- •Электрический ток в газах. Вольтамперная характеристика (вах) газового разряда и ее физический анализ. Виды электрического разряда в газе.
- •Магнитостатика, ее предмет, основные понятия, законы, значимость и место в электродинамике
- •Методы расчета характеристик мсп. Решение прямой основной задачи магнитостатики.
- •1) Прямолинейный проводник с постоянным током.
- •3) Круговой проводник с постоянным током.
- •Индуктивность контура и соленоида.
- •Силовые проявления мсп. Действие мсп на проводник и контур с током и на движущуюся заряженную частицу. Сила Лоренца.
- •Взаимодействие проводников с током.
- •Контур (рамка) с током в однородном внешнем мсп.
- •Работа перемещения проводника и контура с током в магнитном поле.
- •Явление и закон электромагнитной индукции (зэми). Эдс самоиндукции.
- •Нестационарные процессы в цепи, содержащей индуктивность.
- •Энергия и объемная плотность энергии магнитного поля.
- •При увеличении тока в катушке на dI, пронизывающий ее поток возрастает на
- •Решением полученного уравнения, как нетрудно видеть, является гармоническая функция
- •Затухающие колебания
- •Вынужденные колебания. Резонанс.
- •Ферромагнетики. Домены и спиновая природа ферромагнетизма. Кривая намагничивания и магнитный гистерезис. Точка Кюри.
- •Уравнения максвелла.
Уравнения максвелла.
Про классическую теорию электромагнитного взаимодействия и его переносчика - электромагнитное поле - говорят иногда, что электродинамика Максвелла - это уравнения Максвелла.
В 60 - ых годах прошлого столетия Максвелл выполнил работу, подобную той, которую два века до него осуществил Ньютон. Если Ньютон довершил создание первой фундаментальной теории движения, то Максвелл завершил создание первой теории физического взаимодействия (электромагнитного). Подобно классической механике Ньютона, в основу электродинамики Максвелла также были положены некоторые предельно фундаментальные и элементарные соотношения, выраженные уравнениями, получившими имя Максвелла.
Эти уравнения имеют две формы - интегральную и дифференциальную своего выражения и фактически они выражают взаимосвязь характеристик электромагнитного поля с характеристиками источников (зарядов и токов), это поле порождающих. Эта связь не имеет такого простого выражения, как, например связь мер движения и взаимодействия, выражаемая основным законом динамики - вторым законом Ньютона. Поэтому уравнения Максвелла, выражающие основную идею электродинамики - учения об электромагнитном взаимодействии - появляются при её изучении в вузе - лишь в конце курса.
Как и любые другие предельно общие теоретические положения, уравнения Максвелла в рамках самой электродинамики формально не выводятся. Они получаются как результат творческого обобщения разнообразного опытно-экспериментального материала, и их правильность подтверждается различными следствиями и практическими приложениями.
До Максвелла была известна полная система уравнений электро- и магнитостатики и одно уравнение электродинамики - уравнение, выражающее закон электромагнитной индукции. В целом же эта совокупность уравнений не являлась полной системой, однозначно задающей состояние электромагнитного поля. Для получения такой системы Максвелл произвёл обобщение закона электромагнитной индукции = - dФdt, записав его уравнение в интегральной форме:
= - = - (вектор зависит и от t, и от , а поток Ф = - только от t)
Полученное уравнение можно представлять себе как обобщённую на вихревое электрическое поле, теорему о циркуляции вектора в электростатике. Здесь Максвелл фактически выбросил проводящий контур, который был у Фарадея и который, по Максвеллу, являлся просто индикатором наличия (по индукционным токам) вихревого электрического поля в области вокруг изменяющегося магнитного поля.
В представленной Максвеллом форме закона электромагнитной индукции более выпукло просвечивает физическая суть явления, согласно которому переменное магнитное поле порождает в окружающем пространстве вихревое (с ненулевой циркуляцией) электрическое поле. Представив так явление электромагнитной индукции, Максвелл смог, оперевшись на соображения симметрии, предположить возможность существования в природе и обратного электромагнитной индукции эффекта. Его можно назвать магнитоэлектрической индукцией, суть которой в том, что изменяющееся во времени электрическое поле, порождает в окружающем пространстве магнитное поле. Формально это записывается так, что циркуляция напряженности магнитного поля равна быстроте изменения во времени потока индукции электрического поля. С учётом же того, что магнитное поле с самого начала (со статического состояния) является вихревым, то есть для него циркуляция всегда не равна нулю, обобщённая взаимосвязь магнитного и электрического полей примет вид:
= + см, где см =
З
Быстрота же изменения индукции электрического поля, то есть t и есть плотность тока смещения . Ток смещения замыкает ток проводимости в разрывах между проводниками. Он, как и ток проводимости, создаёт вокруг себя магнитное поле, а в диэлектрике (там его называют поляризационным током) он выделяет тепло - так называемые диэлектрические потери.
Итак, теперь мы можем записать полную систему уравнений единого электромагнитного поля - систему уравнений Максвелла:
= - = +
= q = 0
В статическом состоянии электрическое (электростатическое) поле порождается только неподвижными (или равномерно движущимися) в данной ИСО электрическими зарядами и является потенциальным (обладает нулевой циркуляцией). Магнитостатическое поле порождается только токами и всегда является непотенциальным (вихревым). Электростатическое поле, имея своими источниками заряды, имеет начало своих силовых линий на положительных зарядах и конец - на отрицательных зарядах (или в бесконечности). Магнитное же поле не имеет таких источников, поскольку магнитных монополей до сих пор не обнаружено, и потому его силовые линии даже в статическом состоянии являются замкнутыми, не имея ни начала, ни конца.
В динамическом же, нестационарном состоянии, когда источники полей и сами, порождаемые ими поля, становятся изменяющимися во времени, выявляется новая принципиальная особенность электрического и магнитного нестационарных полей. Выясняется, что в этом состоянии они приобретают способность порождать друг друга, становиться источниками друг друга. В результате возникает новое неразрывно взаимосвязанное состояние единого электромагнитного поля. Первое уравнение Максвелла, как уже говорилось, указывает на то, что изменяющееся во времени магнитное поле, порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле. Второе же уравнение Максвелла говорит о том, что магнитное поле порождается не только токами, но и переменным во времени электрическим полем. В итоге мы можем заключить, что переменные (нестационарные) электрическое и магнитное поля являются взаимными источниками друг друга, и их различие во многом относительно. В нестационарном состоянии они способны существовать совершенно самостоятельно от источников (переменных токов), их породивших, в виде единого неразрывного электромагнитного поля.
Последние два уравнения Максвелла указывают на разный характер симметрии электрического и магнитного стационарных полей.
Для решения основной задачи электродинамики, уравнения Максвелла, выражающие её основную идею (связь характеристик поля с характеристиками его источников), должны быть дополнены так называемыми материальными уравнениями, связывающими характеристики поля с характеристиками вещественной среды. Этими уравнениями являются следующие:
= о; = о и = , где и - диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, а - удельная электропроводность среды.
У
Введем векторный оператор, называемый "набла" и обозначаемый , как вектор со следующими компонентами: = (/х, /у, /z).
Для любого векторного поля () = (Ах, Ау, Аz) важными являются следующие совокупности дифференциальных операций:
а) скалярная, называемая дивергенцией : = di = Ах/х + Ау/у + Аz/z
б) векторная, называемая ротором :
= rot = (Ау/z - Ая/у) + (Аz/х - Ах/z) + (Ау/Х - АХ/У)
В этих обозначениях уравнения Максвелла в дифференциальной форме, примут следующий вид:
rot = - /t ; rot = + /t; di = ; di = 0
или = - /t ; = + /t; = ; = 0
В уравнения Максвелла входят только свободные заряды и токи проводимости . Связанные заряды и молекулярные токи входят в эти уравнения неявно - через характеристики среды – диэлектрическую и магнитную проницаемости и .
Для перехода к дифференциальной форме записи теоремы о циркуляции воспользуемся известной из векторного анализа теоремой Стокса, связывающей циркуляцию вектора с поверхностным интегралом от ротора этого вектора:
= ,
где S – поверхность, ограниченная контуром L. Под ротором вектора понимают векторный дифференциальный оператор, задаваемый следующим образом:
rot = (Еу/z - Еz/у) + (Еz/х - Ех/z) + (Еx/y - Еy/x)
Физический смысл ротора вскрывают, устремляя поверхность S к нулю. В пределах достаточно малой поверхности ротор вектора можно считать постоянным и вынести за знак интеграла:
= rot = rotS.
Тогда, согласно теореме Стокса: rot = (1S) при S 0.
Отсюда ротор вектора можно определить как поверхностную плотность циркуляции этого вектора.
Так как в ЭСП циркуляция вектора равна нулю, то равен нулю и ротор вектора :
rot = 0.
Это уравнение и есть дифференциальная форма теоремы о циркуляции вектора в ЭСП.
Для перехода к дифференциальной форме записи теоремы Остроградского – Гаусса воспользуемся известной из векторного анализа теоремой Гаусса, связывающей поток вектора по замкнутой поверхности с интегралом от дивергенции этого вектора по объему, заключенному в этой поверхности:
=
Под дивергенцией вектора понимают скалярный дифференциальный оператор (совокупность производных), задаваемый следующим образом:
div = Ех/х + Еу/у + Еz/z.
Физический смысл дивергенции вскрывают, устремляя объем V к нулю. В пределах достаточно малого объема дивергенцию вектора можно считать постоянной и вынести за знак интеграла:
= div= (1V) div . Тогда, согласно теореме Гаусса,
div = (1V) при V 0.
Отсюда дивергенцию вектора можно определить как объемную плотность потока этого вектора.
Соотнося теорему Остроградского – Гаусса = q/о = (1о) и теорему Гаусса = , видим, что левые их части равны друг другу. Приравнивая их правые части, получаем:
div = о.
Это уравнение и представляет собой дифференциальную форму теоремы Остроградского – Гаусса.
1 В обычных условиях воздух подвергается воздействию космического и радиоактивного излучений, и в нем всегда имеются свободные носители тока, которые в сильных электрических полях способны создать лавину носителей тока.
2 Напомним, что собственными (или свободными) называют колебания, происходящие в системе в отсутствие внешней периодической силы (воздействия) на систему.