ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЧАСТЬ I ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЧАСТЬ I ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ. Электрический диполь. Поляризация диэлектриков в электрическом поле 1. ПОНЯТИЕ ПОЛЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗНЫХ ВИДОВ ПОЛЕЙ. 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭП. ВИДЫ ЭП. 3. ЭНЕРГИЯ ЭП. 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДИПОЛЬ. 5. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ.

1. ВВЕДЕНИЕ. Понятие поля. Электрическое, магнитное, электромагнитное поля Поле и вещество – разные формы существования материи. Поле – делокализованная, «размазанная» в пространстве материя. Оно воспринимается не нашими органами чувств, а физическими приборами. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ вид материи, через посредство которого осуществляется взаимодействие электрических зарядов. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ – вид материи, через посредство которого взаимодействуют движущиеся электрические заряды.

2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭП. ВИДЫ ЭП ЭП и МП тесно связаны, образуя в пространстве единое ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ поле. Электрическое поле – это частное проявление единого электромагнитного поля. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭП: 1. Напряженность Е 2. Потенциал φ и разность потенциалов 1 - 2

Напряженность ЭП Векторная величина. НАПРЯЖЕННОСТЬ – Размерность – [Н/Кл], силовая характеристика [В/м]. ЭП. Если электрическое Это сила, действующая поле создаётся нескольсо стороны поля на кими зарядами, то его положительный суммарную единичный точечный напряжённость заряд: находят по принципу суперпозиции полей : Е = F / q Е = Е i

Потенциал и разность потенциалов ЭП ПОТЕНЦИАЛ – энергетическая характеристика ЭП. Это работа сил поля по перемещению единичного положительного точечного заряда из данной точки поля в бесконечность: φ = А / q Условно принимают = 0. РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ двух точек поля – работа сил поля по перемещению единичного положительного точечного заряда из одной точки поля в другую: 1 - 2 = А 1 -2 / q. Обе величины – скалярные. Размерность – [В]. = i.

Графическое изображение ЭП Силовая линия - траектория, Две характеристики – два способа изображения: с помощью • силовых линий • и эквипотенциальных поверхностей. касательная к которой в любой точке совпадает по направлению с вектором напряжённости в этой точке. Эквипотенциальная поверхность – геометрическое место точек поля, имеющих один и тот же потенциал.

Виды электрических полей Поле, характеристики которого не меняются во времени, называется постоянным (стационарным). Если работа сил поля по перемещению заряда не зависит от формы траектории, то поле называется потенциальным. Поле, характеристики которого изменяются во времени, – переменное. Работа такого поля на замкнутой траектории равна нулю.

Виды ЭП Электростатическое поле – поле, созданное неподвижными зарядами. Такое поле неизменно во времени, то есть является стационарным. Кроме того, это пример потенциального поля. Силовые линии электростатического поля не замкнуты: они начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах. + _

Виды ЭП Поле, во всех точках которого напряжённость одинакова как по величине, так и по направлению, называется однородным. Такой вид имеют силовые Силовые линии поля однородного поля – между обкладками параллельные прямые, плоского конденсатора. проходящие с одинаковой густотой, а эквипотенциальные поверхности - плоскости

Взаимосвязь двух характеристик ЭП В общем случае: Для случая однородного поля: Е = ( 1 - 2) / l , 1 - 2 = E· l, где l - расстояние между точками 1 и 2. E = – d /dx, l U 12 = 1 - 2 = ∫ Eх dx. 0 Здесь Ех – проекция вектора напряженности на направление перемещения заряда.

Взаимосвязаны и два способа графического представления поля: через каждую точку поля проходит одна силовая линия и одна эквипотенциальная поверхность, причем они взаимно перпендикулярны. Пример поле неподвижного положительного точечного заряда: +

3. ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ЭНЕРГИЯ ПОЛЯ МЕЖДУ ОБКЛАДКАМИ ПЛОСКОГО КОНДЕНСАТОРА ВЫРАЖАЕТСЯ ФОРМУЛОЙ: A = c. U 2/2. Здесь А – работа поля по зарядке конденсатора, равная энергии образованного в результате ЭП; U – напряжение между обкладками конденсатора, С – его ёмкость. Используя соотношение между емкостью, напряжением и зарядом пластин конденсатора: Q = c. U, получим еще две равноценные формулы: А = q. U/2 И А = q 2/2 c.

Объемная плотность энергии ЭП Важной характеристикой поля является объемная плотность его энергии, ω. ОБЪЕМНАЯ ПЛОТНОСТЬ ЭНЕРГИИ – ЭНЕРГИЯ, ЗАКЛЮЧЕННАЯ В ЕДИНИЦЕ ОБЪЕМА, ГДЕ СОЗДАНО ПОЛЕ: ω = W / V. Единица измерения ω – Дж / м 3 Для плоского конденсатора c = ε 0 ε S / l , где S – площадь каждой пластины, l – расстояние между ними, U = E l, т. к. поле однородное, V = S l, и ωЭП = ε 0 ε E 2 / 2. Для неоднородного поля это или среднее, или мгновенное значение.

4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДИПОЛЬ Электрический диполь – это система из двух точечных зарядов, равных по величине, но противоположных по знаку, расположенных некотором расстоянии друг от друга. Расстояние между зарядами – плечо диполя места расположения зарядов - его полюса. В целом диполь – система электронейтральная. Основная характеристика диполя - его электрический, или дипольный, момент: p = q l [Кл ∙ м] Вектор дипольного момента направлен от отрицательного полюса диполя к положительному. + -

Диполь в однородном электрическом поле вращается под действием вращающего момента M, пока не установится в положение устойчивого равновесия. M = p. E Sin α, или в векторной форме: M = p E. Направление вектора вращающего момента определяется правилом левой руки: четыре пальца располагаются по направлению дипольного момента, вектор напряженности входит в ладонь, и отогнутый большой палец показывает направление вращающего момента.

Диполь в однородном ЭП Наибольший вращающий момент действует на диполь, когда вектора p и E перпендикулярны (Sin α = 1). Диполь в равновесии, когда вращающий момент равен нулю, т. е. Sin α = 0. Равновесие бывает устойчивое и неустойчивое. При выведении из устойчивого равновесия диполь снова в него возвращается; при выведении из неустойчивого – вращается до положения устойчивого равновесия.

В устойчивом равновесии α = 0, вектора параллельны и однонаправлены (коллинеарны). р Е В неустойчивом равновесии α = 1800, т. е. вектора параллельны, но противоположно направлены (антипараллельны). р Е

Диполь в неоднородном электрическом поле участвует в двух видах движения: 1) вращается до положения устойчивого равновесия; 2) движется поступательно вдоль силовой линии, втягиваясь в область большей напряженности. Поступательное движение происходит под действием силы F = p ∙ d. E/dx. Здесь d. E/dx – градиент напряженности, характеризующий степень неоднородности поля.

5. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ Проводники и диэлектрики по-разному ведут себя в электростатическом поле, что связано с различием в их строении. В проводниках имеются свободные заряды; их носители – электроны (в металлах) или ионы (в проводящих тканях организма). В электростатическом поле свободные заряды перераспределяются, сосредоточиваясь на поверхности проводника. Созданное ими поле направлено противоположно внешнему и компенсирует его, напряженность поля внутри проводника = 0.

Проводники и диэлектрики В диэлектрике свободных зарядов нет. Все электроны в его атомах прочно связаны с ядром и могут лишь смещаться в ту или иную сторону в пределах атома или молекулы. Если центры распределения положительных и отрицательных зарядов в молекуле не совпадают, то ее можно рассматривать как диполь.

ПОНЯТИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ДИЭЛЕКТРИКОВ В эл. -стат. поле диэлектрик приобретает полярность: на одной его поверхности появляются положительные заряды, на другой – отрицательные. Эти заряды - «связанные» , так как они принадлежат молекулам диэлектрика и не могут быть удалены с его поверхности. Процесс приобретения диэлектриком полярности называется поляризацией.

Относительная диэлектрическая проницаемость При поляризации связанные заряды создают внутри диэлектрика собственное электрическое поле, В результате поле внутри диэлектрика ослабляется. Степень ослабления поля внутри диэлектрика зависит от напряженность которого свойств этого диэлект. Е направлена против рика, характеризуемых напряженности Е относительной внешнего поля. диэлектрической проницаемостью .

Относительная диэлектрическая проницаемость Это физическая величина, показывающая, во сколько раз модуль напряженности характеризует способность вещества к поляризации. У сильно поляризующихся веществ она достигает десятков и сотен. электрического поля E 0 внутри диэлектрика У тканей живого организма меньше модуля напряженности Е поля в вакууме: (которой много в тканях)- к 80 = E 0 / E. близка к таковой для воды Значения различны в нормальных и патологически измененных тканях. – Диагн. знач. !

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛЯРИЗАЦИИ Механизм поляризации Это вектор поляризации, или поляризованность: P = Σ pi / V сумма дипольных моментов частиц в единице объема диэлектрика. [Кл / м 2] различен в диэлектриках разных классов. Все диэлектрики можно разбить на три класса: с молекулами исходно полярными (вне поля) неполярными и кристаллического строения.

КЛАССЫ ДИЭЛЕКТРИКОВ Молекула, полярная вне В неполярных молекулах центры распределения поля, - «жесткий диполь» . положительных и отрицательных зарядов Однако в целом такой диэлектрик диполем совпадают. не является - благодаря тепловому движению кислород, инертные газы. отдельные молекулыдиполи в его объеме Примеры: бензол, водород, Кристаллический диэлектрик: решетка из «+» и «-» ионов, располо- расположены хаотично. женных симметрично Примеры – вода, нитробензол. (в шахматном порядке). Пример – Na. Cl.

ВИДЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ КЛАССЫ ДИЭЛЕКТРИКОВ С ПОЛ. МОЛ. С НЕПОЛ. МОЛ. КРИСТ. ОРИЕНТАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ИОННАЯ ВИДЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ

МЕХАНИЗМЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ ОРИЕНТАЦИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ: При этом образуются индуцированные, ориентация или наведенные, диполи. большинства диполей ИОННАЯ вдоль силовых линий ПОЛЯРИЗАЦИЯ: поля. разделение ЭЛЕКТРОННАЯ симметричной решетки ПОЛЯРИЗАЦИЯ: на две подрешетки смещение в разные разных знаков, стороны электронов и ядер (в основном электронов) смещенные в разные стороны.

ЧАСТЬ II МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ 1. Понятие и характеристики магнитного поля. 2. Магнитные свойства вещества. 3. Понятие электромагнитного поля. Основные положения теории Максвелла.

1. ПОНЯТИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ МП МП - вид материи, через посредство которого взаимодействуют Магнитная индукция численно равна отношению максимального вращающего момента, движущиеся действующего со стороны электрические заряды. МП на рамку с током, Основная характеристика МП - его индукция, В. Дополнительная характеристика - напряженность, Н. к магнитному моменту этой рамки: B = Mmax / pm [ Тл ] (Тесла) pm = I · S [A·м 2] S – площадь рамки.

Магнитный момент – величина векторная, направление определяется исходя из направления течения тока по рамке с помощью правила правого винта, или буравчика. Магнитная индукция – тоже вектор, направление совпадает с направлением pm в положении устойчивого равновесия. Магнитным моментом обладает не только рамка, но и любая движущаяся заряженная частица - например, электрон на орбите в атоме или атомное ядро.

Магнитная индукция зависит от свойств среды, в которой создается поле. Характеристика этих свойств – относительная магнитная проницаемость μ = В/В 0 (величина безразмерная). Здесь В 0 - индукция МП в вакууме. Напряженность есть отношение магнитной индукции к абсолютной магнитной проницаемости: H = B / μабс = B / μ · μ 0 – магнитная постоянная. [ H ] = А / м. Направление - как у В. Напряженность не зависит от свойств среды, в которой создается поле.

Число силовых линий, пронизывающих в поле данную поверхность, - магнитный поток, Ф. Величина скалярная, размерность - Вебер, Вб. Энергия МП: EM = LI 2 / 2. Объемная плотность энергии МП: ωМ = μ μ 0 H 2/2. Все вещества реагируют на магнитное поле и называются магнетиками.

Свойства МП Магнитные свойства вещества МП: - непотенциальное Виды магнетиков: - ВИХРЕВОЕ – его силовые линии замкнуты. - диа- Энергия МП: Отличаются величиной относительной магнитной проницаемости, EM = LI 2 / 2. Объемная плотность энергии МП: ωМ = μ μ 0 H 2/2. - пара- магнетики - ферро- А также магнитным моментом и поведением в МП.

МАГНЕТИКИ ДИАМАГНЕТИКИ: ПАРАМАГНЕТИКИ, μ немного меньше единицы. ФЕРРОМАГНЕТИКИ: * Ослабляют поле: * Усиливают поле: В < В 0 μ больше единицы. В > В 0 * Магнитный момент их молекул вне поля равен нулю * Магнитные моменты их молекул отличны от нуля * В магнитном поле "выталкиваются" в область меньшей индукции. * В МП "втягиваются" в область большей индукции.

ЭМ ПОЛЕ. ТЕОРИЯ МАКСВЕЛЛА Электрическое и магнитное поле тесно связаны, образуя в пространстве единое электромагнитное поле. Происхождение и свойства этого поля рассматриваются теорией Максвелла. Её базовые положения: 1) Всякое переменное электрическое поле порождает в окружающем пространстве вихревое магнитное поле.

Базовые положения теории Максвелла 2) Всякое переменное магнитное поле порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле. Частный случай этого явления – электромагнитная индукция, Это поле также является виревым и непотенциальным. действием переменного т. е. возникновение ЭДС индукции и индукционного тока в контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего контур. В проводящих средах под МП возникают вихревые токи, или токи Фуко.