73215

Система уравнений Максвелла

Лекция

Физика

Если цепь с конденсатором питать переменным током то в цепи за каждый период протекают токи заряда и разряда конденсатора сопротивление которого теперь не бесконечно велико а зависит от ёмкости конденсатора и частоты тока: Согласно воззрениям Фарадея Максвелла конденсатор надо рассматривать не как разрыв цепи...

Русский

2014-12-05

188 KB

11 чел.

Лекция №19. Система уравнений Максвелла.

 I. Токи смещения. Опыт Эйхенвальда.

Под током мы понимаем направленное движение электрически заряженных частиц (электронов, ионов) в среде. Но электрический ток можно получить и при движении зарядов вместе с перемещающимися макроскопическими телами. Токи при этом возникающие, называют конвенционными токами.

Электрический ток может быть получен также при движении диэлектрика в поле переменной полярности. Движение зарядов, представляющее собой смещение их в молекулах диэлектрика, называют током смещения.

Опыты по исследованию магнитного поля конвенционных токов и токов смещения провёл в 1901-1903 г.г. русский учёный А.А. Эйхенвальд. Мы остановимся только на токах смещения.

Диэлектрический диск D вращается между четырьмя неподвижными заряженными полудисками. При прохождении плоскости ав происходит смена знаков заряда на сторонах диска, что эквивалентно движению “+” зарядов слева направо, что и показано на чертеже – ток i.

Опытами А.А. Эйхенвальда установлено, что токи смещения, как и токи проводимости, создают такое же магнитное поле. Токи смещения наблюдаются в конденсаторе, включённом в цепь переменного тока. Для постоянного тока конденсатор, включённый в цепь последовательно, является бесконечно большим сопротивлением. Если цепь с конденсатором питать переменным током, то в цепи за каждый период протекают токи заряда и разряда конденсатора, сопротивление которого теперь не бесконечно велико, а зависит от ёмкости конденсатора и частоты тока:

  

Согласно воззрениям Фарадея-Максвелла, конденсатор надо рассматривать не как разрыв цепи, а как участок цепи с другим механизмом проводимости. Рассмотрим процессы, протекающие в схеме. Генератор переменного тока, напряжение которого U заряжает конденсатор ёмкости С. Заряд конденсатора:

Q = CU.

Пусть конденсатор плоский:

  

Величина зарядного тока, который протекает через конденсатор, в цепи:

  

  

  

  , но электрическая индукция:

   ,

где – вектор поляризации.

          (1)

Из (1) следует, что ток смещения состоит из двух слагаемых:

а)  – тока смещения, вызванного смещением молекулярных зарядов в диэлектрике (токи поляризации);

б)  – тока смещения, определяемого скоростью изменения напряжённости поля , эта составляющая существует в вакууме (т.е. следует, что любое переменное электрическое поле порождает магнитное поле).

В проводящей среде полный ток складывается из суммы тока проводимости  и тока смещения :

          (2)

 II. Система уравнений Максвелла.

1. Уравнение Максвелла в интегральной форме.

С введением тока смещения макроскопическая теория электромагнитного поля была завершена. Открытие тока смещения  позволило Максвеллу создать единую теорию электрических и магнитных явлений. Теория Максвелла не только объясняла все разрозненные явления электричества и магнетизма (причём с единой точки зрения), но и предсказала ряд новых явлений, существование которых подтвердилось в последствии. Основу теории Максвелла составляют уравнения, названные уравнениям Максвелла.

Эти уравнения играют такую же роль, как законы Ньютона в механике. Они в сжатой форме выражают всю совокупность наших сведений об электромагнитном поле. Эти уравнения являются постулатами электродинамики, полученные путём обобщения опытных фактов.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Переменное во времени магнитное поле порождает вокруг себя вихревое (переменное) электрическое поле.

          (3)

Теорема Остроградского-Гауса

Поток вектора электрического смещения через произвольную замкнутую поверхность S, охватывающую заряды Qi, равен алгебраической сумме последних.

   ,      (4)

где ρ – объёмная плотность заряда;

dV – элемент объёма внутри поверхности.

Обобщённый закон полного тока

Циркуляция вектора  по любому замкнутому контуру равна полному току (току проводимости и току смещения) через произвольную поверхность, ограниченную данным контуром.

         (5)

Магнитный поток (поток вектора ) через произвольную замкнутую поверхность всегда тождественен нулю – это означает, что поле  является вихревым (силовые линии замкнуты), или, что не существует “магнитных зарядов”.

           (6)

Из уравнений Максвелла следует, что электрические и магнитные поля нельзя рассматривать как независимые: изменение во времени одного из этих полей приводит к появлению второго. Если же поля стационарные (Е = const и И = const), то уравнения Максвелла становятся независимыми и имеют вид:

 В этом случае поля (электрические и магнитные) независимы друг от друга, что и позволяет изучить сначала постоянное электрическое поле, а затем независимо от него и постоянное магнитное поле.

2. Уравнение Максвелла в дифференциальной форме.

Уравнения (3-6) записаны в интегральной форме. Гораздо чаще используется дифференциальная форма записи этих уравнений, которая позволяет описать электромагнитное поле в любой точке (точнее в любом элементарном объёме) пространства. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме легко получаются из уравнений (3-6) путём применения известных из векторного анализа теорем Остроградского-Гаусса и Стокса, устанавливающих связь между линейными, поверхностными и объёмными интегралами:

Теорема Остроградского-Гауса связывает объёмный интеграл с поверхностным

,

где – скалярная функция – дивергенция (расхождение):

   

Теорема Стокса связывает поверхностный интеграл с линейным

,

где – векторная функция – ротор (вихрь):

С учётом вышеизложенного уравнения (3-6) принимают вид:

   

   

   

   

Т.к. объёмы и поверхности, по которым происходит интегрирование произвольны, то можно приравнять подынтегральные функции и получить уравнения Максвелла в дифференциальной форме:

Уравнения Максвелла в дифференциальной форме

       (7)

       (8)

      (9)

       (10)

3. Материальные уравнения.

Уравнения Максвелла ещё не составляют полной системы уравнений электромагнитного поля. Этих уравнений недостаточно для нахождения полей по заданным распределениям зарядов и токов. Для этого необходимо дополнить соотношения, в которые входили бы величины, характеризующие индивидуальные свойства среды. Для случая изотропных сред (не содержащих сегнетоэлектриков и ферромагнетиков) они имеют следующий вид:

          (11)

С учётом соотношений (11) система уравнений является полной и позволяет описывать все электромагнитные процессы в вакууме и веществе.

4. Свойства уравнений Максвелла.

 А. Уравнения Максвелла линейны. Они содержат только первые производные полей и  по времени и пространственным координатам, а так же первые степени плотности электрических зарядов ρ и токов γ. Свойство линейности уравнений непосредственно связано с принципом суперпозиции.

 Б. Уравнения Максвелла содержат уравнение непрерывности, выражающее закон сохранения электрического заряда:

   

 В. Уравнения Максвелла выполняются во всех инерциальных системах отсчёта. Они являются релятивистски-инвариантными, что подтверждается опытными данными.

 Г. О симметрии уравнений Максвелла.

Уравнения не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это обусловлено тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет магнитных зарядов. Вместе с тем в нейтральной однородной среде, где ρ = 0 и ,уравнения Максвелла приобретают симметричный вид, т.е.  так связано с , как с .

   

Различие только в знаках перед производными  и  показывает, что линии вихревого электрического поля, индуцированного уменьшением поля , образуют с вектором  левовинтовую систему, в то время как линии магнитного поля, индуцируемого изменением , образуют с вектором  правовинтовую систему.

 Д. Об электромагнитных волнах.

Из уравнений Максвелла следует важный вывод о существовании принципиально нового физического явления: электромагнитное поле способно существовать самостоятельно без электрических зарядов и токов. При этом изменение его состояния обязательно имеет волновой характер. Всякое изменение во времени магнитного поля возбуждает поле электрическое, изменение электрического поля, в свою очередь, возбуждает магнитное поле. За счёт непрерывного взаимопревращения они и должны сохранятся. Поля такого рода называются электромагнитными волнами. Выяснилось также, что ток смещения  играет в этом явлении первостепенную роль.

 III. Роль уравнений Максвелла и границы их применимости.

Уравнения Максвелла не вытекают из каких-либо более общих теоретических положений, а являются обобщением опыта. При построении теорем за основные принимаются уравнения (3-6), а все остальные законы электродинамики, включая и законы сохранения заряда, получаются как их следствия.

Уравнения Максвелла лежат в основе всей электротехники и радиотехники с её многочисленными разветвлениями (телевидение, радиолокация и прочее). В известной степени они являются фундаментальными уравнениями классической оптики. Так, например, все законы распространения света (переменного электромагнитного поля) могут быть получены из уравнений Максвелла. Наряду с уравнениями Ньютона и законом всемирного тяготения они являются фундаментальными уравнениями классической физики.

Уравнения Максвелла связывают друг с другом пространственные и временные производные напряжённостей  и . Это означает, что меняющийся во времени электромагнитный процесс, возникший в некоторый момент в данном месте, вызовет изменение в другом месте с запаздыванием, т.е. утверждается конечная скорость передачи электромагнитных взаимодействий, которая равна:

   (в вакууме)

Теория Максвелла имеет границы применения (как и всякая физическая теория). Она применима:

а) для расстояний R между зарядами, превышающих внутриатомные расстояния ;

б) для частот изменения поля, не более  (это ограничение связано с проявлением на высоких частотах квантовых свойств излучения);

в) для полей, напряжённость  которых менее  (это ограничение связано с тем, чтобы энергия, получаемая заряженными частицами, была меньше по сравнению со средней энергией беспорядочного движения частиц среды. В вакууме эти ограничения отпадают).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20921. ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ МУЛЬТИВІБРАТОРА 64.5 KB
  2 із зображенням мультивібратора рис. Визначити за допомогою осцилографа амплітуду частоту і шпаруватість сигналу на виході мультивібратора. Часові діаграми роботи мультивібратора показані на рис.
20922. ДОСЛІДЖЕННЯ ІНТЕГРАТОРА 184 KB
  Експериментальне визначення перехідних характеристик інтегратора рис. Натисніть кнопку 20 сек панелі і кнопку С1 Інтегратор відлічуючи по секундоміру стенду час за допомогою U вих виконайте вимірювання зміни в часі вихідної напруги інтегратора. побудуйте перехідні характеристики інтегратора.
20923. ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕМЕНТІВ, ЩО ВИКОНУЮТЬ ЛОГІЧНІ ОПЕРАЦІЇ 105.5 KB
  Мета роботи: ознайомитися з принципом і режимом роботи логічних елементів. При виконанні роботи визначаються передавальні характеристики логічного елементу при різних опорах навантаження а також складаються таблиці станів для логічних елементів €œІ€ €œНІ€ €АБО€ €АБОНІ€ €ІНІ€. Визначення передавальних характеристик логічних елементів рис. Складання таблиць істинності логічних елементів.
20924. ДОСЛІДЖЕННЯ ТРИГЕРІВ 241 KB
  При виконанні цієї роботи вивчається дія асинхронного RSтригера а також двох синхронних: Ттригера і JКтригера Порядок виконання роботи Робота виконується на лабораторному стенді ЭС21. Дослідження RS тригера рис. З'єднати входи R і S тригера з клемами панелі Рівень логічний. З'єднати прямий вихід тригера з клемами вольтметра що вимірює вихідний сигнал.
20925. ДОСЛІДЖЕННЯ ЛІЧИЛЬНИКІВ 1.12 MB
  Порядок виконання роботи Робота виконується на стенді ЭС21 Дослідження двійкового лічильника рис11. З'єднати вхід R лічильника з клемою панелі €œРівень логічний€ а вхід С лічильника з клемою панелі €œІмпульс одиночний€ і з клемою €œВхід€ панелі €œЛічильник імпульсів€. Натисненням кнопки панелі €œІмпульс одиночний€ подавати імпульси на вхід С досліджуваного лічильника. Після подачі чергового імпульсу визначати стан всіх виходів досліджуваного лічильника за допомогою вольтметра €œ U вих.
20926. ДОСЛІДЖЕННЯ ФОТОЕЛЕМЕНТІВ І ФОТОРЕЛЕ 806 KB
  Величина напруги необхідної для зняття характеристик встановлюється за допомогою відповідних потенціометрів а світлового потоку перемикачами розташованими під вікном з фотоелементами. Порядок виконання роботи Зібрати схему дослідження вакуумного фотоелемента СЦВ3 рис. Рис.
20927. ДОСЛІДЖЕННЯ МАЛОПОТУЖНОГО ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ 262 KB
  Накреслити осцилограми напруги на навантаженні при величині струму Iн = 60 мА. Виміряти за допомогою цифрового вольтметра змінну складову напруги на навантаженні і постійну напругу при струмі навантаження Iн = 60 мА. Обчислити коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги: де U m – амплітуда змінної складової вихідної напруги. Накреслити осцилограму напруги на навантаженні.
20928. ДОСЛІДЖЕННЯ БІПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА 378 KB
  Для зняття вхідних статичних характеристик транзистора необхідно: а включити тумблери B1 ВЗ В4 В6 В9 B11 вимкнути тумблери В2 В5; тумблер В12 поставити в положення ; б за допомогою ручки РЕГ. Для зняття вихідних статичних характеристик транзистора потрібно: а встановити необхідне значення базового струму регулятором РЕГ.2; б змінюючи напругу Uке через інтервали вказані викладачем вимірювати значення колекторного струму транзистора міліамперметром СТРУМ Iк .
20929. ДОСЛІДЖЕННЯ ОДИНОЧНИХ КАСКАДІВ ТРАНЗИСТОРНИХ ПІДСИЛЮВАЧІВ 97 KB
  Зібрати схему дослідження підсилювача із спільним емітером рис. а BI4 в положення Із спільним емітером ; тумблери В2 В5 В9 BI1 поставити в положення Вкл. Зібрати схему дослідження підсилювача із спільним колектором рис.