какое поле возникает вокруг движущихся зарядов

Электрическое поле. Действие электрического поля на электрические заряды.

Электрическое поле — это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие электрически заряженных частиц.

Введение понятия электрического поля понадобилось для объяснения взаимодействия электрических зарядов, т. е. для получения ответа на вопросы: почему возникают силы, действующие на заряды, и как они передаются от одного заряда к другому?

Понятия электрического и магнитного полей ввел великий английский физик Майкл Фарадей. Согласно идее Фарадея, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот. По мере удаления от заряда поле ослабевает.

С введением понятия поля в физике утвердилась теория близкодействия, главным отличием которой от теории дальнодействия является идея о существовании определенного процесса в пространстве между взаимодействующими телами, который длится конечное время.

Идея эта получила подтверждение в работах великого английского физика Дж. К. Максвелла, который теоретически доказал, что электромагнитные взаимодействия должны распространяться в пространстве с конечной скоростью — с, равной скорости света в вакууме (300 000 км/с). Экс­периментальным доказательством этого утверждения явилось изобретение радио.

Электрическое поле возникает в пространстве, окружающем неподвижный заряд, точно так же, как вокруг движущихся зарядов — токов либо постоянных магнитов — возникает магнитное поле. Магнитные и электрические поля могут превращаться друг в друга, образуя единое элект­ромагнитное поле. Электрическое поле (как и магнитное) является лишь частным случаем обще­го электромагнитного поля. Переменные электрические и магнитные поля могут существовать и без зарядов и токов, их породивших. Электромагнитное поле переносит определенную энергию, а также импульс и массу. Таким образом, электромагнитное поле — физическая сущность, обла­дающая определенными физическими свойствами.

Итак, природа электрического поля состоит в следующем:

1. Электрическое поле материально, оно существует независимо от нашего сознания.

2. Главным свойством электрического поля является действие его на электрические заряды с некоторой силой. По этому действию устанавливается факт его существования. Действие поля на единичный заряд — напряженность поля — является одной из его основных ха­рактеристик, по которой изучается распределение поля в пространстве.

Электрическое поле неподвижных зарядов называют электростатическим. Со временем оно не меняется, неразрывно связано с зарядами, его породившими, и существует в пространстве, их окружающем.

Источник

Представление о магнитном поле

Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.

Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.

За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.

В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо.

Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток.

Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.

Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.

Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.

Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле.

Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.

Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.

Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:

Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).

Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов.

А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.

Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.

Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.

Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:

При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.

Модель магнитного поля движущегося заряда

Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.

Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.

Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.

Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.

А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.

Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.

Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».

Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.

И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.

У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться).

Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома. А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так:

Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются. Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга.

Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ.

Эта статья — отрывок из книги об азах химии. Сама книга здесь:
sites.google.com/site/kontrudar13/himia

UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.

Источник

Билет № 7. 1. Электромагнитное поле это такой вид материи, которая возникает вокруг движущихся зарядов

1. Электромагнитное поле это такой вид материи, которая возникает вокруг движущихся зарядов. Например, вокруг проводника с током. Электромагнитное поле состоит из двух составляющих это электрическое и магнитное поле. Независимо друг от друга они существовать не могут. Одно порождает другое. При изменении электрического поля тут же возникает магнитное. Электромагнитная волна распространяется в пространстве во все стороны от своего источника. Можно себе представить включению лампочку, лучи света от нее распространяются во все стороны. Электромагнитная волна при распространении переносит энергию в пространстве. Чем сильнее ток в проводнике вызвавший поле, тем больше энергия переносимая волной. Также энергия зависит от частоты излучаемых волн, при увеличении ее в 2,3,4 раза энергия волны увеличится в 4,9,16 раз соответственно. То есть энергия распространения волны пропорциональна квадрату частоты.

2. Фильтр в электронике — устройство для выделения желательных компонентов спектра электрического сигнала и/или подавления нежелательных. Фильтры, находящие применение в обработке сигналов, бывают

аналоговыми или цифровыми

пассивными или активными

линейными и нелинейными

рекурсивными и нерекурсивными

Среди множества рекурсивных фильтров отдельно выделяют следующие фильтры (по виду передаточной функции):

По тому, какие частоты фильтром пропускаются (задерживаются), фильтры подразделяются на

фильтры низких частот (ФНЧ)

фильтры высоких частот (ФВЧ)

полосно-пропускающие фильтры (ППФ)

полосно-задерживающие (режекторные) фильтры (ПЗФ)

Классификация фильтров

Название фильтра	Диапазон пропускаемых частот
Низкочастотный фильтр (фильтр нижних частот)
Высокочастотный фильтр (фильтр верхних частот)
Полосовой фильтр (полосно-пропускающий фильтр)
Режекторный фильтр (полосно-задерживающий фильтр)

В конструкциях пассивных аналоговых фильтров используют сосредоточенные или распределённые реактивные элементы, такие как катушки индуктивности и конденсаторы. Сопротивление реактивных элементов зависит от частоты сигнала, поэтому, комбинируя их, можно добиться усиления или ослабления гармоник с нужными частотами. Активные аналоговые фильтры строятся на основе усилителей, охваченных петлёй обратной связи (положительной или отрицательной). В активных фильтрах возможно избежать применения катушек индуктивности, что позволяет уменьшить физические размеры устройств, упростить и удешевить их изготовление.

