Сообщение об энергии электромагнитного поля

Обновлено: 06.07.2024

Энергия магнитного поля — величина, обозначающая работу, затраченную электрическим током в проводнике или катушке индуктивности на образование этого магнитного поля.

Описание явления, закон Фарадея

Магнитное поле обладает энергией. Данный факт можно доказать с помощью практического эксперимента. Опыт заключается в исследовании процесса убывания силы тока в катушке при отключении от нее источника тока. Предположим, что до того момента, когда был разомкнут ключ, в катушке имелся ток I, что способствовало образованию магнитного поля. После размыкания ключа катушка и сопротивление соединяются последовательно. В результате самоиндукции ток в катушке будет постепенно уменьшаться. Процесс сопровождается выделением теплоты на сопротивлении. Источник тока отключен, поэтому необходимо определить источник энергии, которая расходуется на тепло. Так как убывает ток и создаваемое им магнитное поле, допустимо говорить о понятии энергии тока или энергии магнитного поля, которое он создает.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

В том случае, когда магнитное поле образовано постоянным током, определить место сосредоточения энергии не представляется возможным, так как ток по своему свойству образует магнитное поле, которое в любом случае сопровождается токами. Можно рассмотреть переменное магнитное поле в электромагнитной волне. Такая волна характеризуется наличием магнитных полей в условиях отсутствия токов. Известно, что электромагнитные волны являются переносчиками энергии, что позволяет сделать вывод о существовании энергии в магнитном поле. Таким образом, электрический ток обладает энергией, локализованной в магнитном поле, то есть в среде, окружающей этот ток. Согласно закона сохранения энергии, на примере эксперимента вся энергия магнитного поля выделяется в виде Джоулева тепла на сопротивлении R.

Электромагнитная индукция представляет собой явление возникновения электрического тока, поля или электрической поляризации при изменении с течением времени магнитного поля или в процессе движения материальной среды в нем.

С помощью опытов с катушками и магнитом Фарадею удалось обнаружить зависимость между величиной электродвижущей силы и скорости, с которой перемещаются катушки или магнит. Данное наблюдение послужило основанием для выявления закономерности и формулировки закона электромагнитной индукции.

Закон электромагнитной индукции: электродвижущая сила пропорциональна скорости изменения магнитного потока, проходящего через контур.

E — электродвижущая сила; \(\Delta \Phi\) — изменение магнитного потока; \(\Delta t\) — время, в течение которого происходило изменение магнитного потока.

Единицами измерения ЭДС являются вольты магнитного потока — веберы. \(\Delta\) определяет разницу между конечным и начальным параметром.

Формула закона Фарадея содержит знак минуса. К данному выражению применено правило Ленца, как пояснение того, что ток, образовавшийся в результате индукции, в любом случае противоположно направлен образующему его магнитному потоку. Магнитное поле индукционного тока всегда препятствует магнитному потоку из внешнего источника. По смыслу правило схоже с законом сохранения энергии.

Связь энергии магнитного поля и его основных характеристик

На примере длинного соленоида можно рассмотреть проявление энергии магнитного поля. Предположим, что поля является однородным и сосредоточено внутри соленоида. В таком случае, для нахождения силы тока можно воспользоваться формулой:

Здесь H — напряженность магнитного поля соленоида; l — длина соленоида; N — число витков соленоида.

В случае эксперимента с соленоидом:

Здесь \(\mu\) — магнитная проницаемость сердечника соленоида; S — площадь сечения соленоида; n=Nl.

Как правило, роль энергетической характеристики магнитного поля играет такой параметр, как плотность энергии магнитного поля:

Данное выражение справедливо в случае любого магнитного поля, несмотря на характер его происхождения. Формула определяет энергию магнитного поля в единице его объема. Если имеется магнитоизотропная среда, то уравнение можно преобразовать, таким образом:

В случае неоднородного магнитного поля целесообразно разбить его на элементарные объемы (dV), то есть малые объемы, в которых магнитное поле считается однородным. Энергия магнитного поля, заключенная в рассматриваемых объемах, составляет:

При этом суммарная энергия магнитного поля равна:

Интегрированию в данном случае подлежит весь объем, занимаемый магнитным полем.

От чего зависит величина

Существует ряд некоторых ограничений в применении формулы для расчета энергии магнитного поля. При записи выражения выполнялось несколько условий:

индуктивность контура, а также магнитная проницаемость вещества стабильны;
вся энергия источника тока трансформируется в энергию магнитного поля.

