем применить это к электрическим цепям, нам нужно сначала изучить значение концепции электрического потенциала.

Что такое электрическое поле? Определение, формула, пример

Когда воздушный шар трется о свитер, он заряжается. Из-за этого заряда воздушный шар может прилипать к стенкам, но когда его помещают рядом с другим воздушным шариком, который также был натерт, первый воздушный шар полетит в противоположном направлении.

Ключевые выводы: электрическое поле

  • Электрический заряд — это свойство вещества, которое заставляет два объекта притягиваться или отталкиваться в зависимости от их заряда (положительного или отрицательного).
  • Электрическое поле — это область пространства вокруг электрически заряженной частицы или объекта, в которой электрический заряд может ощущать силу.
  • Электрическое поле — это векторная величина, которую можно представить в виде стрелок, направленных к зарядам или от них. Линии определены как направленные радиально наружу, , от положительного заряда, или радиально внутрь, , в сторону отрицательного заряда.

Это явление является результатом свойства вещества, называемого электрическим зарядом. Электрические заряды создают электрические поля: области пространства вокруг электрически заряженных частиц или объектов, в которых другие электрически заряженные частицы или объекты будут ощущать силу.

Определение электрического заряда

Электрический заряд, который может быть как положительным, так и отрицательным, — это свойство материи, которое заставляет два объекта притягиваться или отталкиваться. Если предметы заряжены противоположно (положительно-отрицательно), они будут притягиваться; если они заряжены одинаково (положительно-положительно или отрицательно-отрицательно), они будут отталкиваться.

Единицей электрического заряда является кулон, который определяется как количество электричества, которое переносится электрическим током в 1 ампер за 1 секунду.

Атомы, которые являются основными единицами материи, состоят из трех типов частиц: электронов, нейтронов и протонов. Сами электроны и протоны электрически заряжены и имеют соответственно отрицательный и положительный заряд. Нейтрон электрически не заряжен.

Многие объекты электрически нейтральны и имеют нулевой суммарный заряд.Если имеется избыток электронов или протонов, что дает чистый заряд, отличный от нуля, объекты считаются заряженными.

Один из способов количественно определить электрический заряд — использовать константу e = 1,602 * 10 -19 кулонов. Электрон, который представляет собой наименьшее количество отрицательного электрического заряда , имеет заряд -1,602 * 10 -19 кулонов. Протон, который представляет собой наименьшее количество положительного электрического заряда, имеет заряд +1,602 * 10 -19 кулонов.Таким образом, 10 электронов будут иметь заряд -10 э, а 10 протонов будут иметь заряд +10 э.

Закон Кулона

Электрические заряды притягивают или отталкивают друг друга, потому что они действуют друг на друга. Сила между двумя точечными электрическими зарядами — идеализированными зарядами, которые сосредоточены в одной точке пространства — описывается законом Кулона. Закон Кулона гласит, что сила или величина силы между двумя точечными зарядами составляет пропорционально величине зарядов и обратно пропорционально расстоянию между двумя зарядами.

Математически это определяется как:

F = (k | q 1 q 2 |) / r 2

где q 1 — заряд первого точечного заряда, q 2 — заряд второго точечного заряда, k = 8,988 * 10 9 Нм 2 / C 2 — постоянная Кулона, а r расстояние между двумя точечными зарядами.

Хотя технически нет реальных точечных зарядов, электроны, протоны и другие частицы настолько малы, что могут быть приблизительно или точечным зарядом.

Формула электрического поля

Электрический заряд создает электрическое поле, которое представляет собой область пространства вокруг электрически заряженной частицы или объекта, в которой электрический заряд будет ощущать силу. Электрическое поле существует во всех точках пространства, и его можно наблюдать, добавляя другой заряд в электрическое поле. Однако для практических целей электрическое поле можно приблизить к нулю, если заряды расположены достаточно далеко друг от друга.

Электрические поля — это векторная величина, которую можно представить в виде стрелок, направленных к зарядам или от них.Линии определены как направленные радиально наружу, , от положительного заряда, или радиально внутрь, , в сторону отрицательного заряда.

Величина электрического поля определяется формулой E = F / q, где E — напряженность электрического поля, F — электрическая сила, а q — пробный заряд, который используется для «ощущения» электрического поля. .

Пример: электрическое поле двухточечных зарядов

Для двухточечных зарядов F определяется законом Кулона выше.

  • Таким образом, F = (k | q 1 q 2 |) / r 2 , где q 2 определяется как пробный заряд , который используется для «ощущения» электрического поле.
  • Затем мы используем формулу электрического поля для получения E = F / q 2 , поскольку q 2 было определено как пробный заряд.
  • После замены F, E = (k | q 1 |) / r 2 .

