Физические свойства вихревого магнитного поля
Содержание
Теория электродинамики, сформулированная Максвеллом, доказывает существование электрических полей, образование которых происходит без электрических зарядов. Их называют вихревыми. Такие поля возникают, например, вокруг электромагнитов, электродвигателей, трансформаторов, а также при перемещении в магнитном поле проводника с протекающим в нем током или при изменении параметров магнитного поля, в котором находится проводник с током.
Механизм образования вихревого поля
Наличие электродвижущей силы в неподвижном контуре подтверждают перемещения свободных носителей заряда в веществе данного контура. Магнитное поле (МП), пронизывающее его, не может взаимодействовать с зарядами, поскольку не оказывает никакого влияния на них. Заряды приобретают возможность перемещаться лишь при наличии электрического поля (ЭП), способного создавать ЭДС индукции. Но если есть такое поле, то оно могло образоваться лишь с помощью переменного магнитного поля.
Силовые линии поля, возникновение которого связано с переменным МП, нигде не начинаются и нигде не завершаются. Они являются замкнутыми, а поле, которому свойственны подобные линии, называется вихревым. Например, любое магнитное поле является вихревым. Постулаты Максвелла не отрицают существование стационарного МП, но магнитные заряды до сих пор обнаружить не удалось. Вихревой характер магнитного поля способствует образованию вихревого электрического поля.
Чем с большей скоростью меняются параметры магнитного потока, пронизывающего неподвижный замкнутый контур, тем большей будет напряженность порождаемого им вихревого электрического поля. Оно направлено в ту же сторону, что и индукционный ток, поэтому можно воспользоваться правилом Ленца, чтобы определить направление.
Вихревой характер магнитного поля становится причиной того, что возникает вихревое электрическое поле, способствующее образованию электрического тока, под влиянием которого появляется вихревое магнитное поле. В результате временных изменений полей электрической и магнитной природы появляются особые пространственные структуры, получившие название электромагнитной волны.
Вихревое электрическое поле, возникающее под воздействием переменного МП, называется индуцированным. Его появление возможно в любой зоне пространства, если там присутствует переменное магнитное поле. Причем наличие проводящего контура для этого не требуется. Его можно использовать лишь для обнаружения образовавшегося электрического поля.
Разница между вихревым полем и электростатическим
Основное отличие — это разная причина возникновения. Вихревое поле появляется при наличии переменного МП, а источником электростатического поля являются электрозаряды. Еще одно отличие — линии напряженности. У поля, называемого электростатическим, они начинаются на положительно заряженных частицах, а завершаются на отрицательно заряженных. Линии напряженности вихревого электрического поля относятся к категории замкнутых. Они располагаются в плоскости, перпендикулярной той, в которой расположены линии индукции МП.
Физические свойства
Вихревое поле электрической природы обладает такими свойствами:
- Образование вихревого ЭП становится возможным лишь при наличии в пространстве изменяющегося поля магнитной природы. Если не изменяется магнитное вихревое поле, то эл. поле не появляется.
- Линии напряженности вихревого ЭП имеют замкнутую, кольцевую форму и располагаются перпендикулярно силовым линиями МП.
- Параметры вихревого поля электрической природы меняются со временем, поскольку меняются параметры поля магнитной породы, которое его порождает. Вследствие этого вихревое электрическое поле создает вторичное магнитное поле, оказывающие влияние на первичное МП.
- Вихревое ЭП является квазистационарным, то есть оно сохраняет свою форму и распределение в пространстве на протяжении определенного периода времени, если поле магнитной природы, порождающее его, не изменяется слишком быстро.
- Вихревое поле электрической природы не является соленоидальным, то есть его дивергенция отлична от нуля. Поэтому вихревое ЭП имеет источники и стоки, и может быть создано или поглощено зарядами в пространстве.
Формула поля
ЭДС индукции, которая появляется при изменении параметров магнитного потока, выражается формулами:
Буквой Е обозначена напряженность ЭП, созданного не какими-то явными источниками, а изменяющимся магнитным потоком, пронизывающим проводник. Этот поток определяется с помощью формулы:
Если эту формулу подставить в выражение для ЭДС, то получится такое равенство:
Проанализировав данное равенство, можно сделать вывод, что переменное МП порождает поле электрической природы. О переменном характере последнего свидетельствует производная dB/dt.
Используя определение магнитного потока и теорему Стокса, формулу для напряженности можно выразить в дифференциальной форме:
Единица измерения напряженности вихревого электрического поля в системе Международных единиц (СИ)— вольт на метр (В/м).
Опытное обнаружение
Изучив характеристики и свойства вихревого электрополя, у многих, конечно, возникнет вопрос, а возможно ли опытное обнаружение вихревого электрического поля? Убедиться в его наличии можно с помощью очень простого опыта. Нам понадобится катушка индуктивности, гальванометр и магнит. Катушку следует подсоединить к гальванометру. Если теперь в нее вставлять магнит, то стрелка гальванометра начнет отклоняться и это может быть связано только с электрическим полем. Угол отклонения будет увеличиваться с увеличением скорости движения магнита. При перемещении магнита в обратную сторону стрелка также начнет отклоняться в противоположном направлении. Стрелка будет отклоняться, если перемещать не магнит, а саму катушку.
На практике для обнаружения вихревого ЭП используются специальные датчики, которые измеряют магнитное поле, возникающее в результате движения электрического заряда. Эти датчики, называемые датчиками магнитного поля, используются в различных технологиях, включая бесконтактные системы для передачи энергии и обнаружения дефектов в материалах, медицинские диагностические устройства и т. д.
Одним из методов определения данного физического явления является метод фазовой замены. Он основан на измерении разности фаз между двумя вихревыми полями в двух различных точках. Этот метод используется в неразрушающем контроле для обнаружения дефектов в металлических материалах. Существуют также способы, основанные на определении электрических параметров вихревого поля, таких как емкость, индуктивность и сопротивление.