7356

Основы теории Максвелла для электромагнитного поля

Лекция

Физика

Тема: Основы теории Максвелла для электромагнитного поля 1. Общая характеристика теории Максвелла для электромагнитного поля. Ток смещения 2. Закон полного тока по Максвеллу...

Русский

2013-01-21

114.5 KB

130 чел.

Тема: Основы теории Максвелла для электромагнитного поля

1. Общая характеристика теории Максвелла для электромагнитного поля.

Ток смещения      

2. Закон полного тока по Максвеллу           

 

3. Максвелловская трактовка явления электромагнитной индукции

4. Система уравнений Максвелла в интегральной форме для магнитного поля

5. Следствия из уравнений Максвелла

  1.  Общая характеристика теории Максвелла для электромагнитного поля. Ток смещения

 

На предыдущих лекциях мы рассматривали основные законы электрических и магнитных явлений. Эти законы, как мы видели, являются обобщением экспериментальных фактов. При этом они описывали отдельно электрические и магнитные явления. В 60-х годах прошлого столетия Максвелл, основываясь на идеях Фарадея об электрических и магнитных полях, обобщил эти законы и разработал законченную теорию единого электромагнитного поля.

Теория Максвелла является макроскопической теорией. В ней рассматриваются электрические и магнитные поля, создаваемые макроскопическими зарядами и токами без учета внутренних механизмов, связанных с колебаниями атомов или электронов. Поэтому, расстояния от источников полей до рассматриваемых точек пространства предполагается много большими по сравнению с размерами молекул. Кроме того, частота колебаний электрических и магнитных полей в этой теории, принимается много меньшей частоты внутримолекулярных колебаний. В работах Максвелла идея Фарадея о тесной связи электрических и магнитных явлений получила окончательное оформление в виде двух основных положений и была в строгой форме выражена в виде уравнений Максвелла.(1873).

Основные достижения теории Максвелла – обоснования идеи о том, что:

- переменное электрическое поле возбуждает вихревое магнитное поле;

- переменное магнитное поле возбуждает вихревое электрическое поле.

Ток смещения

Анализируя различные электромагнитные процессы, Максвелл пришел к заключению, что всякое изменение электрического поля должно вызывать появление магнитного поля. Это утверждение является одним из основных положений теории Максвелла и выражает важнейшее свойство электромагнитного поля.

Рассмотрим такой опыт: между пластинами плоского конденсатора, заряженного с поверхностной плотностью заряда , поместим диэлектрик.

Электрическое поле внутри конденсатора однородно и вектор электрической индукции равен:

. (1)

Соединим обкладки конденсатора внешним проводником. Так как между обкладками конденсатора существует разность потенциалов, то по проводнику пойдет ток: . У границ пластин линии тока перпендикулярны их поверхности и плотность тока равна:

(2)   если , то .

С учетом формулы (1) получим формулу для плотности тока проводимости

.  (3)

По мере разряда конденсатора электрическое поле в нем ослабевает. Следовательно, производная от индукции  будет иметь отрицательный знак, и вектор  будет направлен противоположно . Т.е. направление вектора  будет совпадать с направлением вектора плотности тока. Поэтому формулу (3) можно записать в векторной  форме:

.   (4)

Левая часть равенства (4) характеризует электрический ток проводимости, а правая часть характеризует скорость изменения электрического поля в диэлектрике. Равенство этих двух векторов на границе металл – диэлектрик показывает, что линии вектора  как бы продолжают линии тока через диэлектрик и замыкают ток. Поэтому производная от электрической индукции по времени  названа Максвеллом плотностью тока смещения

. (5)

Итак, в рассмотренном опыте ток проводимости переходит в диэлектрике в ток смещения (т.е. в изменяющееся электрическое поле).

Если использовать формулу  связи между индукцией , напряженностью  и поляризованностью Р вещества, то для плотности тока смещения можно получить следующую формулу:

. (6)

Первое слагаемое правой части формулы (6) определяет переменное поле свободных зарядов (переменное электрическое поле в вакууме). Второе слагаемое представляет собой быстроту изменения поляризованности диэлектрика со временем, связанное со смещением его зарядов при изменении напряженности поля. Движение зарядов в электрическом поле в пределах молекулярных размеров является упорядоченным и называется поляризационной составляющей тока смещения. Этим объясняется происхождение термина ток смещения – ток, обусловленный смещением зарядов в диэлектрике, помещенном в переменное электрическое поле.

При переполяризации молекулы «поворачиваются»  за изменяющимся полем и сталкиваются с соседними молекулами. Вследствие таких столкновений диэлектрик нагревается. Т.о. ток смещения можно регистрировать по его тепловому действию. Кроме того, как любой ток, ток смещения создает магнитное поле. Непосредственное наблюдение магнитного поля, порождаемого током смещения, было осуществлено Российским ученым  Эйхенвальдом.

В его опыте диск из диэлектрика помещался между обкладками двух плоских конденсаторов, и вращался вокруг оси . Обкладки конденсаторов соединялись с источником напряжения так, что половины диэлектрика поляризовались в противоположных направлениях. При каждом обороте диска направление поляризации  каждой из частей изменяется на противоположное. В результате такой переполяризации диэлектрика при его вращении в нем возникает поляризационный ток, направленный параллельно оси вращения. Магнитное поле этого тока обнаруживалось по отклонению магнитной стрелки, помещенной вблизи оси диска.

2. Закон полного тока для магнитного поля по Максвеллу

В общем случае токи проводимости и ток смещения не разделены в пространстве, как это имеет место в конденсаторе. Все типы токов могут существовать в одном и том же объеме и можно говорить о полном токе , равном сумме токов проводимости (макротоков) и тока смещения .  В интегральной форме для полного тока можно записать

. (7)

В зависимости от электропроводности среды и частоты колебаний электрического поля оба слагаемых в формуле (7) вносят разный вклад в значение полного тока. В хорошо проводящих веществах (металлах) и при низких частотах током смещения можно пренебречь по сравнению с током проводимости. В проводниках ток смещения проявляется при высоких частотах. Напротив, в плохо проводящих средах (диэлектриках) ток смещения играет основную роль. Здесь следует отметить практическое использование тока смещения для индукционной закалки материалов.

Оба слагаемых в формуле (7) могут иметь, как одинаковые, так и противоположные знаки. Так, что полный ток может быть как больше, так и меньше тока проводимости.

С учетом наличия в среде тока смещения, закон полного тока для магнитного поля в веществе по Максвеллу записывается в следующем виде

. (8)

Формула (8) закона полного тока по Максвеллу отличается от полученных ранее формул тем, что позволяет перейти к описанию переменных электрических и магнитных полей.

 

3. Фарадеевская и Максвелловская трактовки явления электромагнитной индукции

Если проводящий контур поместить в переменное магнитное поле, то в нем возникнет э.д.с. Это явление называется электромагнитной индукцией и описывается законом Фарадея

. (9)

Учитывая, что и  запишем закон электромагнитной индукции в другой форме

, или  . (10)

Объясняя явление электромагнитной индукции, Фарадей предполагал, что переменное магнитное поле создает в проводящем контуре вихревое электрическое поле.

Максвелл обобщил этот результат и дал свою трактовку электромагнитной индукции:  

переменное магнитное поле создает в любой точке пространства вихревое электрическое поле независимо от наличия в нем проводника.

 

4. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля в интегральной форме

Обобщив полученные ранее соотношения на случай переменных полей, Максвелл получил систему уравнений

-закон электромагнитной индукции

- закон полного тока

- теорема Гаусса для электрического поля

- теорема Гаусса для магнитного поля

  - связь электрической индукции с напряженностью

- связь магнитной индукции с напряженностью

       - закон Ома в дифференциальной форме

5. Следствия из уравнений Максвелла

Из уравнений Максвелла вытекает ряд важных следствий.

1. Из первого уравнения следует, что источником электрического поля могут быть не только электрические заряды, но и переменное магнитное поле.

Переменное магнитное поле может порождать вихревое электрическое поле не только в проводнике, но и в вакууме.

2. Из второго уравнения следует, что магнитное поле может быть возбуждено как макротоком (электрическим током проводимости), так и током смещения. Возбуждение происходит по одному и тому же закону. Поэтому эти два фактора неразличимы. При этом в области поля, где нет макротоков, уравнение имеет вид

Т.е. магнитное поле может порождаться только током смещения. Причем,  в отсутствие поляризационной составляющей тока смещения магнитное поле может порождаться переменным электрическим полем в вакууме. Последнее является одним из важнейших следствий теории  Максвелла. Основываясь на этом, Максвелл теоретически предсказал существование электромагнитных волн. Качественно возникновение волны можно пояснить с помощью рисунка. Переменное электрическое поле, возникшее в одном месте, порождает магнитное поле, которое в свою очередь порождает электрическое поле и т.д. Так возникает переменное электромагнитное поле, которое  распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны со скоростью света. Дальнейшие теоретические исследования свойств электромагнитных волн привели Максвелла к созданию электромагнитной теории света. В электромагнитной волне векторы Е и Н колеблются в одинаковой фазе.

Вопросы для самопроверки:

  1.  Что называется током смещения? В чем проявляется ток смещения?
  2.  Какой вид имеет закон полного тока для магнитного поля по Максвеллу?
  3.  В чем состоит отличие максвелловской трактовки явления электромагнитной индукции от трактовки Фарадея?
  4.  Перечислить основные следствия из уравнений Максвелла.


-σ

+

+

+

-

-

G

Е

Е

+

е

е

+

Характер движения   электронов

+

+

_

_

+

_

+

+

_

_

_

_

+

+

а

с

в

d

O

_

_

+

+

Е

Направления векторов соответствуют правилу

Ленца

Н

Н

Е

Е

Е

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28324. Условия действительности сделок. Последствия признания сделок недействительными 16.85 KB
  Действительность сделки означает признание за ней качеств юридического факта порождающего тот правовой результат к которому стремились субъекты сделки. Действительность сделки определяется законодательством посредством следующей системы условий: законность содержания; способность физических и юридических лиц совершающих ее к участию в сделке; соответствие воли и волеизъявления; соблюдение формы сделки. Законность содержания сделки означает ее соответствие требованиям законодательства. Законность содержания сделки предполагает ее...
28325. Недействительность сделок: понятие, виды, последствия 22.11 KB
  Недействительность сделки означает что она не влечет юридических последствий на достижение которых была направлена но в то же время порождает последствия установленные законом в связи с ее не действительностью. ГК РФ подразделяет недействительные сделки на ничтожные и оспоримые. В теории гражданского права такие сделки называются абсолютно недействительными. Ничтожные сделки не влекут возникновения изменения или прекращения гражданских прав и обязанностей на которые они были направлены.
28326. Осуществление гражданских прав и исполнение обязанностей: понятие, принципы и способы осуществления 15.41 KB
  Под осуществлением гражданского права понимается совершение действий по реализации возможностей заложенных в содержании субъективного права. Содержание границы того или иного субъективного права определяются нормативными актами или договорами например согласно статье 209 ГК РФ содержание права собственности составляет возможность владеть пользоваться и распоряжаться вещью. 9 ГК РФ граждане и юридические лица осуществляют принадлежащие им гражданские права по своему усмотрению принцип диспозитивности. Носитель субъективного права...
28327. Пределы осуществления субъективных гражданских прав. Злоупотребление правом 13.92 KB
  Пределы осуществления субъективных гражданских прав. Злоупотребление правом. Пределы осуществления субъективных гражданских прав ОСГП – это законодательно очерченные границы деятельности управомоченных лиц по реализации возможностей составляющих содержание данных прав. Пределы ОСГП: а осуществление субъективных гражданских прав е имеет временные границы т.
28328. Представительство по гражданскому праву: понятие, виды, основания возникновения 16.43 KB
  Представительство отношение в соответствии с которым сделка совершенная одним лицом представителем от имени другого лица представляемого в силу полномочия основанного на доверенности указании закона либо акта уполномоченного на то органа государственного местного самоуправления непосредственно создает изменяет и прекращает гражданские права и обязанности представляемого ст. Представитель это лицо юридическими действиями которого приобретаются изменяются или прекращаются права и обязанности для представляемого по отношению...
28329. Доверенность по гражданскому праву 15.53 KB
  Доверенность по гражданскому праву. Доверенность это документ выдаваемый представителю в целях определения характера и объема предоставляемых ему полномочий. Общая доверенность определяет полномочия на совершение разнообразных сделок и иных юридических действий на управление имуществом гражданина руководителю филиала юридического лица. Специальная доверенность необходима для совершения однородных действий на распоряжение вкладом на вождение автомобиля на ведение судебных и арбитражных дел.
28330. Защита гражданских прав: понятие, предмет и форма защиты 14.21 KB
  Защита гражданских прав: понятие предмет и форма защиты. Защита гражданских прав выражается в действиях субъектов права а также уполномоченных органов по предупреждению правонарушения или восстановлению нарушенных прав. Право на защиту выражается в применении мер имущественного характера и направлено на компенсацию восстановление существующего положения и реализуется в исковой форме в судебном порядке. Защита гражданских прав в административном порядке осуществляется лишь в случаях предусмотренных законом.
28331. Основные способы защиты гражданских прав 15.58 KB
  Выбор того или иного способа защиты определяется сущностью нарушенного права и характером нарушения. Признание права применяется в тех случаях когда необходимо устранить неопределенность в существовании субъективного права. В основном используется для защиты абсолютных прав права собственности авторства. Восстановление положения существовавшего до нарушения права применяется когда субъективное право в результате нарушения не прекратило своего существования например истребование собственником имущества из чужого незаконного владения.
28332. Самозащита гражданских прав 14.5 KB
  Самозащита гражданских прав. Под самозащитой гражданских прав понимается совершение управомоченным лицом действий фактического порядка направленных на защиту нарушенного права. В статье 12 ГК РФ самозащита определяется как способ защиты гражданских прав однако это форма защиты которая может осуществляться различными способами. Применение мер самозащиты допускается в основном для защиты абсолютных личных и имущественных прав жизни здоровья права собственности.