- •1.Электрические заряды. Закон сохранения зарядов. Закон кулона.Электрическая постоянная
- •2.Электростатическое поле. Напряженность поля. Поле точеного заряда и системы зарядов. Приницп суперпозиции.
- •3.Элекктрическое поле диполя. Применение Применение принципа суперпозиции для расчета полей.
- •4.Графическое изображения электростатичеких полей. Направление вектора напряженности.
- •5.Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля.
- •6.Применение теоремы Гаусса для расчета полей.
- •7.Работа сил электростатического поля при перемещении зарядов. Циркуляция вектора напряженности.
- •8.Потенциал и разность потенциалов точек электростатического поля. Потенциалы полей точечного заряда и системы зарядов.
- •9.Эквипотенциальные поверхности и их свойства. Связь напряженности электрического поля с его потенциалом.
- •10.Элекктроемкость проводников. Конденсаторы. Вывод форумулы емкости плоского конденсатора.Виды конденсаторов.
- •11.Энергия системы зарядов и заряженного проводника.
- •12.Энергия заряженного конденсатора. Энергия и плотность энергии электростатического поля.
- •13.Диэлектрики в электрическом поле. Поляризация диэлектрика. Вектор поляризации и его связь с напряженностью поля.
- •14.Напряженность диэлектрического поля в диэлектрике. Относительная диэлектрическая проницаемость и ее связь с диэлектрической восприимчивостью.
- •15.Электростатическое поле на границе двух диэлектриков. Вектор электростатической индукции. Теорема Гаусса для электростатической индукции.
- •§ 90. Условия на границе раздела двух диэлектрических сред
- •16.Электрическое поле заряженных проводников. Напряженность поля у поверхности заряженного проводника.
- •17.Электрический ток. Условия его существования. Сила и плотность тока. Единицы силы тока в системе си.
- •18.Закон для участка цепи. Электрическое сопротивление проводников и его зависимость от температуры. Сверхпроводимость.
- •19.Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца. Тепловое действие тока и его применение.
- •20.Вывод законов Ома и Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.
- •21. Правила Киргхофа и их применение для расчета разветвленных электрических цепей.
- •22.Закон Ома для замкнутой цепи. Э.Д.С. Источника тока. Режим работы источника.
- •23.Основные положения и опытное обоснование классической электронной теории электропроводности металлов.
- •24.Вывод закона Ома по электронной теории.
- •25. Вывод закона Джоуля – Ленца по электронной теории.
- •26.Закон Видемана-Франца. Связь между электро и теплопроводностью металлов и ее объяснение электронной теорией.
- •27.Термоэлектронная эмиссия и ее применение.
- •28.Термоэлектрические явления и их применение.
- •29.Магнитное поле проводников с током. Индукция магнитного поля. Графическое изображение магнитных полей.
- •30. Действие магнитного поля на проводник с током. Закон Ампера. Единицы измерения магнитной индукции.
- •31.Магнитный поток. Работа перемещения проводника с током в магнитном поле.
- •32. Действие магнитного поля на контур с током. Магнитный момент контура с током.
- •33.Закон Био-Савара-Лапласса. Напряженность магнитного поля. Магнитная постоянная.
- •34. Применение закона Био-Савара-Лапласса для расчета магнитных полей.
- •35.Циркуляция вектора магнитной индукции. Закон полного тока и его
- •36.Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея и правило Ленца
- •§ 122. Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея)
- •§ 123. Закон Фарадея и его вывод из закона сохранения энергии
- •37. Магнитное поле движущейся заряженной частицы.
- •38. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Сила Лоренца.
- •§114. Действие магнитного поля на движущийся заряд
- •§ 115. Движение заряженных частиц в магнитном поле
- •39. Электрический ток в витке, движущемся в однородном магнитном
- •40. Явления самоиндукции. Индуктивность.
- •41.Влияние индуктивности на величину тока в цепи.
- •42.Явление взаимной индукции. Взаимная индуктивность.
- •43.Энергия м плотность энергии магнитного поля.
- •44.Электромагнитные колебаний в колебательном контуре. Период колебаний.
- •45. Незатухающие и затухающие колебания в колебательном контуре.
- •46. Ток смещения. Плотность тока смещеня.
- •47.Электромагнитное поле. Уравнение Максвелла в интегральной форме.
- •48.Электромагнитные волны. Их энергия и скорость распространения. Виды электромагнитных волн.
- •1.Электрические заряды. Закон сохранения зарядов. Закон Кулона.
47.Электромагнитное поле. Уравнение Максвелла в интегральной форме.
Введение Максвеллом понятия тока смещения привело его к завершению созданной им единой макроскопической теории электромагнитного поля, позволившей с единой точки зрения не только объяснить электрические и магнитные явления, но и предсказать новые, существование которых было впоследствии подтверждено.
В основе теории Максвелла лежат рассмотренные выше четыре уравнения:
1. Электрическое поле (см. § 137) может быть как потенциальным (eq), так и вихревым (ЕB), поэтому напряженность суммарного поля Е=ЕQ+ЕB. Так как циркуляция вектора eq равна нулю (см. (137.3)), а циркуляция вектора ЕB определяется выражением (137.2), то циркуляция вектора напряженности суммарного поля
Это уравнение показывает, что источниками электрического поля могут быть не только электрические заряды, но и меняющиеся во времени магнитные поля.