Перечисленные условия справедливы лишь в случае вакуума, то есть при \(\mu\) =1. Если контур с током поместить в вещество, то необходимо принимать во внимание следующие параметры:

намагничивание вещества, что способствует его нагреву;
объем и плотность вещества в магнитном поле могут изменяться даже при стабильной температуре.

Таким образом, магнитная проницаемость вещества \(\mu\) , изменяющаяся при перепадах температуры и плотности среды, не может оставаться постоянной в процессе намагничивания. Также работа источника ЭДС не полностью трансформируется в энергию магнитного поля. В том случае, когда объем вещества изменяется в малой степени, сохраняется стабильной температура среды, внешняя работа затрачивается на увеличение энергии магнитного поля \(E_\) и на теплоотдачу Q, чтобы поддерживать постоянную температуру.

Работа внешних сил, в нашем случае источника тока, совершаемая над телом при квазистатическом изотермическом процессе, соответствует увеличению свободной энергии тела. Таким образом, формула определяет часть свободной энергии намагниченного вещества, которая обладает связью с магнитным полем:

При малом количестве теплоты Q, относительно энергии поля \(E_\) , справедливо равенство:

Согласно условию стабильности магнитной проницаемости вещества, выполняется линейная зависимость:

Выражение применимо при рассмотрении ситуаций в условиях вакуума для парамагнетиков и диамагнетиков. Но при опытах с ферромагнетиками магнитная индукция и напряженность магнитного поля связаны нелинейно, даже при T=const.

Чему равна энергия, как найти, формула

Согласно закону сохранения энергии, вся энергия магнитного поля по итогам опыта преобразиться в Джоулево тепло на сопротивлении R. Величину уменьшения энергии магнитного поля определяют в виде работы индукционного тока:

Результирующие значение силы тока, индукции магнитного поля и энергии равны нулю. Можно принять начальную величину энергии за \(E_\) и записать, что:

Элементарная работа, которую совершает ток, вычисляется, таким образом:

\(dA_=\varepsilon _Idt=-LI\fracdt=-LIdI\)

Здесь dt — время, в течение которого совершается работа током индукции; \(\varepsilon _=-L\frac\) — ЭДС самоиндукции.

В связи с изменением тока от I до 0, получим:

Записанная формула справедлива для любого контура и определяет, каким образом связаны энергия магнитного поля, сила тока и индуктивность контура. Можно сопоставить выражение с уравнением кинетической энергии поступательного движения:

Данное соотношение демонстрирует связь индуктивности контура с его инерционностью. Если тело совершает движение, то его невозможно остановить без энергетических превращений. По тому же принципу, нельзя прекратить электрический ток без трансформации энергии.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Описание презентации по отдельным слайдам:

Энергия электромагнитного поля Технология 7 класс Учитель: Логинов А.А. МАОУ СШ №144

Как бы мы осуществляли связь с космонавтами, летящими к Марсу, если бы не было открыто электромагнитное поле и люди не умели передавать информацию с помощью радиоволн? Вы узнаете, что такое электромагнитное поле и как оно распространяется в пространстве. Вы познакомитесь с областями применения энергии электромагнитных волн.

Электромагнитное поле — особый вид материи, который передает электрическое и магнитное воздействие на различные тела с помощью расходящихся в пространстве волн.

Электромагнитные волны – это электромагнитные колебания, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.

Электромагнитные волны используются для навигации и как средство связи. С их помощью обнаруживают удаленные объекты. Это называется радиолокацией. Улавливая очень короткие волны космических излучений, ученые –физики и астрономы изучают Вселенную.

Электромагнитные волны несут в себе электромагнитную энергию. В СВЧ печах энергия очень коротких электромагнитных волн позволяет разогревать и варить продукты. Уже сейчас можно в космосе построить огромную солнечную электростанцию на солнечных батареях и с помощью электромагнитных волн передавать выработанную энергию на Землю.

подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
по всем предметам 1-11 классов

Курс повышения квалификации

Дистанционное обучение как современный формат преподавания

Сейчас обучается 933 человека из 80 регионов

Курс профессиональной переподготовки

Технология: теория и методика преподавания в образовательной организации

Курс повышения квалификации

Педагогическая деятельность в контексте профессионального стандарта педагога и ФГОС

ЗП до 91 000 руб.
Гибкий график
Удаленная работа

Дистанционные курсы для педагогов

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

5 609 333 материала в базе

Материал подходит для УМК

Самые массовые международные дистанционные

Школьные Инфоконкурсы 2022

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Другие материалы

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

25.11.2020 1893
PPTX 1.9 мбайт
324 скачивания
Оцените материал:

Настоящий материал опубликован пользователем Логинов Алексей Андреевич. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

Автор материала

40%

Подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
Для учеников 1-11 классов

Московский институт профессиональной
переподготовки и повышения
квалификации педагогов

Дистанционные курсы
для педагогов

663 курса от 690 рублей

Выбрать курс со скидкой

Выдаём документы
установленного образца!

Учителя о ЕГЭ: секреты успешной подготовки

Время чтения: 11 минут

Отчисленные за рубежом студенты смогут бесплатно учиться в России

Время чтения: 1 минута

Рособрнадзор предложил дать возможность детям из ДНР и ЛНР поступать в вузы без сдачи ЕГЭ

Время чтения: 1 минута

Школы граничащих с Украиной районов Крыма досрочно уйдут на каникулы

Время чтения: 0 минут

В Россию приехали 10 тысяч детей из Луганской и Донецкой Народных республик

Время чтения: 2 минуты

Курские власти перевели на дистант школьников в районах на границе с Украиной

Время чтения: 1 минута

Время чтения: 2 минуты

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Электромагнитное поле как особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами, его классификация и физические свойства. Биологическое действие электромагнитного поля и его безопасность.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	29.06.2012
Размер файла	19,4 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Министерство образования, науки и молодежной политики Забайкальского края

на тему: Электромагнитное поле

1. Понятие электромагнитного поля

2. История открытия

3. Классификация электромагнитных полей и их физические свойства

4. Биологическое действие электромагнитного поля и его безопасность

Электромагнитное поле, особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.

Электромагнитное поле в вакууме характеризуется вектором напряжённости электрического поля Е и магнитной индукцией В, которые определяют силы, действующие со стороны поля на неподвижные и движущиеся заряженные частицы. Наряду с векторами Е и В, измеряемыми непосредственно, электромагнитное поле может характеризоваться скалярным и векторным потенциалами, которые определяются неоднозначно, с точностью до градиентного преобразования.

В среде электромагнитное поле характеризуется дополнительно двумя вспомогательными величинами: напряжённостью магнитного поля и электрической индукцией.

1. Понятие электромагнитного поля

Электромагнитное поле -- фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, представимое как совокупность электрического и магнитного полей, которые могут при определённых условиях порождать друг друга.

Электромагнитное поле (и его изменение со временем) описывается в электродинамике в классическом приближении посредством системы уравнений Максвелла. При переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой электрическое и магнитное поле в новой системе отсчета -- каждое зависит от обоих -- электрического и магнитного -- в старой, и это ещё одна из причин, заставляющая рассматривать электрическое и магнитное поле как проявления единого электромагнитного поля.

В современной формулировке электромагнитное поле представлено тензором электромагнитного поля, компонентами которого являются три компоненты напряжённости электрического поля и три компоненты напряжённости магнитного поля (или -- магнитной индукции), а также четырёхмерным электромагнитным потенциалом -- в определённом отношении ещё более важным.

Действие электромагнитного поля на заряженные тела описывается в классическом приближении посредством силы Лоренца.

Квантовые свойства электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами (а также квантовые поправки к классическому приближению) -- предмет квантовой электродинамики, хотя часть квантовых свойств электромагнитного поля более или менее удовлетворительно описывается упрощённой квантовой теорией, исторически возникшей заметно раньше.

Возмущение электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве, называется электромагнитной волной (электромагнитными волнами). Любая электромагнитная волна распространяется в пустом пространстве (вакууме) с одинаковой скоростью -- скоростью света (свет также является электромагнитной волной). В зависимости от длины волны электромагнитное излучение подразделяется на радиоизлучение, свет (в том числе инфракрасный и ультрафиолет), рентгеновское излучение и гамма-излучение.

2. История открытия

электромагнитный поле заряженный частица

До начала XIX в. электричество и магнетизм считались явлениями, не связанными друг с другом, и рассматривались в разных разделах физики.

