Электромагнитное поле

Не путать с электродвижущей силой .

Чтобы узнать о британском хакерском съезде, см. «Электромагнитное поле (фестиваль)» .

Электромагнитное поле (также ЭМ поле ) — это физическое поле , математическая функция положения и времени, представляющая влияние электрических зарядов и их влияние . Поле в любой точке пространства и времени можно рассматривать как комбинацию электрического и магнитного полей . Из-за взаимосвязи между полями возмущение в электрическом поле может создать возмущение в магнитном поле, которое, в свою очередь, влияет на электрическое поле, приводя к колебаниям, распространяющимся в пространстве, известным как электромагнитная волна .

Способ взаимодействия зарядов и токов (то есть потоков зарядов) с электромагнитным полем описывается уравнениями Максвелла. и закон силы Лоренца . Уравнения Максвелла подробно описывают, как электрическое поле сходится к электрическим зарядам или расходится от них, как магнитное поле скручивается вокруг электрических токов и как изменения в электрическом и магнитном полях влияют друг на друга. Закон силы Лоренца гласит, что заряд, находящийся в электрическом поле, испытывает силу, направленную вдоль направления поля, а заряд, движущийся через магнитное поле, испытывает силу, перпендикулярную как магнитному полю, так и направлению его движения.

Электромагнитное поле описывается классической электродинамикой , примером классической теории поля . Эта теория точно описывает многие макроскопические физические явления. Однако он не смог объяснить фотоэлектрический эффект и атомно-абсорбционную спектроскопию , эксперименты на атомном уровне. Это потребовало использования квантовой механики , в частности квантования электромагнитного поля и развития квантовой электродинамики .

История

Основная статья: История теории электромагнетизма

Результаты эксперимента Майкла Фарадея с железными опилками. Добро пожаловать M0000164

Эмпирическое исследование электромагнетизма по крайней мере так же старо, как древнегреческий философ, математик и ученый Фалес Милетский , который около 600 г. до н. э. описал свои эксперименты по натиранию шерсти животных различными материалами, такими как янтарь, с созданием статического электричества. К XVIII веку стало понятно, что объекты могут нести положительный или отрицательный электрический заряд , что два объекта, несущие заряд одного и того же знака, отталкиваются, что два объекта, несущие заряды противоположного знака, притягиваются друг к другу и что сила этой силы падает как квадрат расстояния между ними. Майкл Фарадей визуализировал это с точки зрения зарядов, взаимодействующих через электрическое поле . Электрическое поле создается, когда заряд неподвижен по отношению к наблюдателю, измеряющему свойства заряда, а магнитное поле , как и электрическое поле, создается, когда заряд движется, создавая электрический ток относительно этого наблюдателя. Со временем стало понятно, что электрическое и магнитное поля лучше рассматривать как две части единого целого — электромагнитного поля. В 1820 году Ганс Христиан Эрстед показал, что электрический ток может отклонять находящуюся рядом стрелку компаса, установив, что электричество и магнетизм — тесно связанные явления. Затем в 1831 году Фарадей сделал плодотворное наблюдение о том, что изменяющиеся во времени магнитные поля могут индуцировать электрические токи.

В 1861 году Джеймс Клерк Максвелл синтезировал все имеющиеся на сегодняшний день работы по электрическим и магнитным явлениям в единую математическую теорию, из которой затем вывел, что свет — это электромагнитная волна. Теория непрерывного поля Максвелла имела большой успех, пока не появились доказательства, подтверждающие атомную модель материи. Начиная с 1877 года Хендрик Лоренц разработал атомную модель электромагнетизма, а в 1897 году Дж. Дж. Томсон завершил эксперименты, которые определили электрон . Теория Лоренца работает для свободных зарядов в электромагнитных полях, но не может предсказать энергетический спектр связанных зарядов в атомах и молекулах. Для решения этой проблемы необходима квантовая механика , которая в конечном итоге приведет к теории квантовой электродинамики .

Практическое применение нового понимания электромагнитных полей появилось в конце 1800-х годов. Электрический генератор и двигатель были изобретены с использованием только эмпирических данных, таких как законы Фарадея и Ампера, в сочетании с практическим опытом.

Математическое описание

Основная статья: Математические описания электромагнитного поля

Существуют разные математические способы представления электромагнитного поля. Первый рассматривает электрические и магнитные поля как трехмерные векторные поля . Каждое из этих векторных полей имеет значение, определенное в каждой точке пространства и времени, и поэтому часто рассматривается как функция пространственных и временных координат. Таким образом, их часто записывают как E ( x , y , z , t ) ( электрическое поле ) и B ( x , y , z , t ) ( магнитное поле ).