2. Обобщенная теорема о циркуляции вектора Н (см. (138.4)):
Это уравнение показывает, что магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями.
3. Теорема Гаусса для поля D (см. (89.3)):
Если заряд распределен внутри замкнутой поверхности непрерывно с объемной плотностью , то формула (139.1) запишется в виде
4. Теорема Гаусса для поля В (см. (120.3)):
Итак,полная система уравнений Максвелла в интегральной форме:
Величины, входящие в уравнения Максвелла, не являются независимыми и между ними существует следующая связь (изотропные не сегнетоэлектрические и не ферромагнитные среды):
D=0E,
В=0Н,
j=E,
где 0 и 0 — соответственно электрическая и магнитная постоянные, и — соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости, — удельная проводимость вещества.
Из уравнений Максвелла вытекает, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.
Для стационарных полей (Е=const и В=const) уравнения Максвелла примут вид
т. е. источниками электрического поля в данном случае являются только электрические заряды, источниками магнитного — только токи проводимости. В данном случае электрические и магнитные поля независимы друг от друга, что и позволяет изучать отдельно постоянные электрическое и магнитное поля.
Воспользовавшись известными из векторного анализа теоремами Стокса и Гаусса можно представитьполную систему уравнений Максвелла в дифференциальной форме (характеризующих поле в каждой точке пространства):
Если заряды и токи распределены в пространстве непрерывно, то обе формы уравнений Максвелла — интегральная
идифференциальная — эквивалентны. Однако когда имеютсяповерхности разрыва — поверхности, на которых свойства среды или полей меняются скачкообразно, то интегральная форма уравнений является более общей.
Уравнения Максвелла в дифференциальной форме предполагают, что все величины в пространстве и времени изменяются непрерывно. Чтобы достичь математической эквивалентности обеих форм уравнений Максвелла, дифференциальную форму дополняют граничными условиями, которым должно удовлетворять электромагнитное поле на границе раздела двух сред. Интегральная форма уравнений Максвелла содержит эти условия. Они были рассмотрены раньше (см. § 90, 134):
D1n=D2n, E1=E2, B1n=B2n, H1= H2
(первое и последнее уравнения отвечают случаям, когда на границе раздела нет ни свободных зарядов, ни токов проводимости).
Уравнения Максвелла — наиболее общие уравнения для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. Они играют в учении об электромагнетизме такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле всегда связано с порождаемым им магнитным, т. е. электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом — они образуют единое электромагнитное поле.
Теория Максвелла, являясь обобщением основных законов электрических и магнитных явлений, смогла объяснить не только уже известные экспериментальные факты, что также является важным ее следствием, но и предсказала новые явления. Одним из важных выводов этой теории явилось существование магнитного поля токов смещения (см. § 138), что позволило Максвеллу предсказать существование электромагнитных волн — переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью. В дальнейшем было доказано, что скорость распространения свободного электромагнитного поля (не связанного с зарядами и токами) в вакууме равна скорости света с = 3•108 м/с. Этот вывод и теоретическое исследование свойств электромагнитных волн привели Максвелла к созданию электромагнитной теории света, согласно которой свет представляет собой также электромагнитные волны. Электромагнитные волны на опыте были получены немецким физиком Г. Герцем (1857—1894), доказавшим, что законы их возбуждения и распространения полностью описываются уравнениями Максвелла. Таким образом, теория Максвелла была экспериментально подтверждена.
К электромагнитному полю применим только принцип относительности Эйнштейна, так как факт распространения электромагнитных волн в вакууме во всех системах отсчета с одинаковой скоростью с не совместим с принципом относительности Галилея.
Согласно принципу относительности Эйнштейна, механические, оптические и электромагнитные явления во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково, т. е. описываются одинаковыми уравнениями. Уравнения Максвелла инвариантны относительно преобразований Лоренца: их вид не меняется при переходе
от одной инерциальной системы отсчета к другой, хотя величины Е, В, D, Н в них преобразуются по определенным правилам.
Из принципа относительности вытекает, что отдельное рассмотрение электрического и магнитного полей имеет относительный смысл. Так, если электрическое поле создается системой неподвижных зарядов, то эти заряды, являясь неподвижными относительно одной инерциальной системы отсчета, движутся относительно другой и, следовательно, будут порождать не только электрическое, но и магнитное поле. Аналогично, неподвижный относительно одной инерциальной системы отсчета проводник с постоянным током, возбуждая в каждой точке пространства постоянное магнитное поле, движется относительно других инерциальных систем, и создаваемое им переменное магнитное поле возбуждает вихревое электрическое поле. Таким образом, теория Максвелла, ее экспериментальное подтверждение, а также принцип относительности Эйнштейна приводят к единой теории электрических, магнитных и оптических явлений, базирующейся на представлении об электромагнитном поле.