ТОР 5 статей: Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы КАТЕГОРИИ:
|
ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ
Струм зміщення
Повернемося ще раз до причини виникнення магнітного поля. Ми говорили про те, що причиною виникнення магнетизму є рух електричних зарядів. А що ж відбувається у випадку розімкненого електричного кола, коли відсутній сам провідник (наявність конденсатора означає по суті розрив кола)? Як пояснити наявність змінного струму в такому колі? Мал. 2.39. Фізичне пояснення дав видатний фізик Джеймс Кларк Максвелл (1831-1879 рр). Це пояснення базується на понятті струмів зміщення, які є свого роду продовженням звичних струмів провідності. Максвелл припустив, що магнітне поле може збуджуватись не тільки електричним струмом, а й змінним електричним полем. Знайдемо вираз для сили струму зміщення. Для цього розглянемо проходження змінного струму по колу, в яке увімкнений конденсатор (мал. 2.39). Конденсатор не перешкоджає протіканню змінного струму і можна вважати, що звичайний струм провідності замикається в конденсаторі струмом зміщення Заряд на обкладках плоского конденсатора Тоді сила струму зміщення в конденсаторі а густина струму зміщення (2.81) або, враховуючи зв'язок між векторами напруженності Е й індукції електричного поля (2.3), (2.82) Отже, густина струму зміщення дорівнює швидкості зміни з часом індукції електричного поля. Із (2.81) випливає, що вектор направлений в той самий бік, що й Тобто, якщо конденсатор заряджається то вектори мають однаковий напрям, якщо ж то вектори протилежні за напрямом. Пригадаємо, що у діелектрику вектор індукції електричного поля пов'язаний з векторами напруженості і і поляризації Р співвідношенням Тоді густина струму зміщення в діелектрику складається з двох доданків: (2.83) Перший доданок має місце і у вакуумі, другий доданок характеризує зміщення електричних зарядів у діелектрику, яке й зумовлює нагрівання діелектрика. Найголовніша властивість струму зміщення полягає в тому, що він, як і струм провідності, створює вихрове магнітне поле. Струм зміщення виникає завжди, коли змінюється з часом електричне поле. Він може бути і в провідниках, і в діелектриках, і в вакуумі. Густина повного струму дорівнює сумі густин струмів провідності і зміщення: (2.84) Залежно від електропровідності середовища і швидкості зміни поля (частоти) доданки в рівнянні (2.84) відіграють різну роль. Припустимо, що напруженість поля змінюється за гармонічним законом тоді густина струму зміщення: густина струму провідності Відношення максимальних (амплітудних) значень густини струму провідності та зміщення: Для біологічних тканин при частотах, близьких до Гц, амплітудні значення цих струмів є величинами одного порядку. Із збільшенням частоти електромагнітних коливань зростає вклад струму зміщення в повний струм. Проходження струму зміщення в різних середовищах супроводжується виділенням теплоти, яка може бути розрахована за законом Джоуля-Ленца (2.41): (2.85) Якщо напруженість поля змінюється за гармонічним законом Тобто (2.86) У випадку однорідного діелектрика кількість теплоти може бути розрахована за формулою: (2.87) де - кут між вектором напруженості Е та вектором поляризації Р, його називають кутом діелектричних втрат, а -деякий сталий коефіцієнт.
Рівняння Максвелла
Дж. К. Максвелл записав свої геніальні рівняння в 1865 р. Рівняння Максвелла - це фундаментальні рівняння електродинаміки, які описують електромагнітні явища в будь-якому середовищі. Вони узагальнюють експериментальні і теоретичні праці фізиків першої половини XIX ст. і, насамперед, дослідження М. Фарадея. Основні закони електродинаміки Максвелл сформулював у вигляді чотирьох рівнянь, які подамо в інтегральній формі, як в найбільш простій і наочній. Перше рівняння Максвелла спирається на закон Біо-Савара-Лапласа та поняття струму зміщення. Виділимо в провіднику, в якому існує змінний струм, довільну площадку обмежену контуром Тоді (2.88) де - проекція вектора напруженості магнітного поля на напрям дотичної до контура у даній точці, - нормальна до вибраної площадки складова густини струму провідності, - нормальна до площадки складова вектора електричної індукції. Тут вжита частинна похідна dD/dt, щоб врахувати факт залежності D як від часу, так і від просторової координати. Струм зміщення виникає лише тоді, коли D змінюється з часом. Це рівняння показує, що магнітне поле вихрове і що воно виникає незалежно від наявності постійних магнітів. Виникнення магнітного поля зумовлене двома факторами: рухом електричних зарядів (струм провідності) і зміною в часі електричного поля (струм зміщення). Друге рівняння відображає закон електромагнітної індукції Фарадея: ЕРС, як відомо, дорівнює роботі сторонніх сил по переміщенню одиничного заряду, тобто тому матимемо (2.89) де — проекція вектора напруженості електричного поля на напрям дотичної до контура у даній точці, - нормальна до поверхні складова вектора магнітної індукції. З цього рівняння видно, що крім електростатичного поля в природі існує електричне поле, джерелом якого є змінне магнітне поле. Всяка зміна електричного поля зумовлює появу змінного магнітного поля, лінії напруженості якого замкнені і охоплюють лінії електричного поля (перше рівняння); всяка зміна магнітного поля зумовлює появу змінного електричного поля, лінії напруженості якого замкнуті й охоплюють лінії магнітного поля (друге рівняння). Третє рівняння Максвелла показує, що джерелом електричного поля є електричні заряди: Ліва частина цього рівняння - потік вектора індукції електричного поля через замкнену поверхню площею 5. Четверте рівняння відображає факт відсутності магнітних зарядів. Повний потік вектора магнітної індукції В через замкнену поверхню площею S дорівнює нулю: Наведені рівняння Максвелла не враховують будову речовини і взаємодію електромагнітного поля з частинками речовини. Вплив середовища на електромагнітне поле задається через його електропровідність, а також діелектричну ε і магнітну проникності. Тому до рівнянь Максвелла слід додати ще три рівняння, які називаються матеріальними: Рівняння Максвелла описують величезне коло явищ (електродинаміка, оптика, електротехніка, радіотехніка, астрофізика, фізика плазми тощо). Теорія Максвелла не тільки пояснила вже відомі факти, а й передбачила нові і важливі явища. Абсолютно новим у цій теорії було припущення Максвелла про магнітні поля струмів зміщення. На основі цього припущення Максвелл предбачив існування електромагнітних хвиль, тобто змінного електромагнітного поля, яке поширюється в просторі з певною швидкістю. Теоретичне дослідження властивостей електромагнітних хвиль привело згодом Максвелла до створення електромагнітної теорії світла. Пізніше експериментальне вдалося отримати електромагнітні хвилі і провести досліди, які блискуче підтвердили електромагнітну теорію світла, а з нею і всю теорію Максвелла.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:
|