Если только электрическое поле ( E ) не равно нулю и постоянно во времени, то это поле называется электростатическим . Аналогично, если только магнитное поле ( B ) ненулевое и постоянное во времени, то поле называется магнитостатическим . Однако, если электрическое или магнитное поле зависит от времени, то оба поля следует рассматривать вместе как связанное электромагнитное поле, используя уравнения Максвелла .

С появлением специальной теории относительности физические законы стали поддаваться формализму тензоров . Уравнения Максвелла можно записать в тензорной форме, которую физики обычно рассматривают как более элегантный способ выражения физических законов.

Поведение электрических и магнитных полей, будь то электростатика, магнитостатика или электродинамика (электромагнитные поля), определяется уравнениями Максвелла. В формализме векторного поля это:

Закон Гаусса

$\nabla \cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho }{\varepsilon _{0}}}$

Закон Гаусса для магнетизма

$\nabla \cdot \mathbf {B} =0$

Закон Фарадея

$\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}$

Закон Ампера – Максвелла

$\nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {J} +\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}$

где $\rho$ - плотность заряда, которая является функцией времени и положения, $\varepsilon _{0}$ диэлектрическая проницаемость вакуума , $\mu _{0}$ — вакуумная проницаемость , а J — вектор плотности тока, также зависящий от времени и положения. Внутри линейного материала уравнения Максвелла изменяются путем переключения проницаемости и диэлектрической проницаемости свободного пространства на проницаемость и диэлектрическую проницаемость рассматриваемого линейного материала. Внутри других материалов, которые обладают более сложной реакцией на электромагнитные поля, эти термины часто представляются комплексными числами или тензорами.

Закон силы Лоренца управляет взаимодействием электромагнитного поля с заряженным веществом.

Когда поле перемещается в разные среды, поведение поля меняется в зависимости от свойств среды.

Свойства поля

Электростатика и магнитостатика

Основные статьи: Электростатика и магнитостатика

Электрическое поле положительного точечного электрического заряда, подвешенного над бесконечным слоем проводящего материала. Поле изображается силовыми линиями электрического поля — линиями, которые следуют направлению электрического поля в пространстве.

Уравнения Максвелла упрощаются, когда плотность заряда в каждой точке пространства не меняется со временем и все электрические токи также остаются постоянными. Все производные по времени исчезают из уравнений, оставляя два выражения, включающие электрическое поле:

$$\nabla \cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho }{\epsilon _{0}}}$$

и

$$\nabla \times \mathbf {E} =0,$$

наряду с двумя формулами, включающими магнитное поле:

$$\nabla \cdot \mathbf {B} =0$$

и

$$\nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {J} .$$

Эти выражения являются основными уравнениями электростатики , которая рассматривает ситуации, когда электрические заряды не движутся, и магнитостатики , соответствующей области магнитных явлений.

Преобразования электромагнитных полей

Дополнительная информация: Классический электромагнетизм и специальная теория относительности , Электромагнитный четырехпотенциал и Электромагнитный тензор.

Относится ли физический эффект к электрическому или магнитному полю, зависит от наблюдателя, и специальная теория относительности делает это математически точным. Например, предположим, что в лаборатории есть длинный прямой провод, по которому течет электрический ток. В системе отсчета, где лаборатория покоится, провод неподвижен и электрически нейтрален: ток, состоящий из отрицательно заряженных электронов, движется на фоне положительно заряженных ионов, а плотности положительных и отрицательных зарядов компенсируют друг друга. . Испытательный заряд вблизи провода не будет ощущать никакой электрической силы, исходящей от провода. Однако если пробный заряд движется параллельно току, ситуация меняется. В остальном кадре тестового заряда положительные и отрицательные заряды в проводе движутся с разной скоростью, поэтому распределения положительных и отрицательных зарядов сжимаются по Лоренцу на разную величину. Следовательно, провод имеет ненулевую результирующую плотность заряда, и испытательный заряд должен испытывать ненулевое электрическое поле и, следовательно, ненулевую силу. В остальном кадре лаборатории нет электрического поля, которое могло бы объяснить притяжение испытательного заряда к проводу или отталкивание от него. Итак, наблюдатель в системе покоя лаборатории заключает, что магнитное поле должно присутствовать.

В общем, ситуация, которую один наблюдатель описывает, используя только электрическое поле, будет описана наблюдателем в другой инерциальной системе отсчета, используя комбинацию электрического и магнитного полей. Аналогично, явление, которое один наблюдатель описывает, используя только магнитное поле, в относительно движущейся системе отсчета будет описываться комбинацией полей. Правилами связи полей, требуемых в разных системах отсчета, являются преобразования Лоренца полей .

Таким образом, электростатика и магнитостатика теперь рассматриваются как исследования статического ЭМ поля, когда конкретный кадр выбран для подавления другого типа поля, и поскольку ЭМ поле, обладающее как электрическим, так и магнитным действием, появится в любой другой системе отсчета, эти «более простые» «Эффекты являются лишь следствием различных рамок измерения. Тот факт, что два изменения поля можно воспроизвести, просто изменив движение наблюдателя, является еще одним свидетельством того, что существует только одно фактическое поле, которое просто наблюдается по-разному.

Взаимное поведение электрического и магнитного полей

Основные статьи: закон индукции Фарадея и закон цепи Ампера.

Два уравнения Максвелла, закон Фарадея и закон Ампера-Максвелла, иллюстрируют очень практическую особенность электромагнитного поля. Закон Фарадея можно грубо сформулировать так: «Изменение магнитного поля внутри контура создает электрическое напряжение вокруг контура». Это принцип электрического генератора .

Закон Ампера примерно гласит, что «электрический ток вокруг петли создает магнитное поле внутри петли». Таким образом, этот закон можно применить для создания магнитного поля и запуска электродвигателя .

Поведение полей при отсутствии зарядов и токов

Линейно поляризованная электромагнитная плоская волна, распространяющаяся параллельно оси z, является возможным решением уравнений электромагнитных волн в свободном пространстве . Электрическое поле E перпендикулярны друг другу и и поле B магнитное направлению распространения.

Уравнения Максвелла можно объединить для получения волновых уравнений . Решения этих уравнений принимают форму электромагнитной волны . В объёме пространства, не содержащем зарядов или токов ( свободное пространство ) – то есть там, где $\rho$ и J равны нулю, электрические и магнитные поля удовлетворяют этим уравнениям электромагнитных волн :

$\left(\nabla ^{2}-{1 \over {c}^{2}}{\partial ^{2} \over \partial t^{2}}\right)\mathbf {E} \ \ =\ \ 0$

$\left(\nabla ^{2}-{1 \over {c}^{2}}{\partial ^{2} \over \partial t^{2}}\right)\mathbf {B} \ \ =\ \ 0$

Джеймс Клерк Максвелл был первым, кто получил это соотношение, дополнив уравнения Максвелла добавлением члена тока смещения к закону цепи Ампера . Это объединило физическое понимание электричества, магнетизма и света: видимый свет — это лишь одна часть полного спектра электромагнитных волн, электромагнитного спектра .

Максвелла

Основные статьи: ближнее и дальнее поле , оптика ближнего поля , виртуальные частицы , диэлектрический нагрев и электромагнитная индукция.

Электромагнитное поле, находящееся очень далеко от токов и зарядов (источников), называется электромагнитным излучением (ЭМИ), поскольку оно исходит от зарядов и токов в источнике. Такое излучение может возникать в широком диапазоне частот, называемом электромагнитным спектром , включая радиоволны , микроволновое , инфракрасное , видимый свет , ультрафиолетовый свет , рентгеновские лучи и гамма-лучи . Многие коммерческие применения этих излучений обсуждаются в названных и связанных статьях.

Примечательным применением видимого света является то, что этот тип энергии Солнца питает всю жизнь на Земле, которая либо производит, либо использует кислород.

Изменяющееся электромагнитное поле, которое физически близко к токам и зарядам ( см. в ближнем и дальнем поле определение термина «близость» ), будет иметь дипольную характеристику, в которой преобладают либо изменяющийся электрический диполь , либо изменяющийся магнитный диполь . Этот тип дипольного поля вблизи источников называется ближним электромагнитным полем .

Меняющиеся электрические дипольные поля, как таковые, используются в промышленности как ближние поля главным образом как источник диэлектрического нагрева . В противном случае они паразитически появляются вокруг проводников, поглощающих ЭМИ, и вокруг антенн, целью которых является генерирование ЭМИ на больших расстояниях.

Изменяющиеся магнитные дипольные поля (т.е. ближние магнитные поля) коммерчески используются для многих типов устройств магнитной индукции . К ним относятся двигатели и электрические трансформаторы на низких частотах, а также такие устройства, как RFID- метки, металлодетекторы и катушки сканера МРТ на более высоких частотах.

Здоровье и безопасность

Основная статья: Электромагнитное излучение и здоровье

Потенциальное воздействие электромагнитных полей на здоровье человека широко варьируется в зависимости от частоты, интенсивности полей и продолжительности воздействия. Низкочастотное, малоинтенсивное и кратковременное воздействие электромагнитного излучения обычно считается безопасным. С другой стороны, излучение других частей электромагнитного спектра , например ультрафиолетовое излучение. и гамма-лучи , известно, что в некоторых обстоятельствах они причиняют значительный вред.

См. также

• Классификация электромагнитных полей
• Электрическое поле
• Электромагнетизм
• Электромагнитное распространение
• Электромагнитное излучение
• Электромагнитный спектр
• Измерения электромагнитного поля
• Магнитное поле
• Уравнения Максвелла
• Фотоэлектрический эффект
• Фотон
• Квантование электромагнитного поля
• Квантовая электродинамика

Ссылки

Источники

• Фейнман, Ричард ; Лейтон, Роберт Б .; Сэндс, Мэтью (1970). Фейнмановские лекции по физике . Том. II. Эддисон Уэсли Лонгман . ISBN  978-0-201-02115-8 .
• Перселл, Эдвард М .; Морин, Дэвид Дж. (2012). Электричество и магнетизм (3-е изд.). Издательство Кембриджского университета . ISBN  9781-10701-4022 .
• Линг, Сэмюэл Дж.; Моебс, Уильям; Санни, Джефф (2023). «16.1 Уравнения Максвелла и электромагнитные волны» . Университетская физика . Том. 2. ОпенСтакс. ISBN  978-1-947172-27-2 .
• Стауффер, Роберт К. (1957). «Предположение и эксперимент на фоне открытия Эрстедом электромагнетизма». Исида . 48 (1): 33–50. дои : 10.1086/348537 . JSTOR   226900 . S2CID   120063434 .
• Вангснесс, Роальд К. (1986). Электромагнитные поля (2-е изд.). Уайли. ISBN  0-471-81186-6 .
• Администратор, Джозеф А. (1995). Очерк электромагнетизма Шаума (2-е изд.). МакГроу-Хилл. ISBN  0070212341 .
• Ченг, Дэвид К. (1989). Полевая и волновая электромагнетика (2-е изд.). Прентис Холл. ISBN  978-0-201-12819-2 .
• Валентин Дж., Изд. (2007). Рекомендации Международной комиссии по радиологической защите 2007 года . МКРЗ Публикация 103. Оксфорд: Elsevier . ISBN  978-0-7020-3048-2 .
• Тейлор, Дэвид (2012). «Электричество и магнетизм» . Идеи физики . Северо-Западный университет . Проверено 8 января 2023 г.
• «Хронология событий в электромагнетизме» . МысльКо . 2018 . Проверено 28 октября 2023 г.
• «Информационный бюллетень NIOSH: ЭМП на рабочем месте» . Национальный институт безопасности и гигиены труда США . 1996 год . Проверено 31 августа 2015 г.
• Руководство по ультрафиолетовому излучению (PDF) (отчет). Норфолк, Вирджиния: Центр гигиены окружающей среды, ВМС США . Апрель 1992 г. Архивировано из оригинала (PDF) 21 декабря 2019 г. Проверено 21 декабря 2019 г.

Дальнейшее чтение

• Гриффитс, Дэвид Дж. (1999). Введение в электродинамику (3-е изд.). Река Аппер-Сэддл, Нью-Джерси: Прентис-Холл. ISBN  978-0138053260 .
• Максвелл, Дж. К. (1 января 1865 г.). «Динамическая теория электромагнитного поля». Философские труды Лондонского королевского общества . 155 : 459–512. дои : 10.1098/rstl.1865.0008 . S2CID   186207827 . (Эта статья сопровождала презентацию Максвелла Королевскому обществу от 8 декабря 1864 года.)
• Грин, Брайан . Ткань Космоса . Нью-Йорк: Рэндом Хаус. Ч. 3, §§ «Сила», «Материя» и «Поле Хиггса».

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с электромагнитным полем, на Викискладе?