Источники

  • Фитцпатрик, Ричард.«Электрические поля». Техасский университет в Остине, , 2007 г.
  • Левандовски, Хизер и Чак Роджерс. «Электрические поля». Университет Колорадо в Боулдере, , 2008 г.
  • Ричмонд, Майкл. «Электрический заряд и закон Кулона». Рочестерский технологический институт.

Глоссарий: электрическое поле

электрическое поле

Определение:

Электрическое поле — это невидимое силовое поле, созданное притяжением и
отталкивание электрических зарядов (причина электрического потока) и измеряется в
Вольт на метр (В / м).

Напряженность электрического поля уменьшается с удалением от поля.
источник.

Статическое электрическое поле (также называемое электростатическим полем) — это
электрическое поле, не меняющееся во времени (частота 0 Гц). Статический электрический
поля создаются электрическими зарядами, которые фиксируются в пространстве. Они есть
отличается от полей, которые меняются со временем, например, электромагнитных полей
генерируется приборами, работающими на переменном токе (AC), или сотовыми телефонами и т. д.

Источник: GreenFacts

Больше:

Когда прикроватная лампа включена в розетку, т.е. подключена к электросети
через розетку остается только электрическое поле. Электрическое поле может быть
по сравнению с давлением внутри шланга, когда он подключен к воде
система подачи и кран закрыт. Электрическое поле связано с напряжением
единицей измерения является Вольт. Он возникает из-за наличия электрических зарядов и
измеряется в вольтах на метр (В / м).Чем больше питание
прибора, тем больше напряженность возникающего электрического поля.

Когда лампа включена, т.е. когда ток проходит через
кабель питания, есть как электрическое, так и магнитное поле. В
магнитное поле возникает в результате прохождения тока (т. е. движения
электронов) через электрический провод. В примере со шлангом
магнитное поле соответствовало бы прохождению воды по трубе.В
единицей магнитной индукции поля является тесла (Тл). Однако магнитный
поля, которые обычно измеряются, находятся в диапазоне микротесла (мкТл)
то есть одна миллионная Tesla. Еще одна единица измерения, которую иногда используют,
Гаусс (G). Один гаусс эквивалентен 100 микротесла.

В выключенном состоянии (слева): электрическое поле

При включении (справа): электрическое и магнитное поле

Источник:
BBEMG
Электрическое поле и магнитное
поле

Связанные слова:

Магнитное поле — Электромагнитные поля (ЭМП)

Перевод (и):

Deutsch: Elektrisches Feld
Español: Campo eléctrico
Français: Champ électrique

18.3 Электрическое поле | Texas Gateway

Задачи обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

  • Рассчитывать напряженность электрического поля
  • Создание и интерпретация чертежей электрических полей
Раздел Основные термины
электрическое поле пробный заряд

Возможно, вы слышали о силовом поле в научно-фантастических фильмах, где такие поля применяют силы в определенных позициях в космосе, чтобы удержать злодея в ловушке или защитить космический корабль от огня противника.Концепция поля очень полезна в физике, хотя несколько отличается от того, что вы видите в фильмах.

Поле — это способ концептуализации и отображения силы, которая окружает любой объект и действует на другой объект на расстоянии без видимой физической связи. Например, гравитационное поле, окружающее Землю и все другие массы, представляет собой гравитационную силу, которая возникла бы, если бы другая масса была помещена в данную точку внутри поля.Майкл Фарадей, английский физик XIX века, предложил концепцию электрического поля. Если вы знаете электрическое поле, вы можете легко вычислить силу (величину и направление), приложенную к любому электрическому заряду, который вы помещаете в это поле.

Электрическое поле генерируется электрическим зарядом и сообщает нам силу на единицу заряда во всех точках пространства вокруг распределения заряда. Распределение зарядов может быть одноточечным; распределение заряда, скажем, по плоской пластине; или более сложное распределение заряда.Электрическое поле распространяется в пространство вокруг распределения заряда. Теперь рассмотрите возможность размещения тестового заряда в полевых условиях. Пробный заряд — это положительный электрический заряд, заряд которого настолько мал, что он не вызывает значительного возмущения зарядов, создающих электрическое поле. Электрическое поле действует на пробный заряд в заданном направлении. Приложенная сила пропорциональна заряду испытательного заряда. Например, если мы удвоим заряд испытательного заряда, сила, приложенная к нему, удвоится.Математически, говоря, что электрическое поле — это сила на единицу заряда, записывается как

18,15.
E → = F → qtestE → = F → qtest

, где мы рассматриваем только электрические силы. Обратите внимание, что электрическое поле — это векторное поле, которое направлено в том же направлении, что и сила, действующая на положительный тестовый заряд. Единицы электрического поля — N / C.

