Электромагнитное поле
Введение
Мы разговариваем по мобильному телефону. Как передается сигнал? Как передается сигнал от космической станции, улетевшей к Марсу? В пустоте? Да, вещества может не быть, но и это не пустота, есть нечто другое, через что передается сигнал. Это нечто назвали электромагнитным полем. Это прямо не наблюдаемый, но реально существующий объект природы.
Если звуковой сигнал – это изменение параметров вещества, например воздуха (рис. 1), то радиосигнал – это изменения параметров ЭМ-поля.
Рис. 1. Распространение звуковой волны в воздухе
Слова «электрический» и «магнитный» нам понятны, мы уже изучили отдельно электрические явления (рис. 2) и магнитные явления (рис. 3), но почему тогда мы ведем речь об электромагнитном поле? Сегодня мы в этом разберемся.
Рис. 2. Электрическое поле
Рис. 3. Магнитное поле
Примеры электромагнитных явлений.
В микроволновке создаются сильные, а главное – очень быстро изменяющиеся электромагнитные поля, которые действуют на электрический заряд. А как мы знаем, в атомах и молекулах веществ содержится электрический заряд (рис. 4). Вот на него и действует электромагнитное поле, заставляя молекулы быстрее двигаться (рис. 5) – увеличивается температура и еда нагревается. Такую же природу имеют рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, видимый свет.
Рис. 4. Молекула воды является диполем
Рис. 5. Движение молекул, имеющих электрический заряд
В микроволновке электромагнитное поле сообщает веществу энергию, которая идет на нагревание, видимый свет сообщает рецепторам глаза энергию, которая идет на активацию рецептора (рис. 6), энергия ультрафиолетовых лучей идет на образование меланина в коже (появление загара, рис. 7), а энергия рентгеновских лучей заставляет чернеть пленку, на которой вы можем увидеть изображение своего скелета (рис. 8). Электромагнитное поле во всех этих случаях имеет разные параметры, поэтому и оказывает разное воздействие.
Рис. 6. Условная схема активации рецептора глаза энергией видимого света
Рис. 7. Загар кожи
Рис. 8. Почернение пленки при рентгене
Так что с электромагнитным полем мы сталкиваемся намного чаще, чем кажется, и уже давно привыкли к явлениям, которые с ним связаны.
Составляющие электромагнитного поля
Итак, нам известно, что электрическое поле возникает вокруг электрических зарядов (рис. 9). Здесь всё понятно.
Рис. 9. Электрическое поле вокруг электрического заряда
Если электрический заряд движется, то вокруг него, как мы изучали, возникает магнитное поле (рис. 10). Здесь уже возникает вопрос: движется электрический заряд, вокруг него есть электрическое поле, при чем здесь магнитное поле? Еще один вопрос: мы говорим «заряд движется». Но ведь движение относительно, и он может в одной системе отсчета двигаться, а в другой – покоиться (рис. 11). Значит, в одной системе отсчета магнитное поле будет существовать, а в другой нет? Но поле не должно существовать или не существовать в зависимости от выбора системы отсчета.
Рис. 10. Магнитное поле вокруг движущегося электрического заряда
Рис. 11. Относительность движения заряда
Дело в том, что есть единое электромагнитное поле, и источник у него единый – электрический заряд. Оно имеет две составляющие. Электрическое и магнитное поля – это отдельные проявления, отдельные компоненты единого электромагнитного поля, которые проявляются по-разному в разных системах отсчета (рис. 12).
Рис. 12. Проявления электромагнитного поля
Можно выбрать систему отсчета, в которой будет проявляться только электрическое поле, или только магнитное поле, или оба сразу. Однако нельзя выбрать систему отсчета, в которой и электрическая, и магнитная составляющая будет нулевой, то есть в которой электромагнитное поле перестанет существовать.
Проявление составляющих электромагнитного поля
В зависимости от системы отсчета мы видим либо одну составляющую поля, либо другую, либо их вместе. Это как движение тела по окружности: если посмотреть на такое тело сверху, увидим движение по окружности (рис. 13), если со стороны – увидим колебания вдоль отрезка (рис. 14). В каждой проекции на ось координат круговое движение – это колебания.
Рис. 13. Движение тела по окружности
Рис. 14. Колебания тела вдоль отрезка
Рис. 15. Проекция круговых движений на ось координат
Другая аналогия – проецирование пирамиды на плоскость. Ее можно спроецировать в треугольник или квадрат. На плоскости это совершенно разные фигуры, но все это – пирамида, на которую смотрят с разных сторон. Но нет такого ракурса, при взгляде с которого пирамида исчезнет совсем. Она только будет выглядеть более похожей на квадрат или треугольник (рис. 16).
Рис. 16. Проекции пирамиды на плоскость
Рассмотрим проводник с током. В нем отрицательные заряды скомпенсированы положительными, электрическое поле вокруг него равно нулю (рис. 17). Магнитное поле не равно нулю (рис. 18), возникновение магнитного поля вокруг проводника с током мы рассматривали. Выберем систему отсчета, в которой электроны, образующие электрический ток, будут неподвижны. Но в этой системе отсчета относительно электронов будут двигаться положительно заряженные ионы проводника в обратную сторону: все равно возникает магнитное поле (рис. 18).
Рис. 17. Проводник с током, у которого электрическое поле равно нулю
Рис. 18. Магнитное поле вокруг проводника с током
Если бы электроны были в вакууме, в этой системе отсчета вокруг них возникало бы электрическое поле, ведь они не скомпенсированы положительными зарядами, однако магнитного поля не было бы (рис. 19).
Рис. 19. Электрическое поле вокруг электронов, находящихся в вакууме
Рассмотрим другой пример. Возьмем постоянный магнит. Вокруг него есть магнитное поле, но электрического нет. Действительно, ведь электрическое поле протонов и электронов компенсируется (рис. 20).
Рис. 20. Магнитное поле вокруг постоянного магнита
Возьмем систему отсчета, в которой магнит движется. Вокруг движущегося постоянного магнита возникнет вихревое электрическое поле (рис. 21). Как его выявить? Поместим на пути магнита металлическое кольцо (неподвижное в данной системе отсчета). В нем возникнет ток – это хорошо нам известное явление электромагнитной индукции: при изменении магнитного потока возникает электрическое поле, приводящее к движению зарядов, к появлению тока (рис. 22). В одной системе отсчета электрического поля нет, а в другой оно проявляется.
Рис. 21. Вихревое электрическое поле вокруг движущегося постоянного магнита
Рис. 22. Явление электромагнитной индукции
Магнитное поле постоянного магнита
В любом веществе электроны, которые вращаются вокруг ядра, можно представлять как маленький электрический ток, который протекает по окружности (рис. 23). Значит, вокруг него возникает магнитное поле. Если вещество не магнитится, значит, плоскости вращения электронов направлены произвольно и магнитные поля от отдельных электронов компенсируют друг друга, так как направлены хаотично.
Рис. 23. Представление вращения электронов вокруг ядра
В магнитных веществах как раз-таки плоскости вращения электронов ориентированы примерно одинаково (рис. 24). Поэтому магнитные поля от всех электронов складываются, и получается уже ненулевое магнитное поле в масштабе целого магнита.
Рис. 24. Вращение электронов в магнитных веществах
Вокруг постоянного магнита существует магнитное поле, а точнее магнитная составляющая электромагнитного поля (рис. 25). Можем ли мы найти такую систему отсчета, в которой магнитная составляющая обнуляется и магнит теряет свои свойства? Все-таки нет. И правда, электроны вращаются в одной плоскости (смотри рис. 24), в любой момент времени скорости электронов не направлены в одну и ту же сторону (рис. 26). Так что невозможно найти систему отсчета, где они все замрут и магнитное поле пропадет.
Рис. 25. Магнитное поле вокруг постоянного магнита
Рис. 26. Направленность скоростей электронов
Таким образом, электрическое и магнитное поля – это разные проявления единого электромагнитного поля. Нельзя сказать, что в конкретной точке пространства есть только магнитное или только электрическое поле. Там может быть и одно, и другое. Все зависит от системы отсчета, из которой мы рассматриваем эту точку.
Законы и модели, применяющиеся при решении задач
Почему же мы до этого говорили отдельно об электрическом и о магнитном полях? Во-первых, так сложилось исторически: люди давно знают о магните, люди давно наблюдали наэлектризованный о янтарь мех, и никто не догадывался, что эти явления имеют одну природу. А во-вторых, это удобная модель. В задачах, где нас не интересует взаимосвязь электрической и магнитной составляющих, их удобно рассматривать отдельно. Два покоящихся заряда в данной системе отсчета взаимодействуют через электрическое поле – мы применяем к ним закон Кулона, нас не интересует, что эти же электроны могут в какой-то системе отсчета двигаться и создавать магнитное поле, и мы успешно решаем задачу (рис. 27).
Рис. 27. Закон Кулона
Действие магнитного поля на движущийся заряд рассматривается в другой модели, и она тоже в рамках своей применимости отлично работает при решении ряда задач (рис. 28).
Рис. 28. Правило левой руки
Взаимосвязь составляющих электромагнитного поля
Постараемся понять, как взаимосвязаны составляющие электромагнитного поля.
Стоит отметить, что точная связь достаточно сложна. Ее вывел британский физик Джеймс Максвелл. Он вывел знаменитые 4 уравнения Максвелла (рис. 29), которые изучаются в вузах и требуют знания высшей математики. Мы их изучать, конечно, не будем, но в нескольких простых словах разберемся, что они означают.
Рис. 29. Уравнения Максвелла
Опирался Максвелл на работы другого физика – Фарадея (рис. 30), который просто качественно описал все явления. Он делал рисунки (рис. 31), записи, которые очень помогли Максвеллу.
Рис. 30. Майкл Фарадей
Рис. 31. Рисунки Майкла Фарадея из книги «Электричество» (1852)
Фарадей открыл явление электромагнитной индукции (рис. 32). Вспомним, в чем оно заключается. Переменное магнитное поле порождает ЭДС индукции в проводнике. Иными словами, переменное магнитное поле (да, в данном случае – не электрический заряд) порождает электрическое поле. Это электрическое поле является вихревым, то есть линии его замкнуты (рис. 33).
Рис. 32. Рисунки Майкла Фарадея к опыту
Рис. 33. Возникновение ЭДС индукции в проводнике
Кроме того, мы знаем, что магнитное поле порождается движущимся электрическим зарядом. Правильнее будет сказать, что оно порождается переменным электрическим полем. При движении заряда электрическое поле в каждой точке изменяется, и это изменение порождает магнитное поле (рис. 34).
Рис. 34. Возникновение магнитного поля
Можно заметить появление магнитного поля между обкладок конденсатора. Когда он заряжается или разряжается, между пластин возникает переменное электрическое поле, что в свою очередь порождает магнитное поле. В данном случае линии магнитного поля будут лежать в плоскости, перпендикулярной линиям электрического поля (рис. 35).
Рис. 35. Появление магнитного поля между обкладок конденсатора
А теперь посмотрим на уравнения Максвелла (рис. 29), ниже дана для ознакомления небольшая их расшифровка.
Значок 
– дивергенция – это математический оператор, он выделяет ту составляющую поля, которая имеет источник, то есть линии поля на чем-то начинаются и заканчиваются. Посмотрите на второе уравнение: эта составляющая магнитного поля 
равна нулю 
: линии магнитного поля ни на чем не начинаются и не заканчиваются, магнитного заряда не существует. Посмотрите на первое уравнение: такая составляющая электрического поля 
пропорциональна плотности заряда 
. Электрическое поле 
создается электрическим зарядом .
Наиболее интересны следующих два уравнения. Значок 
– ротор – это математический оператор, выделяющий вихревую составляющую поля. Третье уравнение означает, что вихревое электрическое поле 
создается изменяющимся во времени 
магнитным полем 
(
– это производная, которая, как вы знаете из математики, означает скорость изменения магнитного поля). То есть речь идет об электромагнитной индукции.
Четвертое уравнение показывает, если не обращать внимания на коэффициенты пропорциональности: вихревое магнитное поле 
создается изменяющимся 
электрическом полем 
, а также электрическим током 
( – плотность тока). Речь идет о том, что мы хорошо знаем: магнитное поле 
создается движущимся электрическим зарядом и 
.
Вывод
Как видите, переменное магнитное поле может порождать переменное электрическое, а переменное электрическое поле в свою очередь порождает переменное магнитное и так далее (рис. 36).
Рис. 36. Переменное магнитное поле может порождать переменное электрическое, и наоборот
В результате в пространстве может образовываться электромагнитная волна (рис. 37). Эти волны имеют разные проявления – это и радиоволны, и видимый свет, ультрафиолет и так далее. Об этом поговорим на следующих уроках.
Рис. 37. Электромагнитная волна