В 1819 г. датский физик Г. Х. Эрстед обнаружил, что проводник, по которому течёт электрический ток, вызывает отклонение стрелки магнитного компаса, из чего следовало, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны.

Французский физик и математик А. Ампер в 1824 г. дал математическое описание взаимодействия проводника тока с магнитным полем.

В 1831 г. английский физик М. Фарадей экспериментально обнаружил и дал математическое описание явления электромагнитной индукции -- возникновения электродвижущей силы в проводнике, находящемся под действием изменяющегося магнитного поля.

В 1864 г. Дж. Максвелл создаёт теорию электромагнитного поля, согласно которой электрическое и магнитное поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого -- электромагнитного поля. Эта теория с единой точки зрения объясняла результаты всех предшествующих исследований в области электродинамики, и, кроме того, из неё вытекало, что любые изменения электромагнитного поля должны порождать электромагнитные волны, распространяющиеся в диэлектрической среде (в том числе в пустоте) с конечной скоростью, зависящей от диэлектрической и магнитной проницаемости этой среды. Для вакуума теоретическое значение этой скорости было близко к экспериментальным измерениям скорости света, полученным на тот момент, что позволило Максвеллу высказать предположение (впоследствии подтвердившееся), что свет является одним из проявлений электромагнитных волн.

Теория Максвелла уже при своем возникновении разрешила ряд принципиальных проблем электромагнитной теории, предсказав новые эффекты и дав надежную и эффективную математическую основу описанию электромагнитных явлений. Однако при жизни Максвелла наиболее яркое предсказание его теории -- предсказание существования электромагнитных волн -- не получило прямых экспериментальных подтверждений.

В 1887 г. немецкий физик Г. Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические выводы Максвелла. Его экспериментальная установка состояла из находящихся на некотором расстоянии друг от друга передатчика и приёмника электромагнитных волн, и фактически представляла собой исторически первую систему радиосвязи, хотя сам Герц не видел никакого практического применения своего открытия, и рассматривал его исключительно как экспериментальное подтверждение теории Максвелла.

В XX в. развитие представлений об электромагнитном поле и электромагнитном излучении продолжилось в рамках квантовой теории поля, основы которой были заложены великим немецким физиком Максом Планком. Эта теория, в целом завершенная рядом физиков около середины XX века, оказалась одной из наиболее точных физических теорий, существующих на сегодняшний день.

Во второй половине XX века (квантовая) теория электромагнитного поля и его взаимодействия была включена в единую теорию электрослабого взаимодействия и ныне входит в так называемую стандартную модель в рамках концепции калибровочных полей (электромагнитное поле является с этой точки зрения простейшим из калибровочных полей -- абелевым калибровочным полем).

3. Классификация электромагнитных полей и их физические свойства

Электромагнитное поле с современной точки зрения есть безмассовое абелево векторное калибровочное поле. Его калибровочная группа -- группа U(1).

Среди известных (не гипотетических) фундаментальных полей электромагнитное поле -- единственное, относящееся к указанному типу. Все другие поля такого же типа (которые можно рассматривать, по крайней мере, чисто теоретически) -- (были бы) полностью эквивалентны электромагнитному полю, за исключением, быть может, констант.

Физические свойства электромагнитного поля и электромагнитного взаимодействия - предмет электродинамики, с классической точки зрения оно описывается классической электродинамикой, а с квантовой - квантовой электродинамикой. В принципе, первая является приближением второй, заметно более простым, но для многих задач - очень и очень хорошим.

В рамках квантовой электродинамики электромагнитное излучение можно рассматривать как поток фотонов. Частицей-переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон (частица, которую можно представить как элементарное квантовое возбуждение электромагнитного поля) -- безмассовый векторный бозон. Фотон также называют квантом электромагнитного поля (подразумевая, что соседние по энергии стационарные состояния свободного электромагнитного поля с определенной частотой и волновым вектором различаются на один фотон).

Электромагнитное взаимодействие -- это один из основных видов дальнодействующих фундаментальных взаимодействий, а электромагнитное поле -- одно из фундаментальных полей.

Существует теория, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействие в одно -- электрослабое. Также существуют теории, объединяющие электромагнитное и гравитационное взаимодействие (например, теория Калуцы-Клейна). Однако последняя, при её теоретических достоинствах и красоте, не является общепринятой (в смысле её предпочтительности), так как экспериментально не обнаружено ее отличий от простого сочетания обычных теорий электромагнетизма и гравитации, как и теоретических преимуществ в степени, заставившей бы признать её особенную ценность. Это же (в лучшем случае) можно сказать пока и о других подобных теориях: даже лучшие из них по меньшей мере недостаточно разработаны, чтобы считаться вполне успешными.

Электромагнитные волны в вакууме являются поперечными.

4. Биологическое действие электромагнитного поля и его безопасность

Обследования людей, работающих в условиях воздействия различных ЭМП, показывает возникновение (с увеличением стажа) неспецифических изменений в организме прежде всего в области нервной системы. Это можно проиллюстрировать на примере работ А. М. Вялова, в которых изучались реакции на МП. Хроническое действие ЭМП приводило к функциональным нарушениям связанные с расстройством нейрогуморальной регуляции, а именно таких, как: периферический вазо-вегетативный синдром, астено-вегетативный синдром, смешанный синдром. Другие авторы, изучающие клинические проявления действия ЭМП СВЧ-диапазона выявляют пять синдромов: вегетативный, астенический, астено-вегетативный, астено-дистонический и диэнцефальный.

В связи со всё большим распространением источников ЭМП в быту (СВЧ-печи, мобильные телефоны, теле-радиовещание) и на производстве (оборудование ТВЧ, радиосвязь), большое значение приобретает защита людей от вредного влияния на них электромагнитных полей.

Контроль за уровнями ЭМП возложен на органы санитарного надзора и инспекцию электросвязи, а на предприятиях -- на службу охраны труда.

Предельно-допустимые уровни ЭМП в разных радиочастотных диапазонах различны.

Итак, электромагнитное поле - это особая форма материи, посредством которой осуществляется воздействие между электрическими заряженными частицами.

Физические причины существования электромагнитного поля связаны с тем, что изменяющееся во времени электрическое поле Е порождает магнитное поле Н, а изменяющееся Н - вихревое электрическое поле: обе компоненты Е и Н, непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга. ЭМП неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами. При ускоренном движении заряженных частиц, ЭМП "отрывается" от них и существует независимо в форме электромагнитных волн, не исчезая с устранением источника (например, радиоволны не исчезают и при отсутствии тока в излучившей их антенне).

Электромагнитные волны характеризуются длиной волны. Источник, генерирующий излучение, а по сути создающий электромагнитные колебания, характеризуются частотой.

Список литературы

1. Громов С.В., Родина Н.А. Физика. 9 класс. Учебник. - М., 2003.

2. Перышкин А.В., Гутник Е.М. Физика. 9 класс. Учебник. - М., 2009.

3. Робертсон Б. Современная физика в прикладных науках. М., 1985.

Подобные документы

Электромагнитное поле как особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами. Электрическое поле покоящегося заряда. Преобразование Лоренца. Поле релятивистского и нерелятивистского заряда.

контрольная работа [380,0 K], добавлен 23.12.2012

Основные понятия теории магнитного поля - особого вида материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом. Закон Ома для магнитной цепи. Ферромагнитные материалы.

реферат [850,7 K], добавлен 05.04.2011

Макроскопическое электромагнитное поле в сплошных неподвижных средах. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме. Энергия электромагнитного поля и теорема Пойнтинга. Применение метода комплексных амплитуд. Волновой характер электромагнитного поля.

реферат [272,7 K], добавлен 19.01.2011

Общие характеристики, энергия и масса электромагнитного поля. Закон электромагнитной индукции в дифференциальной форме. Дивергенция плотности тока проводимости. Уравнения электромагнитного поля в интегральной форме. Сущность теоремы Умова-Пойнтинга.

презентация [326,8 K], добавлен 29.10.2013

Свойства монохроматического электромагнитного поля. Нахождение токов на верхней стенке волновода. Определение диапазона частот, в котором поле является волной, бегущей вдоль оси. Нахождение комплексных амплитуд векторов с помощью уравнения Максвелла.

курсовая работа [1,3 M], добавлен 20.12.2012

Системы полевых уравнений. Основная и отличительная особенность уравнений систем (2)-(4). Реальное электромагнитное поле. Волновой пакет плоской линейно поляризованной электрической волны. Реальное существование чисто магнитной поперечной волны.

статья [129,5 K], добавлен 21.09.2008

Описание свойств электромагнитных полей математическими средствами. Дефект традиционной классической электродинамики. Базовые физические представления современной теории электромагнитного поля, концепция корпускулярно-полевого дуализма микрочастицы.

Электромагнитная энергия является энергией электромагнитного поля , содержащимся в данном объеме пространства в данный момент времени . Это обширная величина, которая выражается в джоулях ( Дж ). Это априори зависит от времени и рассматриваемого объема.

Локально мы рассматриваем объемную плотность электромагнитной энергии , часто обозначаемую u _em , которая вычисляется как сумма объемных плотностей энергий электрического и магнитного полей. Он выражается в Дж · м −3 и априори зависит от времени и от рассматриваемой точки в пространстве. Это соответствует обобщению в любом режиме концепций электростатической энергии , связанной с электрическим полем , и магнитной энергии, связанной с магнитным полем .

Электромагнитная энергия, содержащаяся в данном объеме пространства, затем получается путем интегрирования объемной плотности u _em в этом объеме пространства. Электромагнитная энергия обычно не сохраняется, то есть изменение электромагнитной энергии в данной области не будет равно потоку энергии, который пересекает граничную поверхность этой области. Действительно, часть энергии может передаваться зарядам и токам, присутствующим в этой области пространства: количественно это выражается теоремой Пойнтинга .

Вследствие особой природы электромагнитного поля и явления индукции и электрической емкости электрические и магнитные компоненты электромагнитной энергии, таким образом, неразделимы, даже если формально их можно рассматривать отдельно.

Резюме

Плотность электромагнитной энергии

Энергия электромагнитного поля

В электромагнетизме поле электрической индукции представляет собой переменную смещения , которая представляет реакцию материала на силовую переменную, которой является электрическое поле , которое влияет, в частности, на организацию электрических зарядов в данном материале (в частности, на смещение зарядов и переориентация электрических диполей), но также и от поляризации вакуума. В простых случаях отклик пропорционален силе через коэффициент пропорциональности ( тензор ), представляющий жесткость отклика на запрос, электрическую диэлектрическую проницаемость: D → >> E → >>

Распределение энергии, представленное этим откликом, тогда является распределением упругой потенциальной энергии :

Аналогично, при столкновении с магнитным полем, представляющим силовую переменную, магнитное возбуждение представляет собой отклик смещения среды, жесткость отклика обратно пропорциональна магнитной проницаемости μ . Распределение энергии, представленное этим откликом, будет таким же: B → >> ЧАС → >>

Плотность электромагнитной энергии

Согласно уравнениям Максвелла , плотность электромагнитной энергии в вакууме, соответствующая элементарной энергии d E _e, содержащейся в элементарном объеме d V , поэтому определяется выражением:

ε₀ - электрическая проницаемость вакуума;
μ₀ - магнитная проницаемость вакуума;
E → >> - вектор электрического поля;
B → >> - вектор магнитного поля.

В системе CGS электромагнитные единицы выбираются так, что две вакуумные константы исключаются из уравнения, которое затем аппроксимирует уравнение в натуральных единицах :

В более общем смысле, в сплошной среде плотность электромагнитной энергии определяется выражением:

Рассматривая выражение для плотности электромагнитной энергии в вакууме (где ε = ε ₀ и μ = μ ₀ ), мы находим выражение, данное выше для случая в вакууме.

Изменение плотности и поток энергии

Затем частную производную плотности энергии по времени получают путем дифференцирования предыдущего уравнения по времени. Более того, принимая во внимание уравнения Максвелла , которые выражают, в частности, изменение электрического и магнитного полей во времени, теорема Пойнтинга показывает, что изменение электромагнитной энергии в элементарном объеме в этом случае определяется выражением:

В случае переменного магнитного поля в области, лишенной заряженных частиц, ток равен нулю, и теорема о расходимости потока показывает, что поток энергии обязательно равен нулю через любую поверхность, содержащую направление . Другими словами, поток энергии распространяется только в направлении, ортогональном как электрическому полю, так и магнитному полю: электромагнитное поле принимает форму электромагнитной волны, распространяющейся в направлении вектора Пойнтинга , а плотность потока фактически задается по этому вектору: E → ∧ B → > \ клин >>

В случае электромагнитной волны движется электромагнитная энергия. Поток энергии, уносимый этим полем, можно рассчитать как квадрат амплитуды электромагнитной волны. Вектор Пойнтинга выражает , каким образом электромагнитные волны могут обмениваться электромагнитную энергию в отсутствие токов.