Если электрическое поле создается точечным зарядом или сферой с однородным зарядом, то величина силы между этим точечным зарядом Q и пробным зарядом определяется законом Кулона

F = k | Qqtest | r2F = k | Qqtest | r2

, где используется абсолютное значение, поскольку мы учитываем только величину силы.Тогда величина электрического поля равна

18,16.
E = Fqtest = k | Q | r2.E = Fqtest = k | Q | r2.

Это уравнение дает величину электрического поля, создаваемого точечным зарядом Q . Расстояние r в знаменателе — это расстояние от точечного заряда Q или от центра сферического заряда до интересующей точки.

Если тестовый заряд удалить из электрического поля, электрическое поле все еще существует. Чтобы создать трехмерную карту электрического поля, представьте, что тестовый заряд размещается в разных местах поля.В каждом месте измерьте силу, действующую на заряд, и используйте векторное уравнение E → = F → / qtestE → = F → / qtest для расчета электрического поля. Нарисуйте стрелку в каждой точке, куда вы помещаете тестовый заряд, чтобы обозначить силу и направление электрического поля. Длина стрелок должна быть пропорциональна напряженности электрического поля. Если соединить эти стрелки вместе, получатся линии. На рисунке 18.18 показано трехмерное электрическое поле, созданное положительным зарядом.

Рисунок 18.18 Трехмерное представление электрического поля, создаваемого положительным зарядом.

Простое рисование силовых линий электрического поля в плоскости, пересекающей заряд, дает двумерные карты электрического поля, показанные на рисунке 18.19. Слева — электрическое поле, созданное положительным зарядом, а справа — электрическое поле, созданное отрицательным зарядом.

Обратите внимание, что силовые линии электрического поля направлены от положительного заряда в сторону отрицательного заряда.Таким образом, положительный тестовый заряд, помещенный в электрическое поле положительного заряда, будет отталкиваться. Это согласуется с законом Кулона, который гласит, что одинаковые заряды отталкивают друг друга. Если мы поместим положительный заряд в электрическое поле отрицательного заряда, положительный заряд притянется к отрицательному заряду. Обратное верно для отрицательных тестовых зарядов. Таким образом, направление силовых линий электрического поля согласуется с тем, что мы находим с помощью закона Кулона.

Уравнение E = k | Q | / r2E = k | Q | / r2 говорит, что электрическое поле становится сильнее по мере приближения к заряду, который его генерирует.Например, на расстоянии 2 см от заряда Q ( r = 2 см) электрическое поле в четыре раза сильнее, чем на расстоянии 4 см от заряда ( r = 4 см). Снова посмотрев на рис. 18.18 и рис. 18.19, мы видим, что силовые линии электрического поля становятся плотнее по мере приближения к заряду, который его генерирует. На самом деле плотность силовых линий электрического поля пропорциональна напряженности электрического поля!

Рисунок 18.19 Силовые линии электрического поля от двух точечных зарядов. Красная точка слева несет заряд +1 нКл, а синяя точка справа несет заряд –1 нКл.Стрелки указывают направление движения положительного тестового заряда. По мере приближения к точечной зарядке линии поля становятся более плотными.

Карты электрического поля могут быть составлены для нескольких зарядов или для более сложных распределений зарядов. Электрическое поле из-за нескольких зарядов можно найти, сложив электрическое поле от каждого отдельного заряда. Поскольку эта сумма может быть только одним числом, мы знаем, что только одна линия электрического поля может проходить через любую заданную точку. Другими словами, линии электрического поля не могут пересекать друг друга.

На рисунке 18.20 (а) показана двумерная карта электрического поля, создаваемого зарядом + q и ближайшим зарядом — q . Трехмерная версия этой карты получается вращением этой карты вокруг оси, проходящей через оба заряда. Положительный испытательный заряд, помещенный в это поле, будет испытывать силу в направлении силовых линий в его местоположении. Таким образом, он будет отталкиваться от положительного заряда и притягиваться к отрицательному. Рисунок 18.20 (б) показано электрическое поле, создаваемое двумя зарядами — q . Обратите внимание, как линии поля имеют тенденцию отталкиваться друг от друга и не перекрываются. Положительный тестовый заряд, помещенный в это поле, будет притягиваться к обоим зарядам. Если вы находитесь далеко от этих двух зарядов, где «далеко» означает намного дальше, чем расстояние между зарядами, электрическое поле выглядит как электрическое поле от одного заряда −2 q .

Рис. 18.20 (a) Электрическое поле, создаваемое положительным точечным зарядом (слева) и отрицательным точечным зарядом той же величины (справа).(б) Электрическое поле, создаваемое двумя равными отрицательными зарядами.

Виртуальная физика

Исследование электрического поля

Это моделирование показывает электрическое поле, создаваемое зарядами, которые вы размещаете на экране. Начните с установки верхнего флажка на панели параметров справа, чтобы отобразить электрическое поле. Перетаскивайте заряды из ведер на экран, перемещайте их и наблюдайте за электрическим полем, которое они образуют. Чтобы более точно увидеть величину и направление электрического поля, перетащите датчик электрического поля или датчик E-field из нижнего ведра и перемещайте его по экрану.

Проверка захвата

Если поместить на экран положительный и отрицательный заряды, где будет нулевое электрическое поле?

  1. Электрическое поле равно нулю вблизи положительного заряда.
  2. Электрическое поле равно нулю около отрицательного заряда.
  3. Электрическое поле равно нулю на полпути между двумя зарядами.
  4. Электрическое поле равно нулю на расстоянии одной четвертой от положительного заряда.

Watch Physics

Электростатика (часть 2): интерпретация электрического поля

В этом видео объясняется, как рассчитать электрическое поле точечного заряда и как интерпретировать карты электрического поля в целом. Обратите внимание, что для расстояния между частицами лектор использует d вместо r . Обратите внимание, что точечные заряды бесконечно малы, поэтому все их заряды сосредоточены в одной точке. Когда рассматриваются более крупные заряженные объекты, расстояние между ними необходимо измерять между центрами объектов.

Проверка захвата

Верно или неверно. Если точечный заряд имеет линии электрического поля, которые указывают на него, заряд должен быть положительным.

  1. правда
  2. ложный

Рабочий пример

Сколько стоит?

Посмотрите на рисунок электрического поля на рис. 18.22. Какова относительная сила и знак трех зарядов?

Рисунок 18.22 Карта электрического поля от трех заряженных частиц.

СТРАТЕГИЯ

Мы знаем, что электрическое поле исходит от положительного заряда и заканчивается отрицательным зарядом.Мы также знаем, что количество силовых линий электрического поля, которые касаются заряда, пропорционально заряду. Заряд 1 имеет 12 выходящих полей. Заряд 2 имеет шесть линий поля, входящих в него. Заряд 3 имеет 12 линий поля, входящих в него.

Решение

Силовые линии электрического поля исходят из заряда 1, так что это положительный заряд. Линии электрического поля переходят в заряды 2 и 3, поэтому они являются отрицательными зарядами. Отношение зарядов q1: q2: q3 = + 12: −6: −12q1: q2: q3 = + 12: −6: −12. Таким образом, величина зарядов 1 и 3 вдвое больше, чем у заряда 2.

Обсуждение

Хотя мы не можем определить точный заряд каждой частицы, мы можем получить много информации из электрического поля о величине и знаке зарядов и о том, где сила на пробном заряде будет наибольшей (или наименьшей).

Рабочий пример

Электрическое поле от дверной ручки

Дверная ручка, которую можно принять за сферический металлический проводник, приобретает заряд статического электричества q = -1,5 нКл. Q = -1,5 нКл. Что такое электрическое поле 1.0 см перед дверной ручкой? Диаметр дверной ручки 5,0 см.

СТРАТЕГИЯ

Поскольку дверная ручка является проводником, весь заряд распределяется по внешней поверхности металла. Кроме того, поскольку предполагается, что дверная ручка имеет идеально сферическую форму, заряд на поверхности распределен равномерно, поэтому мы можем рассматривать дверную ручку так, как если бы весь заряд находился в центре дверной ручки. Справедливость этого упрощения будет доказана в более позднем курсе физики.Теперь нарисуйте дверную ручку и определите свою систему координат. Используйте + x + x, чтобы указать направление наружу, перпендикулярное двери, с x = 0x = 0 в центре дверной ручки (как показано на рисунке ниже).

Если диаметр дверной ручки 5,0 см, ее радиус составляет 2,5 см. Нам нужно знать электрическое поле на расстоянии 1,0 см от поверхности дверной ручки, что составляет расстояние r = 2,5 см + 1,0 см = 3,5 см = 2,5 см + 1,0 см = 3,5 см от центра дверной ручки. Мы можем использовать уравнение E = k | Q | r2E = k | Q | r2, чтобы найти величину электрического поля.Направление электрического поля определяется знаком заряда, который в данном случае отрицательный.

Решение

Вставив заряд Q = -1,5 нКл = -1,5 · 10-9 CQ = -1,5 нКл = -1,5 · 10-9 Кл и расстояние r = 3,5 см = 0,035 mr = 3,5 см = 0,035 м в уравнение E = k | Q | r2E = k | Q | r2 дает

18,17E = k | Q | r2 = (8,99 × 109 Н · м2 / C2) | −1,5 × 10−9 C | (0,035 м) 2 = 1,1 × 104 N / CE = k | Q | r2 = (8,99 × 109 Н · м2 / C2) | −1,5 · 10−9 C | (0,035 м) 2 = 1,1 · 104 N / C.

Поскольку заряд отрицательный, силовые линии электрического поля направлены к центру дверной ручки..

Обсуждение

Это похоже на огромное электрическое поле. К счастью, электрическое поле примерно в 100 раз сильнее (3 × 106 Н / К3 × 106 Н / К), чтобы вызвать разрушение воздуха и провести электричество. Кроме того, вес взрослого человека составляет около 70 кг × 9,8 м / с2≈700 Н70 кг × 9,8 м / с2≈700 Н, так почему бы вам не почувствовать силу протонов в руке, когда вы тянетесь к дверной ручке? ? Причина в том, что ваша рука содержит равное количество отрицательного заряда, который отражает отрицательный заряд дверной ручки.Из-за поляризации в вашей руке может развиться очень небольшая сила, но вы никогда этого не заметите.

Электрическое поле — Энциклопедия Нового Света

Электромагнетизм
Электричество · Магнетизм

Магнитостатика
Закон Ампера · Электрический ток · Магнитное поле · Магнитный поток · Закон Био – Савара · Магнитный дипольный момент · Закон Гаусса для магнетизма ·
Электродинамика
Свободное пространство · Закон силы Лоренца · ЭДС · Электромагнитная индукция · Закон Фарадея · Ток смещения · Уравнения Максвелла · ЭМ поле · Электромагнитное излучение · -Потенциалы Вихерта · Тензор Максвелла · Вихретоковый ·
Ковариантный состав
Электромагнитный тензор · EM Тензор энергии напряжения · Четырехтоковый · Четырехпотенциальный ·

В физике пространство, окружающее электрический заряд, или в присутствии изменяющегося во времени магнитного поля имеет свойство, называемое электрическим полем (которое также можно приравнять к плотности электрического потока ).Это электрическое поле действует на другие электрически заряженные объекты. Понятие электрического поля было введено Майклом Фарадеем.

Электрическое поле — это векторное поле с единицами системы СИ — ньютон на кулон (N C -1 ) или, что то же самое, вольт на метр (В · м -1 ). Напряженность поля в данной точке определяется как сила, которая будет действовать на положительный испытательный заряд в +1 кулон, помещенный в эту точку; направление поля определяется направлением этой силы.Электрические поля содержат электрическую энергию с плотностью энергии, пропорциональной квадрату напряженности поля. Электрическое поле должно заряжаться, как гравитационное ускорение относится к массе, а плотность силы — к объему.

Движущийся заряд имеет не только электрическое, но и магнитное поле, и в целом электрическое и магнитное поля не являются полностью отдельными явлениями; то, что один наблюдатель воспринимает как электрическое поле, другой наблюдатель в другой системе отсчета воспринимает как смесь электрического и магнитного полей.По этой причине говорят об «электромагнетизме» или «электромагнитных полях». В квантовой механике возмущения в электромагнитных полях называются фотонами, а энергия фотонов квантуется.

Определение

На неподвижную заряженную частицу в электрическом поле действует сила, пропорциональная ее заряду, определяемая уравнением

F знак равно q [−∇ϕ − ∂A∂t] {\ displaystyle \ mathbf {F} = q [- \ nabla \ phi — {\ frac {\ partial \ mathbf {A}} {\ partial t}} ]}

где плотность магнитного потока определяется как

B = ∇ × A {\ displaystyle \ mathbf {B} = \ nabla \ times \ mathbf {A}}

и где −∇ϕ {\ displaystyle — \ nabla \ phi} — кулоновская сила.(См. Раздел ниже).

Электрический заряд является характеристикой некоторых субатомных частиц и квантуется, когда выражается как кратное так называемому элементарному заряду e. Электроны по соглашению имеют заряд -1, а протоны имеют противоположный заряд +1. Кварки имеют дробный заряд −1/3 или +2/3. Их эквиваленты-античастицы имеют противоположный заряд. Есть и другие заряженные частицы.

Обычно заряженные частицы одного знака отталкиваются друг от друга, а заряженные частицы разных знаков притягиваются.Количественно это выражается в законе Кулона, который гласит, что величина отталкивающей силы пропорциональна произведению двух зарядов и ослабевает пропорционально квадрату расстояния.

Электрический заряд макроскопического объекта — это сумма электрических зарядов составляющих его частиц. Часто чистый электрический заряд равен нулю, поскольку, естественно, количество электронов в каждом атоме равно количеству протонов, поэтому их заряды сокращаются. Ситуации, в которых чистый заряд не равен нулю, часто называют статическим электричеством.Кроме того, даже когда чистый заряд равен нулю, он может быть распределен неравномерно (например, из-за внешнего электрического поля), и тогда материал называется поляризованным, а заряд, связанный с поляризацией, известен как связанный заряд. (при этом внесенная извне превышенная плата называется бесплатной). Упорядоченное движение заряженных частиц в определенном направлении (в металлах это электроны) известно как электрический ток. Дискретный характер электрического заряда был предложен Майклом Фарадеем в его экспериментах по электролизу, а затем напрямую продемонстрирован Робертом Милликеном в его эксперименте с каплей масла.

Единицей измерения количества электричества или электрического заряда в системе СИ является кулон, который представляет примерно 1,60 × 10 19 элементарных зарядов (заряд отдельного электрона или протона). Кулон определяется как количество заряда, прошедшего через поперечное сечение электрического проводника, несущего один ампер за одну секунду. Символ Q часто используется для обозначения количества электричества или заряда. Количество электрического заряда можно измерить непосредственно электрометром или косвенно с помощью баллистического гальванометра.

Формально мера заряда должна быть кратной элементарному заряду e (заряд квантуется), но поскольку это средняя макроскопическая величина, на много порядков превышающая единичный элементарный заряд, она может эффективно принимать любой реальная стоимость. Более того, в некоторых контекстах имеет смысл говорить о долях заряда; например при зарядке конденсатора.

Если заряженную частицу можно рассматривать как точечный заряд, электрическое поле определяется как сила, которую она испытывает на единицу заряда:

E = Fq {\ displaystyle \ mathbf {E} = {\ frac {\ mathbf {F}} {q}}}

где

F {\ displaystyle \ mathbf {F}} — это электрическая сила , , испытываемая частицей
q — его заряд
E {\ displaystyle \ mathbf {E}} — электрическое поле, в котором расположена частица.

В буквальном смысле это уравнение определяет электрическое поле только в тех местах, где есть стационарные заряды, чтобы испытать его.Кроме того, сила, создаваемая другим зарядом q {\ displaystyle q}, изменит распределение источника, что означает, что электрическое поле в присутствии q {\ displaystyle q} отличается от самого себя в отсутствие q {\ displaystyle q}. Однако электрическое поле данного распределения источников остается определенным при отсутствии каких-либо зарядов, с которыми можно взаимодействовать. Это достигается путем измерения силы, прилагаемой к последовательно уменьшающимся пробным зарядам , размещенным вблизи источника распределения.Посредством этого процесса электрическое поле, создаваемое заданным распределением источников, определяется как предел, когда пробный заряд приближается к нулю силы на единицу заряда, приложенной к нему.

E = limq → 0Fq {\ displaystyle \ mathbf {E} = \ lim _ {q \ to 0} {\ frac {\ mathbf {F}} {q}}}

Это позволяет электрическому полю быть зависит только от исходного дистрибутива.

Как ясно из определения, направление электрического поля совпадает с направлением силы, которую оно оказывает на положительно заряженную частицу, и противоположно направлению силы, действующей на отрицательно заряженную частицу.{\ displaystyle \ mathbf {\ hat {r}}} — это единичный вектор, указывающий от частицы с зарядом Q до точки оценки электрического поля,

ε0 {\ displaystyle \ varepsilon _ {0}} — диэлектрическая проницаемость вакуума.

Закон Кулона на самом деле является частным случаем закона Гаусса, более фундаментального описания взаимосвязи между распределением электрического заряда в пространстве и возникающим электрическим полем. Закон Гаусса — одно из уравнений Максвелла, набор из четырех законов, управляющих электромагнетизмом.

Изменяющиеся во времени поля

Заряды не только создают электрические поля. По мере движения они генерируют магнитные поля, а если магнитное поле изменяется, оно генерирует электрические поля. Изменяющееся магнитное поле вызывает электрическое поле,

E = −∇ϕ − ∂A∂t {\ displaystyle \ mathbf {E} = — \ nabla \ phi — {\ frac {\ partial \ mathbf {A}} {\ partial t}}}

, который дает закон индукции Фарадея,

∇ × E = −∂B∂t {\ displaystyle \ nabla \ times \ mathbf {E} = — {\ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ partial t}}}

где

∇ × E {\ displaystyle \ nabla \ times \ mathbf {E}} указывает изгиб электрического поля,
−∂B∂t {\ displaystyle — {\ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ partial t}}} представляет векторную скорость уменьшения магнитного поля со временем.

Это означает, что магнитное поле, изменяющееся во времени, создает искривленное электрическое поле, которое, возможно, также изменяется во времени. Ситуация, в которой электрические или магнитные поля изменяются во времени, уже не электростатика, а скорее электродинамика или электромагнетизм.

Свойства (в электростатике)

Иллюстрация электрического поля, окружающего положительный (красный) и отрицательный (зеленый) заряд.

Согласно уравнению (1) выше, электрическое поле зависит от положения.Электрическое поле из-за любого отдельного заряда спадает как квадрат расстояния от этого заряда.

Электрические поля подчиняются принципу суперпозиции. Если присутствует более одного заряда, полное электрическое поле в любой точке равно векторной сумме соответствующих электрических полей, которые каждый объект создавал бы в отсутствие других.

Etotal = ∑iEi = E1 + E2 + E3… {\ displaystyle \ mathbf {E} _ {\ rm {total}} = \ sum _ {i} \ mathbf {E} _ {i} = \ mathbf {E } _ {1} + \ mathbf {E} _ {2} + \ mathbf {E} _ {3} \ ldots \, \!}

Если этот принцип распространить на бесконечное число бесконечно малых элементов заряда , получается следующая формула:

E = 14πε0∫ρr2r ^ dV {\ displaystyle \ mathbf {E} = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ int {\ frac {\ rho} {r ^ {2 }}} \ mathbf {\ hat {r}} \, \ mathrm {d} V}

где

ρ {\ displaystyle \ rho} — плотность заряда или количество заряда на единицу объема.

Электрическое поле в точке равно отрицательному градиенту электрического потенциала в этой точке. В символах

E = −∇ϕ {\ displaystyle \ mathbf {E} = — \ nabla \ phi}

где

ϕ (x, y, z) {\ displaystyle \ phi (x, y, z)} — скалярное поле, представляющее электрический потенциал в данной точке.

Если несколько пространственно распределенных зарядов генерируют такой электрический потенциал, например в твердом теле также может быть определен градиент электрического поля.

Учитывая диэлектрическую проницаемость ε {\ displaystyle \ varepsilon} материала, которая может отличаться от диэлектрической проницаемости свободного пространства ε0 {\ displaystyle \ varepsilon _ {0}}, поле электрического смещения равно:

D = εE {\ displaystyle \ mathbf {D} = \ varepsilon \ mathbf {E}}

Энергия в электрическом поле

Электрическое поле накапливает энергию. Плотность энергии электрического поля определяется выражением

u = 12ε | E | 2 {\ displaystyle u = {\ frac {1} {2}} \ varepsilon | \ mathbf {E} | ^ {2}}

где

ε {\ displaystyle \ varepsilon} — диэлектрическая проницаемость среды, в которой существует поле
E {\ displaystyle \ mathbf {E}} — вектор электрического поля.{2}}} \ mathbf {\ hat {r}} = m \ mathbf {g}}

Это указывает на сходство между электрическим полем E {\ displaystyle E}
и гравитационное поле g {\ displaystyle g}, поэтому иногда массу называют «гравитационным зарядом».

Сходства между электростатическими и гравитационными силами:

  1. Оба действуют в вакууме.
  2. Оба они центральные и консервативные.
  3. Оба подчиняются закону обратных квадратов (оба обратно пропорциональны квадрату r).
  4. Оба распространяются с конечной скоростью c.

Различия между электростатическими и гравитационными силами:

  1. Электростатические силы намного превосходят силы тяжести (примерно в 10 36 раз).
  2. Гравитационные силы притягивают одноименные заряды, тогда как электростатические силы отталкивают одноименные заряды.
  3. Нет отрицательных гравитационных зарядов (нет отрицательной массы), но есть как положительные, так и отрицательные электрические заряды. Это различие в сочетании с предыдущим подразумевает, что гравитационные силы всегда притягивают, в то время как электростатические силы могут быть либо притягивающими, либо отталкивающими.
  4. Электрический заряд инвариантен, а релятивистская масса — нет.

См. Также

Список литературы

  • Гибилиско, Стан. 2005. Демистификация электричества. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 0071439250.
  • Ефименко, Олег Д. 1989. Электричество и магнетизм: Введение в теорию электрических и магнитных полей. 2-е изд. Звездный городок: электретный науч. ISBN 0917406087.
  • Паркер, Э.Н. 2007. Беседы об электрических и магнитных полях в Космосе. Принстонская серия в астрофизике, 11. Принстон: Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0691128412.
  • Янг, Хью Д. и Роджер А. Фридман. 2003. Физика для ученых и инженеров, , 11-е издание. Сан-Франциско: Пирсон. ISBN 080538684X.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 18 сентября 2017 г.

Кредиты

New World Encyclopedia писателей и редакторов переписали и завершили статью Wikipedia
в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников Энциклопедии Нового Света, участников, так и на бескорыстных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импортирования в Энциклопедия Нового Света :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, которые лицензируются отдельно.

Определения антенн — электрическое поле (E-Field)

Электромагнитные волны состоят из электрических полей (часто называемых электронным полем) и
магнитные поля.
Что такое электронное поле?

Технически, E-поле в точке пространства — это мера того, насколько сильной будет сила на единичном точечном заряде.
(небольшой шар с электрическим зарядом в 1 кулон). Следовательно,
Единицы E-поля — Ньютоны / Кулон [Н / Кл]. Эти единицы эквивалентны вольт / метр [В / м], что
это то, что обычно указывается в E-поле (например, 10 В / м).

E-поле — это векторная величина — это означает, что в каждой точке пространства оно имеет величину и направление.
Например, допустим, что в пространстве существует E-поле:

Это E-поле плоской волны, бегущей в + z-направлении, и E-поле
линейно поляризован и «указывает» в направлении y ( k — волновое число).
Амплитуда волны А Вольт / метр.

В момент времени t = 0 и z = 0, E-поле составляет A Вольт / метр
в направлении + y.Это означает, что единичный точечный заряд (1 кулон) на этом
местоположение будет испытывать силу A Ньютонов в направлении + y.

Электрическое поле также связано с напряжением — более сильное электрическое поле, падающее на антенну.
вызовет большую разницу напряжений на клеммах антенны. Однако, кроме низких частот,
соотношение между E-полями и напряжением непростое (напряжение — это потенциал, который подвержен
разные определения).На постоянном токе, когда поля статичны (без изменения во времени),
электрическое поле и напряжение В связаны друг с другом соотношением:

Электрическое поле, связанное с точечным зарядом с положительным зарядом, находится вдали от него в любом месте;
поля, связанные с зарядом моста с отрицательным зарядом, указывают на него.

Да, вы можете нанести на карту электрическое поле дома

Но как насчет численного значения электрического поля между этими проводящими пластинами? Если я просто пройду прямо посередине от одной пластины к другой, я могу получить значения электрического потенциала для разных значений y.Вот как это выглядит:

Вспомните взаимосвязь между электрическим полем и потенциалом. Электрическое поле — это отрицательная величина изменения потенциала, деленная на изменение положения. Если вы построите график зависимости потенциала от положения, это то же самое, что и наклон. Обратите внимание, что график выше является линейной функцией. Это означает, что наклон и, следовательно, электрическое поле постоянны. По наклону я получаю постоянное электрическое поле 0,713 вольт на см (0,00713 В / м). О, 1 В / м — это ньютон на кулон.Оба являются эквивалентными единицами измерения электрического поля.

Но подождите! Электрическое поле связано с электрической силой, а это значит, что оно должно быть вектором. Вычисленное выше значение основано на наклоне, поэтому это просто скалярное значение. Что ж, это легко исправить. Поскольку я построил потенциал относительно положения y , это дает мне составляющую электрического поля y . Чтобы найти компонент x , мне также нужно построить электрический потенциал в этом направлении.

Но в этом случае потенциал действительно не сильно меняется в направлении x . Это означает, что x-компонента электрического поля будет равна нулю В / м. Честно говоря, это хорошая особенность этих параллельных проводящих пластин — они создают постоянное электрическое поле в одном направлении.

Зачем нам бумага?

Итак, это краткое введение в электрические поля и разность электрических потенциалов. Теперь ответим на важный вопрос, который вы не задавали:

Предположим, я возьму 9-вольтовую батарею и с помощью нескольких проводов соединю клеммы с двумя параллельными полосами из алюминиевой фольги, разделенными расстоянием 10 см — без каких-либо бумага.Могу я повторить этот эксперимент, чтобы рассчитать электрическое поле между этими пластинами?

Ответ — нет. Я имею ввиду, это должно работать . Теория состоит в том, что у вас есть изменение потенциала на двух кусках алюминия и изменение расстояния. Поскольку у вас две параллельные пластины, электрическое поле должно быть довольно постоянным.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *