Свойства электромагнитного поля

Электромагнитное поле (ЭМП) — специфическая разновидность материи, объективно присутствующая в природе. Через электромагнитные поля осуществляется взаимодействие частиц и тел, имеющих электрический заряд, а также обладающих магнитными или дипольными моментами. В общем случае ЭМП представляет собой симбиоз электрического и магнитного полей, которые могут быть источником друг друга при совокупности различных физических условий. Теоретической основой, описывающей поведение ЭМП в вакууме и различных средах в зависимости от распределения зарядов и токов, являются уравнения электромагнитного поля, выведенные Максвеллом.

ЭМП — невидимая, но очень необходимая материя

История познания электричества

Различные природные явления, проявляющие себя как электрические или магнитные, были известны со времён античности и древнего Китая. Но связь между ними никак не рассматривалась. Считалось, что это абсолютно разные реалии природы. Вот некоторые факты живой природы, которые пытливые умы многих поколений пытались объяснить и научиться использовать:

• Молнии — электрические разряды между облаками и землёй.
• Открытие в Китае магнетита (железняка) 4000 лет до н. э. и последовавшее за ним изобретение компаса.
• Электрические свойства янтаря при натирании его мехом, обнаруженные в Греции в 500–600 г. до н. э.
• «Электрические» рыбы (сомы и скаты).
• Северное сияние.

Природные электрические явления, которые видны невооружённым глазом

Накопление информации об электричестве и магнитных материалах постепенно стало давать результаты по мере развития науки в эпоху Возрождения:

• Англичанин У. Гильберт (1544–1603) предложил в 1600 г. термин «электричество», объединивший аналогичные явления природы.
• Немецкий инженер-исследователь Отто фон Гернике (1602–1686) в 1663 г. изготовил первую электростатическую машину — инструмент для исследования эффектов отталкивания и притяжения.
• Английский исследователь С. Грей в 1729 г. обнаружил, что различные вещества по-разному пропускают электричество, то есть, открыл деление на проводники и диэлектрики.
• Голландский естествоиспытатель П. ван Мушенбрук (1692–1761) изготовил в 1745 г. первый в мире накопитель электричества — конденсатор, названный лейденской банкой по имени города, где произошло это событие.
• В 1747 г. американский физик Б. Франклин предложил модель электричества в виде некой «нематериальной жидкости» (флюида). Ему первому удалось разделить электрические заряды на отрицательные и положительные.

Бенджамин Франклин

Изучение электрических явлений способствовало тому, что физика стала переходить в разряд точных дисциплин с использованием математических формул. Это стало особенно очевидным после открытия французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г. закона, названного впоследствии его именем. В нем представлена формула о силе взаимодействия двух электрических зарядов. Закон Кулона справедливо считается краеугольным в развитии электротехники, на нем основывается теория электромагнитного поля.

Ш. О. Кулон и открытый им закон

Связь электрического и магнитного поля

В 1820 г. датский экспериментатор Х. Эрстед (1777–1851) стал первооткрывателем электромагнитного взаимодействия. Магнитная стрелка компаса, размещённая вблизи проводника, отклонялась, когда по проводнику протекал ток, и возвращалась в положение равновесия, когда ток отсутствовал. Правильного объяснения результатов эксперимента Х. Эрстед предложить не смог.

Эксперимент Эрстеда

Французский исследователь А. М. Ампер (1775–1836) на основании опытов Эрстеда и собственных экспериментов сформулировал закон взаимодействия электрических токов, а также стал автором формулы для силы F, с которой магнитное поле величиной B действует на проводник длиной L и током I. Полученные знания дополнили понимание о том, что служит источником электромагнитного поля.

Формула Ампера

Окончательную точку в накоплении экспериментального материала для построения теории ЭМП поставил выдающийся британский физик М. Фарадей. Им в 1831 г была открыта силовая характеристика, названная индукцией электромагнитного поля. Именно Фарадей первым сформулировал понятие «поле», заложив тем самым новый концептуальный подход о распространении и реальном существовании электрических и магнитных полей.

Фарадей — первооткрыватель электромагнитной индукции

В экспериментах перемещение постоянного магнита в проводящей катушке приводило к изменению магнитного потока с последующим возникновением в цепи электрического тока. На основании полученного массива экспериментальных фактов и сформулированных законов британским физиком-теоретиком Д. Максвеллом (1831–1879) была создана система уравнений для электромагнитного поля, которые принято называть уравнениями Максвелла.

Максвелл и его система уравнений

Экспериментальное определение свойств электромагнитного поля и уравнения Максвелла позволили понять, что электрическое и магнитное поля — взаимосвязанные компоненты ЭМП. С помощью полученных уравнений удалось объяснить все предыдущие эксперименты. Так, например, уравнение (1) на картинке выше представляет собой закон Фарадея.

Исходя из теории Максвелла, можно отметить такие особенности:

• Электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде волн, что было экспериментально доказано немецким физиком Г. Герцем.
• Свет — это разновидность электромагнитных волн, поэтому они распространяются со скоростью света.

Эксперимент Г. Герца по обнаружению радиоволн

Основные свойства

Электромагнитное поле не постоянно, поскольку образуют его изменяющиеся во времени электрическое и магнитное поле. Они, непрерывно изменяясь, поддерживают существование ЭМП. Показателем изменений поля является частота, которая измеряется в герцах (Гц). На основании этого параметра электромагнитные поля делятся на:

• Низкочастотные.
• Среднечастотные.
• Высокочастотные.

Электромагнитное высокочастотное поле рассматривают как поток квантов — фотонов. Поле, распространяющееся с помощью фотонов, изучается в квантовой электродинамике. Любое ЭМП обладает импульсом и энергией, поэтому оно является материальным. Существование электромагнитного поля неразрывно связано с движущимися электрическими зарядами. Когда последние движутся с большим ускорением, ЭМП может «отрываться» от них и существовать в виде электромагнитных волн.

В ходе многочисленных экспериментов были выявлены такие свойства электромагнитного поля:

• Направленность. ЭМП способно распространяться в определенном направлении.
• По происхождению ЭМП связано с двумя фундаментальными физическими явлениями — с электрическим и магнитным полем.
• ЭМП обладает проникающей способностью.

Свойства ЭМП

Электромагнитным излучением пронизано все пространство вокруг нас. Жизнь современного человека невозможно представить себе без различных гаджетов, приборов и бытовой техники, которые работают круглосуточно, подтверждая материальность электромагнитного поля.

Видео по теме