3. Электрический генератор — это устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию. Классификация электромеханических генераторов

По типу первичного двигателя:

Турбогенератор — электрический генератор, приводимый в движение паровой турбиной или газотурбинным двигателем;

Гидрогенератор — электрический генератор, приводимый в движение гидравлической турбиной;

Дизель-генератор — электрический генератор, приводимый в движение дизельным двигателем;

Ветрогенератор — электрический генератор, преобразующий в электричество кинетическую энергию ветра;

По виду выходного электрического тока

С включением обмоток звездой

С включением обмоток треугольником

По способу возбуждения

С возбуждением постоянными магнитами

С внешним возбуждением

С последовательным возбуждением

С параллельным возбуждением

Со смешанным возбуждением.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Взаимодействие движущихся зарядов. Магнитное поле

При движении зарядов между ними обнаруживается силовое взаимодействие, для объяснения которого недостаточно закона Кулона. Это явление было обнаружено французским физиком Андре Ампером в 1820 г. Чуть ранее датский физик Ханс Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около нее. Ампер связал эти два явления и предложил формулу для определения величины силы взаимодействия.

Сила взаимодействия двух проводников с током пропорциональна силе тока, длине проводника, обратно пропорциональна расстоянию между проводниками и зависит от свойств среды, в которой находятся проводники (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Взаимодействие проводников с током Величину силы /’можно определить по формуле

где /,, /₂ — токи в проводниках; г — расстояние между проводниками; / — длина проводника; р₀ — магнитная проницаемость среды.

Для объяснения явления взаимодействия движущихся зарядов ввели понятие магнитного поля, которое возникает при движении заряда. Следовательно, можно записать, что на два движущихся заряда кроме стационарной силы Кулона (F_c) действует динамическая сила Ампера — сила магнитного взаимодействия. Если принять

= В, то величину силы магнитного взаимодействия F_A = F_M 2кг

можно записать в виде

где F_a — максимальная величина силы Ампера; / — ток, протекающий в проводнике длиной /; В — индукция магнитного поля.

Тогда на один заряд действует сила, которую называют силой Лоренца:

где Р_л — сила Лоренца; д — заряд; V — скорость движения заряда в магнитном поле; В — индукция магнитного поля; а — угол между направлением движения заряда и вектором магнитной индукции.

Сила Ампера в классической электродинамике определяется как векторное произведение скорости движения заряда (тока) и магнитной индукции:

где F_А — вектор силы, действующей на движущийся со скоростью V заряд q во внешнем магнитном поле индукции В; V — вектор скорости; В — вектор магнитной индукции.

Джеймс Максвелл обобщил работы Ампера, Вебера, Неймана и, опираясь на эксперименты с электромагнетизмом Майкла Фарадея, предложил математическую модель электромагнитных взаимодействий, ввел понятие электромагнитного поля, т.е. заложил основы классической электродинамики. Согласно этой модели, силовое взаимодействие зарядов надо рассматривать как совокупность электрического поля и магнитного поля, которое порождается движущимися зарядами. На основе классической теории электродинамики Ампера—Максвелла—Фарадея мы и будем рассматривать физические процессы, происходящие в электрических цепях, однако следует заметить, что система уравнений Максвелла—Лоренца не может объяснить, например, исчезновение магнитного поля при переходе от абсолютной системы координат к относительной или отсутствие материальных носителей магнитного поля — магнитных зарядов.

Согласно классической теории электродинамики, магнитное поле порождается движущимися зарядами и характеризуется индукцией В магнитного поля.

Магнитная индукция — векторная характеристика, она имеет величину и направление. Вектор магнитной индукции изображается как касательная к силовым линиям магнитного поля. Вокруг проводника с током силовые линии магнитного поля можно изобразить в виде концентрических окружностей (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Магнитное поле проводника с током

Форма магнитного поля проводника, намотанного в катушку, изображена на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Магнитное поле катушки с током

С точки зрения классической электродинамики переменное электрическое поле порождает магнитное поле, которое также будет переменным. В свою очередь переменное магнитное поле вызывает появление электрического и т.д. Следовательно, электродинамические процессы следует рассматривать как совокупность электрического и магнитного полей, т.е. как электромагнитные процессы. Электромагнитная волна распространяется в пространстве во все стороны от своего источника, может переносить энергию и существовать при отключении породившего ее источника.

Силовые линии магнитного и электрического полей взаимно перпендикулярны (рис. 1.7).

Магнитные силовые линии охватывают проводник с током и всегда замкнуты. Электрические силовые линии идут от одного заряда к другому. Силовые линии, как магнитные, так и электрические, лежат в перпендикулярной плоскости к направлению распространения волны.

Скорость распространения электромагнитной волны зависит от среды ее распространения:

Рис. 1.7. Электромагнитная волна

где V — скорость распространения электромагнитной волны; р — магнитная проницаемость среды; г — диэлектрическая проницаемость среды.

Источник

Магнитное поле движущихся зарядов

Вы будете перенаправлены на Автор24

Каждый проводник с током может создавать в окружающем пространстве магнитное поле. В то же время электрический ток является упорядоченным движением электрических зарядов. Таким образом, любой заряд, движущийся в среде или в вакууме, создает вокруг себя магнитное поле.

Результатом обобщения данных экспериментов стал специальный закон, определяющий поле точечного заряда. Это поле свободно движется с нерелятивистской скоростью. Свободное движение заряда предполагает его движение с постоянной скоростью. Данный закон выражается формулой:

Рисунок 1. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Модуль магнитной индукции определяется по формуле:

Рисунок 2. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Впервые обнаружить поле движущегося заряда удалось американскому ученому Г. Роуланду. Окончательное подтверждение этого было получено ученым А. Эйхенвальдом при изучении магнитного поля конвекционного тока и связанных зарядов поляризованного диэлектрика.

Измерение магнитного поля свободно движущихся зарядов было произведено ученым А. Иоффе, доказавшим эквивалентность возбуждения магнитного поля, тока проводимости и электронного пучка.

Воздействие магнитного поля на движущийся заряд

Готовые работы на аналогичную тему

Согласно экспериментальным исследованиям, магнитное поле воздействует не только на проводники с током, но также и на отдельные заряды, которые движутся в магнитном поле. Сила воздействия на электрический заряд, который движется в магнитном поле с некоторой скоростью, называется силой Лоренца, определяемой по формуле:

Рисунок 3. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Магнитное поле не оказывает воздействия на электрический заряд, пребывающий в состоянии покоя. В этом заключается существенное отличие между магнитным и электрическим полями. Магнитное поле может воздействовать только на движущиеся в нем заряды.

Сила Лоренца будет всегда перпендикулярной скорости движения заряженных частиц, поэтому может изменять только направление этой скорости, при этом не изменяя ее модуля. Таким образом, сила Лоренца не совершают работу.

Постоянное магнитное поле не совершает работу над заряженной частицей, движущейся в нем. Кинетическая энергия такой частицы не изменяется при движении в магнитном поле.

Если помимо магнитного поля с определенной индукцией на движущийся электрический заряд воздействует также электрическое поле с некоторой напряженностью, то приложенная к заряду результирующая сила будет определяться векторной суммой сил:

Рисунок 4. Формула. Лоренца. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Данное выражение называется формулой Лоренца. Скорость в данной формуле представляет отношение скорости заряда и магнитного поля.

Движение заряженных частиц в магнитном поле

Направления силы Лоренца и вызываемого ею отклонения заряженных частиц в магнитном поле зависят от знака заряда частиц. На этом основывается определение знака заряда движущихся в магнитных полях частиц.

Для вывода общих закономерностей можно считать магнитное поле однородным. Тогда сила Лоренца примет нулевое значение. Таким образом, магнитное поле на частицу не воздействует и ее движение будет прямолинейным и равномерным.

При движении заряженной частицы в магнитном поле с определенной скоростью, перпендикулярной рассматриваемому вектору, сила Лоренца будет постоянной по модулю и нормальна к траектории частицы. На основании второго закона Ньютона, такая сила создает центростремительное ускорение, из чего следует движение частицы по окружности, радиус которой определяет условие:

Рисунок 5. Условие. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Период вращения частицы в магнитном однородном поле определяется исключительно величиной, обратной ее удельному заряду, и магнитной индукцией поля, но при этом не зависит от ее скорости. На этом основывается принцип действия циклических ускорителей заряженных частиц. Направление, в котором спираль закручивается, зависит от знака заряда частицы.

Ускорители заряженных частиц

Ускорители заряженных частиц представляют устройства, в которых под воздействием электрических и магнитных полей формируются и пучки высокоэнергетических заряженных частиц, таких как протоны, электроны и мезоны.

Любой ускоритель характеризуется видом ускоряемых частиц, а также сообщаемой им энергией и интенсивностью пучка. Ускорители бывают:

Согласно форме траектории и механизму ускорения частицы ускорители бывают циклическими, линейными и индукционными.

Траектории движения частиц в линейных ускорителях приближены к прямым линиям, а в индукционных и циклических — к окружностям или спиралям. Существуют разные типы ускорителей заряженных частиц. Среди них выделяют:

Источник