Этот тип явления происходит в электромагнитных волнах , такие как радио волны , радар , микроволновые печи , свет , рентгеновские лучи и гамма - лучи : все эти электромагнитных волны несут энергию.

Примеры применения

Классический радиус электрона

В релятивистской механике масса и энергия эквивалентны, что означает, что любая система, имеющая энергию (и в частности, электромагнитную энергию), должна иметь инерцию.

Классический радиус электрона можно рассчитать следующим образом: предположим, что электрон сам по себе не имеет массы, отличной от массы, обусловленной его электромагнитной энергией, и что заряд электрона равномерно распределен в сферическом объеме. В этом случае для электрона, покоящегося относительно наблюдателя, магнитное поле отсутствует, а полная энергия, создаваемая электростатическим полем этой сферы, определяется выражением:

r _e ≈ 2,818 × 10 −15 м .

Другой способ сделать математику - заметить, что поскольку части объема отталкиваются друг от друга, сфера содержит электростатическую потенциальную энергию. Предположим, что эта энергия равна энергии покоя E, определяемой релятивистским соотношением:

E = m c 2

m - масса в состоянии покоя;
c скорость света в вакууме.

В электростатике потенциальная энергия сферы радиуса r и заряда e определяется выражением :, где ε ₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума . Приравнивая эти два значения, получаем значение E знак равно е 2 8 π ε 0 р > \, r>>> р .

Квантовая механика

В квантовой теории поля энергия квантового состояния пространства-времени, в котором находится электромагнитное поле, априори принимает форму гамильтонова оператора , образованного из операторов квантового поля. Точный вид этого гамильтонова оператора может быть получен путем количественной оценки плотности поля, описываемой классическим лагранжианом. Для электромагнитного поля эта плотность задается как функция тензора электромагнитного поля, а также электрического и магнитного полей (в единицах СГС) следующим образом:

Количественно оценивая предыдущее выражение обычными средствами количественной оценки, мы получаем квантовое выражение гамильтонова оператора. Прежде всего необходимо переписать тензор электромагнитного поля в виде векторного потенциала , затем переписать этот векторный потенциал в терминах рождения и разрушения фотонов , интегрируя этот результат по всем возможным значениям момента фотона и суммировать по двум возможным спиральностям фотона, чтобы найти квантовое выражение гамильтонова оператора:

Здесь выражение в скобках представляет собой числовой оператор, который подсчитывает количество фотонов импульса k и спиральности λ . Таким образом, обнаружено, что энергия электромагнитного поля пропорциональна количеству фотонов и их частоте.

Синусоидальные волны

Электрическое сопротивление

Концепция импеданса позволяет применять формулы, используемые в непрерывном режиме, к синусоидальным условиям, при этом интегрируя влияние емкостных и индуктивных элементов.

Волноводный и скин-эффект

Волновод - это физическая система, которая используется для направления электромагнитных или акустических волн, чтобы удерживать их в определенной среде на определенном расстоянии.

Скин-эффект - это электромагнитное явление, означающее, что на высокой частоте ток имеет тенденцию циркулировать только по поверхности проводников. Это явление электромагнитного происхождения существует для всех проводников, через которые проходят переменные токи. Это вызывает уменьшение плотности тока по мере удаления от периферии проводника. Это приводит к увеличению сопротивления проводника.

Радиация и фотометрия

E = h ν

Чтобы связать его с длиной волны, воспользуемся формулой: ν = против / λ , Где λ является длиной волны (в м ) , а также с является скоростью света (в м с -1 ).

использовать

Длины волн, видимые человеческим глазом, находятся в диапазоне от 380 нм до 780 нм (ниже ультрафиолета выше инфракрасного ).

Эту электромагнитную энергию можно восстановить, используя фотоэлектрические панели (фиолетовое и ультрафиолетовое излучение) или даже солнечные водонагреватели (инфракрасные).

Также эта энергия восстанавливается растениями для фотосинтеза и фотопленкой.

Фотоны также могут отдавать свою энергию, заставляя атомы вещества перемешиваться (например, микроволновая печь).

В случае радиоволн (радио, телевидение, сотовые телефоны) электромагнитная энергия вызывает прохождение электрического тока через антенну, который преобразуется в звук или изображение.

Читайте также: