Взаимосвязь электрических и магнитных явлений кратко

Обновлено: 03.07.2024

Электромагни́тное взаимоде́йствие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом [1] . С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля.

С точки зрения квантовой теории поля [2] электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля). Сам фотон электрическим зарядом не обладает, а значит не может непосредственно взаимодействовать с другими фотонами.

Из фундаментальных частиц в электромагнитном взаимодействии участвуют также имеющие электрический заряд частицы: кварки, электрон, мюон и тау-лептон (из фермионов), а также заряженные калибровочные W ± бозоны.

Электромагнитное взаимодействие отличается от слабого [3] и сильного [4] взаимодействия своим дальнодействующим характером — сила взаимодействия между двумя зарядами спадает только как вторая степень расстояния (см.: закон Кулона). По такому же закону спадает с расстоянием гравитационное взаимодействие. Электромагнитное взаимодействие заряженных частиц намного сильнее гравитационного, и единственная причина, по которой электромагнитное взаимодействие не проявляется с большой силой на космических масштабах — электрическая нейтральность материи, то есть наличие в каждой области Вселенной с высокой степенью точности равных количеств положительных и отрицательных зарядов.

В классических (неквантовых) рамках электромагнитное взаимодействие описывается классической электродинамикой.

Содержание

Основные формулы классической электродинамики

На проводник с током длиной " width="" height="" />
, помещенный в магнитное поле с индукцией " width="" height="" />
, действует сила Ампера:

$\vec<F></p> <p>_A = I \cdot [\Delta \vec \times \vec]$

На заряженную частицу с зарядом , движущуюся со скоростью " width="" height="" />
в магнитном поле с индукцией " width="" height="" />
, действует сила Лоренца:

$\vec<F></p> <p>_L = q \cdot [\vec \times \vec]$

История теории

Электрические заряды притягиваются или отталкиваются друг от друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними: разноимённые заряды притягиваются, одноимённые — отталкиваются.
Магнитные полюса (или состояния поляризации в отдельных точках) привлекают или отталкивают друг друга похожим способом и всегда идут парами: каждый северный полюс не существует отдельно от южного.
Электрический ток в проводе создает круговое магнитное поле вокруг провода, направленное (по или против часовой стрелки) в зависимости от течения тока.
Ток индуцируется в петле провода, когда он сдвигается ближе или дальше относительно магнитного поля или магнит перемещается ближе или дальше от петли провода; направление тока зависит от направления этих перемещений.

Готовясь к лекции, вечером 21 апреля 1820 года, Ганс Христиан Эрстед сделал удивительное наблюдение. Когда он занимался подборкой материала, то заметил, что стрелка компаса отклоняется от северного магнитного полюса, когда электрический ток от батареи, которую он использовал, включался и выключался. Это отклонение навело его на мысль, что магнитные поля исходят со всех сторон провода, по которому проходит электрический ток, подобно тому как распространяется в пространстве свет и тепло, и что опыт указывает на прямую связь между электричеством и магнетизмом.

На момент открытия, Эрстед не предложил удовлетворительного объяснения этого явления, и не пытался представить явление в математических выкладках. Однако, три месяца спустя, он стал проводить более интенсивные исследования. Вскоре после этого он опубликовал результаты своих исследований, доказав, что электрический ток создает магнитное поле, когда течёт по проводам. В системе СГС единицу электромагнитной индукции (Э) назвали в честь его вклада в область электромагнетизма.

Выводы, сделанные Эрстедом, привели к интенсивному исследованию электродинамики мировым научным сообществом. К 1820 году относятся также работы Доминика Франсуа Араго, который заметил, что проволока, по которой течет электрический ток, притягивает к себе железные опилки. Он же намагнитил впервые железные и стальные проволоки, помещая их внутрь катушки медных проволок, по которым проходил ток. Ему же удалось намагнитить иглу, поместив её в катушку и разрядив лейденскую банку через катушку. Независимо от Араго намагничивание стали и железа током было открыто Дэви. Первые количественные определения действия тока на магнит точно так же относятся к 1820 году и принадлежат французским учёным Жан-Батисту Био и Феликсу Савару [5] . Опыты Эрстеда повлияли также на французского физика Андре-Мари Ампера, представившего электромагнитную закономерность между проводником и током в математической форме. Открытие Эрстеда также представляет собой важный шаг на пути к единой концепции энергии.

Это единство, которое было обнаружено Майклом Фарадеем, дополнено Джеймсом Максвеллом, а также уточнено Оливером Хевисайдом и Генрихом Герцем, является одним из ключевых достижений XIX столетия в математической физике. У этого открытия были далеко идущие последствия, одним из которых стало понимание природы света. Свет и другие электромагнитные волны принимают форму квантованных самораспространяющихся колебательных явлений электромагнитного поля, названных фотонами. Различные частоты колебания приводят к различным формам электромагнитного излучения: от радиоволн на низких частотах, к видимому свету на средних частотах, к гамма-лучам на высоких частотах.

Эрстед не был единственным человеком, открывшим связь между электричеством и магнетизмом. В 1802 году Джованни Доменико Романьози, итальянский ученый-правовед, отклонял магнитную стрелку электростатическими разрядами. Но, фактически, в исследованиях Романьози не применялся гальванический элемент и постоянный ток как таковой отсутствовал. Отчёт об открытии были опубликован в 1802 году в итальянской газете, но он был в основном проигнорирован научным сообществом того времени [6] .

Глубокая взаимосвязь между магнитными и электрическими явлениями была раскрыта Фарадеем при исследовании электромагнитной индукции. Дальнейшее обобщение основных законов электродинамики привело Максвелла к выводу, что магнитное поле является одной из составных частей электромагнитного поля, называемого также электромагнитной волной. [4]

Первые известные нам наблюдения магнитных и электрических явлений связаны с именем греческого философа Фалеса. Фалесу было известно не только свойство магнита притягивать железо; он обнаружил, что янтарь, натертый мехом, притягивает легкие тела. Фалес представлял себе, что в магните есть душа, и поэтому магнит действует подобно одушевленным предметам. [5]

В ферромагнитном сердечнике и его обмотках присутствуют магнитные и электрические явления , проявляющиеся в тесной взаимосвязи. Устанавливают эту связь основные законы электромагнетизма. [7]

Систему СГС широко применяют в исследованиях при описании магнитных и электрических явлений . [8]

После выхода в свет сочинения Гильберта интерес к магнитным и электрическим явлениям сильно возрос. На эту тему публикуются статьи и трактаты, но ничего существенно нового в них не содержится, хотя даже делаются попытки измерения величины магнитной силы с помощью весов. [9]

Один из первых ученых, начавших в средние века изучать магнитные и электрические явления , врач Вильям Джильберт настолько успешно применял их, что в 1601 г. был даже назначен личным медиком английской королевы Елизаветы. [10]

Таким образом, и здесь природа формально сохраняет параллелизм в магнитных и электрических явлениях . Однако различие между веществами, обладающими спонтанной намагниченностью или спонтанной поляризацией, состоит не только в разной природе ( происхождении) этих состояний. Это происходит потому, что за счет внутренней ( конечной) проводимости любого диэлектрика заряды противоположных знаков достигают выступающих на поверхности, связанных зарядов спонтанно поляризованного диэлектрика и нейтрализуют их. [11]

Открытие Эрстедом в 1820 г. магнитного действия тока показало, что между магнитными и электрическими явлениями существует связь и что магнитные действия можно получить при помощи электрических токов. [12]

Но перед тем как перейти к описанию двух лихорадочных недель, нам нужно вернуться на несколько месяцев назад, с тем чтобы присутствовать на некоей знаменитой лекции, где профессор Эрстед случайно ( в том смысле случайно, в каком только и можно говорить о научных открытиях, созревших для того, чтобы их сделать) обнаружил родство двух сил, которые раньше столь настойчиво отделялись друг от друга после Гильберта, указавшего, и совершенно справедливо, на принципиальные различия между магнитными и электрическими явлениями . [14]

Первое научное исследование магнитных и электрических явлений было проведено В. [15]

Электромагнитное взаимодействие - это тип физического взаимодействия, характеризуемый участием электромагнитного поля. Электромагнитное поле либо излучается, либо поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами.

В 1759 г. английский естествоиспытатель Р. Симмер сделал заключение о том, что в обычном состоянии любое тело содержит равное количество разноименных зарядов, взаимно нейтрализующих друг друга. При электризации происходит их перераспределение.

В конце 19-го, начале 20-го века опытным путем было установлено, что электрический заряд состоит из целого числа элементарных зарядов е=1,6×10 -19 Кл. Это наименьший существующий в природе заряд. В 1897 г. Дж. Томсоном была открыта и наименьшая устойчивая частица, являющаяся носителем элементарногоотрицательного заряда (электрон, имеющий массу mo_e=9,1×10 -31 ). Таким образом, электрический заряд является дискретным, т.е. состоящим из отдельных элементарных порций q=± ne, где n – целое число.

Закон сохранения электрического заряда: в электрически замкнутой системе сумма зарядов есть величина постоянная. (Т.е. электрические заряды могут возникать и исчезать, но при этом обязательно появляется и исчезает равное количество элементарных зарядов противоположных знаков). Величина заряда не зависит от его скорости.

, где e - относительная диэлектрическая проницаемость среды (в вакууме e = 1). Силы Кулона существенны до расстояний порядка 10 -15 м (нижний предел). На меньших расстояниях начинают действовать ядерные силы (т.н. сильное взаимодействие). Что касается верхнего предела, то он стремится к :.

Исследование взаимодействия зарядов, проводившееся в 19 в. замечательно еще и тем, что вместе с ним в науку вошло понятиеполя. Начало этому было положено в работах М. Фарадея. Поле неподвижных зарядов получило название электростатического. Электрический заряд, находясь в пространстве, искажает его свойства, т.е. создает поле. Силовой характеристикой электростатического поля является его напряженность . Электростатическое поле является потенциальным. Его энергетической характеристикой служит потенциал j.

Открытие Эрстеда. Природа магнетизма оставалась неясной до конца 19 в., а электрические и магнитные явления рассматривались независимо друг от друга, пока в 1820 г. датский физик Х. Эрстед не открыл магнитное поле у проводника с током. Так была установлена связь электричества и магнетизма. Силовойхарактеристикой магнитного поля является напряженность . В отличие от незамкнутых линий электрического поля силовые линии магнитного поля замкнуты, т.е. оно является вихревым.

Электродинамика. В течение сентября 1820 г. французский физик, химик и математик А.М. Ампер разрабатывает новый раздел науки об электричестве – электродинамику.

Законы Ома, Джоуля-Ленца: важнейшими открытиями в области электричества явились открытый Г. Омом (1826) закон I=U/R и для замкнутой цепи I= ЭДС/(R+r), а также закон Джоуля-Ленца для количества тепла, выделяющегося при прохождении тока по неподвижному проводнику за время t: Q = IUT.

Работая над исследованием электромагнитной индукции, Фарадей приходит к выводу о существовании электромагнитных волн. Позже, в 1831 г. он высказывает идею об электромагнитной природе света.

Одним из первых, кто оценил работы Фарадея и его открытия, был Д.Максвелл, который развил идеи Фарадея, разработав в 1865 г. теорию электромагнитного поля, которая значительно расширила взгляды физиков на материю и привела к созданию электромагнитной картины мира (ЭМКМ).

Концепция силовых линий, предложенная Фарадеем, долгое время не принималась всерьез другими учеными. Дело в том, что Фарадей, не владеядостаточно хорошо математическим аппаратом, не дал убедительного обоснования своим выводам на языке формул. («Это был ум, который никогда не погрязал в формулах – сказал о нем А. Эйнштейн).

Блестящий математик и физик Джеймс Максвелл берет под защиту метод Фарадея, его идею близкодействия и поля, утверждая, что идеи Фарадея могут быть выражены в виде обычных математических формул, и эти формулы сравнимы с формулами профессиональных математиков.

Эта суть сводилась к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Таким образом, в физику была введена новая реальность – электромагнитное поле. Это ознаменовало начало нового этапа в физике - этапа, на котором электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия.

Мир стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля. (Действительно, вспомним, что в МКМ господствовал принцип дальнодействия, согласно которому действие различного рода сил передается мгновенно, без участия среды.)

Система уравнений для электрических и магнитных полей, разработаннаяМаксвеллом, состоит из 4-х уравнений, которые эквивалентны 4-м утверждениям.

Уравнение	Утверждение
div E ~ q	Электрическое поле, соответствующее какому-либо распределению заряда, определяется из закона Кулона
div H = 0	Магнитные заряды не существуют
Переменное магнитное поле возбуждает электрический ток
Магнитное поле возбуждается токами и переменными электрическими полями

Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна равняться скорости света. Отсюда вывод: свет – разновидность электромагнитных волн. На основе своей теории Максвелл предсказал существование давления, оказываемого электромагнитной волной, а, следовательно, и светом, что было блестяще доказано экспериментально в 1906 г. П.Н. Лебедевым.

Голландский физик Г. Лоренц (1853-1928) считал, что теория Максвелла нуждается в дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. Лоренц высказал в этой связи свои представления об электронах, т.е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех телах.

Электромагнитное взаимодействие ответственно за существование основных кирпичиков вещества - атомов и молекул. Оно определяет взаимодействие положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов в этих микросистемах. Поэтому к электромагнитному взаимодействию сводится большинство сил, которые наблюдаются в макроскопических явлениях: силы упругости и трения, поверхностного натяжения в жидкостях и др.

Свойства различных агрегатных состояний вещества, химические превращения, электрические, магнитные и оптические явления определяются электромагнитным взаимодействием.

Электромагнитную природу имеет явление сверхпроводимости (сверхпроводимость - полное отсутствие сопротивления постоянному току у многих металлов и металлических сплавов при температурах, близких к абсолютному нулю). Электромагнитную природу имеет и явление сверхтекучести (сверхтекучесть - это свойство жидкого гелия протекать без трения сквозь тонкие капилляры и щели при температуре, ниже 2,17 К).

Электромагнитным взаимодействием обусловлены упругое и неупругое рассеяние электронов, позитронов и мюонов, процессы расщепления ядер фотонами и др.

Проявление электромагнитного взаимодействия широко используется в электротехнике, электронике, оптике, квантовой электронике.

Таким образом, электромагнитное взаимодействие обуславливает подавляющее большинство явлений окружающего нас мира.

Явления, в которых участвуют слабые, медленно меняющиеся электромагнитные поля, управляются законами классической электродинамики (слабость электромагнитного поля означает, что его энергия e

На протяжении многих столетий ученые из разных уголков мира провели множество экспериментов, прежде чем они смогли выявить связь между магнетизмом и электричеством. Эта статья объясняет различные понятия, относящиеся к обоим этим сущностям.

Когда электрический заряд находится в движении, он производит электрический ток. Магнетизм можно описать как линию силы. Связь между магнетизмом и электричеством была учреждена физиком Хансом Кристианом Эрстедом в начале девятнадцатого века. Он отметил, что, у магнитного компаса, стрелка которого помещена рядом с проводом, который несет электрический ток, иглы начинают отгибаться. Это показывает, что электрический ток создает магнитное поле вокруг себя. Английский физик Майкл Фарадей продолжил исследование взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. По его мнению, если магнитные поля изменяются через петлю провода, то электрический ток может производиться в самом проводе.

Связь между магнетизмом и электричеством на атомном уровне

Существует взаимосвязь между магнетизмом и электричеством, так как существуют положительные и отрицательные силы.
Каждый атом состоит из электронов, которые являются отрицательно заряженными частицами, протоны, которые заряжены положительно и нейтрально заряженных нейтронов.
Просто потому, что эти два разных заряда существуют в атоме, происходит явления магнетизма и электричества.
Электричество, в его статической форме, это ничто иное, как дисбаланс положительных и отрицательных зарядов.
Когда электрон движется вокруг ядра, образуется петля электрического тока. Это, в свою очередь, приводит к образованию магнитного поля в электрической петле.
Считается, что это основа магнитных свойств встречается в различных видах материалов.

Свойства электрического и магнитного полей

Электрическим полем является область вокруг заряженной частицы, если любая другая заряженная частица придет в движение, оно будет испытывать силу. Магнитное поле - это область вокруг магнита, где может быть найдено видимое магнитное влияние. Эти два направления взаимосвязаны. Дериваций описывает это следующим образом:

Любое изменение электрического поля приведет к образованию магнитного поля.
С другой стороны, изменение магнитного поля приведет к созданию электрических полей.
Когда электрическое поле является постоянным, оно не производит магнитного поля.
Аналогично, магнитное поле с постоянным значением никогда не производит никакого электрического поля.
Магнитные монополи не имеют никакого существования. Это означает, что магнит может иметь только Северный или Южный полюсы.
Когда электрический ток проходит по прямой проволоке, создаваемое магнитное поле замыкает провода в круглой форме. В этом случае направление электрического поля и магнитное поле подчиняется правилу правой руки.
Когда ток проходит по круговому проводу, производимому магнитным полем, сила будет такой же, как магнитное поле полосового магнита с наличием Северного и Южного полюсов.
Если линейное магнитное поле постоянно меняется, то это может создать круговое электрическое поле.

Воздействия электрического и магнитного поля на заряженную частицу

Величина силы, действующей на заряженную частицу в электрическом и магнитном поле была выведена голландским физиком Хендриком Лоренцом.
По его уравнению, если частица без заряда, электрическое или магнитное поле, не прилагают никаких усилий на эту частицу.

Связь между магнетизмом и электричеством представляет собой отдельное понятие и применяется к нескольким принципам реальной жизни. Электричество и магнетизм лежат в основе принципа работы различных полезных приспособлений, таких как взрывозащищенные электродвигатели.

Читайте также: