Изучаем электрическое и магнитное поля

Электрическое и магнитное поле — это фундаментальные явления природы. При их взаимодействии возникает электромагнитное поле. Благодаря его открытию человечество получило мощный источник энергии, с помощью которого был совершен технологический рывок. На свойствах электромагнитного поля основывается принцип работы электрического двигателя, генератора, ускорителя элементарных частиц.

Понятие поля

Природа электрического поля

Электрическое поле появляется вокруг заряженных микрочастиц или тел. Именно заряды являются условием его существования. Они могут быть неподвижными или подвижными. Поскольку электрический заряд имеет массу, то электрическое поле может быть сосредоточено в конкретной точке пространства. Следует отметить следующие особенности:

• Сформировавшееся вокруг электрического заряда поле распространяется во всех направлениях.
• Сила электрического поля зависит от величины электрического заряда и расстояния до него.
• Заряженное тело, попавшее в электрическое поле, ощущает на себе его силу. Эту силу характеризует физическая величина под названием напряженность.

Определение напряженности

Графически электрическое поле можно представить силовыми линиями или линиями напряженности. Они всегда начинаются на заряде с положительным знаком и заканчиваются на отрицательном. Чем гуще расположены эти линии, тем сильнее поле в данной зоне.

Графическое изображение ЭП

В качестве индикаторов для определения используются электрически заряженные тела.

Понять процессы, происходящие внутри, помогли опыты Кулона, которые он проводил с точечными зарядами. В результате были выявлены силы, действующие между этими зарядами и подчиняющиеся закону Кулона.

Формулировка кулоновского закона

Природа магнитного поля

Магнитное поле появляется вокруг движущихся электрически заряженных частиц или постоянных магнитов. Его интенсивность напрямую зависит от величины тока, протекающего по проводнику, вокруг которого образовалось данное поле. Если сила тока увеличивается, то и магнитное поле становится более интенсивными. Силовой характер магнитного поля отражает магнитная индукция.

Определение магнитной индукции

Магнитное поле можно изобразить с помощью линий магнитной индукции. Они всегда являются замкнутыми кривыми. Это свидетельствует о том, что в природе не существует магнитных зарядов.

Свойства линий МП

Магнитному полю присущи такие свойства:

• Намагниченность. Так называют способность вещества сохранять или изменять собственное магнитное поле.
• Действие на движущиеся заряды. Это свойство известно как сила Лоренца.
• Взаимодействие между магнитами, которое выражается через притягивание или отталкивание, в зависимости от полярности.

Сила Лоренца

Индикаторами для определения служат:

• Магнитная стрелка.
• Стальная стружка.
• Контур с электрическим током.

Взаимодействие между заряженными телами в магнитном поле описывает закон Ампера.

Сила Ампера

Сходства и отличия

Проводя сравнение между электрическим и магнитным полем, следует отметить, что их сходство заключается в способности взаимодействовать с заряженными телами. Под их действием заряды могут притягиваться или отталкиваться, менять свою скорость или направление движения.

Следовательно, электрическое (статическое или переменное) и магнитное поле — это две формы материи, которые непосредственно связаны с электрическим зарядом, но с одной характерной особенностью. Электрическое поле может возникнуть вокруг заряда, который пребывает в неподвижном состоянии. Чтобы появилось магнитное поле, заряд обязательно должен двигаться. В этом заключается их основное различие.

Условие существования ЭП и МП

Еще одно отличие — это форма силовых линий. У электрического поля они имеют начало и конец, а линий магнитной индукции являются замкнутыми петлями без начала и конца.

Сходство между полями вытекает из единой картины мира, а различия обусловлены разной организацией материи. Если исходить только из того, что магнитное поле существует возле движущегося заряда, то уже можно сделать вывод, что для его описания требуются более сложные методы, а для вычисления характеристик применяется более сложный математический аппарат.

Великий физик Ампер

Понимание того, в чем отличие и относительность электрического и магнитного полей позволяет лучше осознать природу каждого поля, а также их взаимодействие с окружающим миром.

Ниже представлена таблица, в которую внесены сравнительные характеристики полей электрической и магнитной природы.

Сравнение ЭП и МП

Особенности электромагнитного поля

Переменное электрическое поле способствует возникновению магнитного поля и наоборот, наличие магнитного поля приводит к появлению электрического. Вместе они образуют электромагнитное поле (ЭМП). Оно рассматривается в электродинамике как дискретная механическая система, обладающая большим количеством степеней свободы. Частицей-переносчиком электромагнитного излучения считается световой фотон — квант. Поэтому электромагнитное излучение рассматривается как поток квантов света.

Постулаты Максвелла

Процессы, происходящие внутри электромагнитного поля, математически обосновал Джеймс Клерк Максвелл. Он создал систему уравнений, отражающих связи электромагнитного поля с зарядами и токами, протекающими внутри различных сред.

Взаимосвязь электрического и магнитного полей позволяет понять тот факт, что эти поля не обособлены друг от друга, а только проявляются по-разному, становясь единым целым — электромагнитным полем.

Основоположник учения об электромагнетизме

Практическое применение

В мире современных технологий электрическое и магнитное поле играют ключевую роль, пронизывая все сферы нашей повседневной жизни:

• Освещение и комфорт. Электрическое поле дарит нам свет в наших домах. Освещение, работа бытовой техники, зарядка гаджетов — все это становится возможным благодаря электрическому току.
• Работа и транспорт. Магнитные поля находят свое применение в технике, особенно в электромоторах. Они позволяют создавать движение, например, в стиральных машинах, холодильниках, и других устройствах. В мире транспорта магнитные поля используются в поездах и системах навигации.
• Связь и развлечения. Электромагнитные волны, такие как радиоволны и световые волны, играют решающую роль в сфере связи. Мобильные телефоны, телевизоры, интернет — все это возможно благодаря передаче информации через электромагнитные волны. Технологии, использующие электромагнитные волны, также предоставляют нам разнообразные возможности для развлечений, включая радио, телевидение, и интернет-стриминг.
• Медицинские технологии. Магнитные поля используются для создания медицинского оборудования, такого как МРТ, ЭКГ и др, а также для физиотерапевтических процедур.

Исследования полей различной природы формируют основу для разработки новых энергетических технологий, средств диагностики в медицине, развития электроники, а также обеспечивают понимание фундаментальных законов природы, открывая путь к инновациям и устойчивому развитию.

Видео по теме