Реферат уравнение максвелла обобщение теории магнитного поля

Максвелл и его электромагнитная теория

Содержание:

• Данный тип работы не является научным трудом, не является готовой выпускной квалификационной работой!
• Данный тип работы представляет собой готовый результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала для самостоятельной подготовки учебной работы.

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

По этой ссылке вы сможете найти много готовых рефератов по физике:

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

Введение:

Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня 1831 г. в Эдинбурге, в семье адвоката владельца поместья в Шотландии. Мальчик рано проявил любовь к технике и желание постичь окружающий мир. На него большое влияние оказал его отец, высокообразованный человек, который глубоко интересовался проблемами естествознания и техники. В школе Максвелл был очарован геометрией, и его первой научной работой, выполненной в возрасте пятнадцати лет, было открытие простого, но не известного способа рисования овальных фигур. Максвелл получил хорошее образование, сначала в Эдинбурге, а затем в Кембриджском университете.

В 1856 году молодой, многообещающий ученый был приглашен преподавать в качестве профессора в колледже в шотландском городе Абердин. Здесь Максвелл с энтузиазмом работает над проблемами теоретической и прикладной механики, оптики, физиологии цветового зрения. Он блестяще разгадывает загадку колец Сатурна, математически доказывая, что они образованы из отдельных частиц. Имя ученого становится известным, и его приглашают занять кресло в Королевском колледже Лондона. Лондонский период (1860-1865) был самым плодотворным в жизни ученого. Он возобновляет и доводит до конца теоретические исследования по электродинамике, публикует фундаментальные работы по кинетической теории газов.

Переехав из Абердина, Максвелл продолжил свои исследования с неослабевающим напряжением, уделяя особое внимание кинетической теории газов. Говорят, что его жена (бывшая Екатерина Мэри Девар, дочь главы Маришальского колледжа) устроила пожар в подвале их лондонского дома, чтобы дать Максвеллу возможность проводить эксперименты на чердаке для изучения тепловых свойств газов. Но решающим и, безусловно, величайшим достижением Максвелла было его создание теории электромагнитного поля.

Начало девятнадцатого века было изобиловало захватывающими открытиями. Вскоре после получения первых стационарных токов Эрстед показал, что ток, протекающий через проводник, генерирует магнитные эффекты, подобные тем, которые вызываются обычным постоянным магнитом. Поэтому было предложено, чтобы два токонесущих проводника вели себя как два магнита, которые, как вы знаете, могут либо притягивать, либо отталкивать. Действительно, эксперименты Ампера и других исследователей подтвердили наличие сил притяжения или отталкивания между двумя проводниками с током. Вскоре стало возможным сформулировать закон притяжения и отталкивания с той же точностью, с которой Ньютон сформулировал закон гравитационного притяжения между любыми двумя материальными телами.

Затем Фарадей и Генри обнаружили замечательное явление электромагнитной индукции и тем самым продемонстрировали тесную связь между магнетизмом и электричеством.

Однако существовала острая необходимость в создании единой теории, которая отвечала бы необходимым требованиям, которая позволила бы прогнозировать развитие электромагнитных явлений во времени и пространстве в наиболее общем случае при любых мыслимых конкретных экспериментальных условиях.

Это именно то, чем оказалась электромагнитная теория Максвелла, сформулированная им в виде системы нескольких уравнений, описывающих все многообразие свойств электромагнитных полей с использованием двух физических величин напряженности электрического поля E и напряженности магнитного поля H. Примечательно, что эти уравнения Максвелла в их окончательной форме и по сей день остаются краеугольным камнем физики, давая описание наблюдаемых электромагнитных явлений, соответствующих действительности.

При проектировании высоковольтной линии электропередачи для передачи электроэнергии на большие расстояния уравнения Максвелла помогают создать систему, минимизирующую потери; при проведении фундаментальных экспериментов в лаборатории по изучению свойств металлов в высокочастотном электрическом поле при очень низких температурах мы используем уравнения Максвелла для определения характера распространения электромагнитного поля внутри металла; Если мы строим новый радиотелескоп, способный захватывать электромагнитные шумы из космоса, то при проектировании антенн и волноводов, которые передают энергию от антенны к радиоприемнику, мы неизменно используем уравнения Максвелла.

Существует закон, согласно которому сила, действующая на заряд, движущийся в магнитном поле, прямо пропорциональна произведению величины заряда на компонент скорости, перпендикулярный направлению магнитного поля; эта сила известна нам как «сила Лоренца». Однако кто-то называет это «силой Лапласа».

Нет такой неопределенности в уравнениях Максвелла; честь этого открытия принадлежит ему одному.

Следует отметить, что в прошлом веке он ни в коем случае не был единственным физиком, который пытался создать всеобъемлющую теорию электромагнетизма, другие тоже не без оснований подозревали о существовании глубокой связи между световыми и электрическими явлениями.

Главная заслуга Максвелла в том, что он по-своему пришел к изящной и простой системе уравнений, которая описывает все электромагнитные явления.

Уравнения Максвелла не только охватывают и описывают все известные нам электромагнитные явления; область их применения даже не ограничивается какими-либо мыслимыми электромагнитными явлениями, происходящими в конкретных местных условиях. Теория Максвелла предсказала совершенно новый эффект, наблюдаемый в космосе, свободном от материальных тел, электромагнитного излучения. Это, несомненно, уникальное достижение, которое венчает триумф теории Максвелла.

Вихревое электрическое поле

Из закона Фарадея e_i = dФ/dt следует, что любое изменение магнитного потока индукции, связанного с цепью, приводит к возникновению электродвижущей силы индукции и, как следствие, появляется ток индукции. Следовательно, возникновение электромагнитной индукции ЭДС также возможно в стационарной цепи, расположенной в переменном магнитном поле. Однако ЭДС в любой цепи возникает только тогда, когда на носители тока действуют внешние силы силы неэлектростатического происхождения.

Опыт показывает, что эти внешние силы не связаны ни с тепловыми, ни с химическими процессами в цепи; их возникновение также нельзя объяснить силами Лоренца, поскольку они не действуют на стационарные заряды. Максвелл предположил, что любое переменное магнитное поле возбуждает электрическое поле в окружающем пространстве, которое является причиной индукционного тока в цепи. Согласно идеям Максвелла, контур, в котором появляется ЭДС, играет второстепенную роль, являясь своего рода «устройством», которое обнаруживает это поле.

Ток смещения

Согласно Максвеллу, если какое-либо переменное магнитное поле возбуждает вихревое электрическое поле в окружающем пространстве, то должно существовать и противоположное явление: любое изменение электрического поля должно вызывать появление вихревого магнитного поля в окружающем пространстве. Поскольку магнитное поле всегда связано с электрическим током, Максвелл назвал переменное электрическое поле, которое возбуждает магнитное поле, током смещения, в отличие от тока проводимости, из-за упорядоченного движения зарядов. По словам Максвелла, для возникновения тока смещения необходимо только наличие переменного электрического поля.

Рассмотрим цепь переменного тока, содержащую конденсатор. Между пластинами зарядного и разрядного конденсатора имеется переменное электрическое поле, поэтому, согласно Максвеллу, токи смещения «протекают» через конденсатор и в тех областях, где нет проводников. Следовательно, поскольку существует переменное электрическое поле (ток смещения) между обкладками конденсатора, магнитное поле также возбуждается между ними.

Найдем количественную связь между изменяющимися электрическими и магнитными полями, вызванными этим. Согласно Максвеллу, переменное электрическое поле в конденсаторе в каждый момент времени создает такое магнитное поле, как если бы токопроводящий ток существовал между обкладками конденсатора силой, подобной силе токов в проводах питания. Тогда можно утверждать, что плотности тока проводимости (j) и смещения (jcm) равны: j_cm = j.

Плотность тока проводимости вблизи пластин конденсатора, s плотность поверхностного заряда, S площадь пластин конденсатора. Если электрическое смещение в конденсаторе равно D, то плотность поверхностного заряда на пластинах равна s = D.

Поскольку ток смещения возникает при любом изменении электрического поля, он существует не только в вакууме или диэлектриках, но и внутри проводников, через которые протекает переменный ток. Однако в этом случае оно незначительно по сравнению с током проводимости. Наличие токов смещения было экспериментально подтверждено советским физиком А. А. Эйхенвальдом, который изучал магнитное поле тока поляризации, который является частью тока смещения.

В общем случае токи проводимости и смещения в пространстве не разделены, они находятся в одном объеме. Поэтому Максвелл ввел понятие общего тока, равного сумме токов проводимости (а также токов конвекции) и смещения.

Введя понятие тока смещения и полного тока, Максвелл подошел к рассмотрению замкнутости цепей переменного тока по-новому. Общий ток в них всегда замкнут, то есть на концах проводника обрезается только ток проводимости , а в диэлектрике (вакууме) между концами проводника возникает ток смещения, который замыкает ток проводимости.

Уравнение Максвелла для электромагнитного поля

Введение Максвеллом концепции тока смещения привело его к завершению единой макроскопической теории электромагнитного поля, которую он создал, что позволило с единой точки зрения объяснить не только электрические и магнитные явления, но и предсказывать новые, существование которых было позже подтверждено.

Это уравнение показывает, что источником электрического поля могут быть не только электрические заряды, но и изменяющиеся во времени магнитные поля.

Это уравнение показывает, что магнитные поля могут быть возбуждены либо движущимися зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями.

Из уравнения Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо магнитные поля, которые меняются во времени, а магнитные поля могут быть возбуждены либо движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрических и магнитных полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет магнитных зарядов.

В этом случае электрические и магнитные поля не зависят друг от друга, что позволяет отдельно изучать постоянные электрические и магнитные поля.

Если заряды и токи непрерывно распределены в пространстве, то обе формы уравнений Максвелла, интегральная и дифференциальная, эквивалентны. Однако, когда существуют поверхности разрыва поверхности, на которых свойства среды или полей резко изменяются, интегральная форма уравнений является более общей.

Уравнения Максвелла являются наиболее общими уравнениями для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. Они играют ту же роль в теории электромагнетизма, что и законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с генерируемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле всегда связано с генерируемым им магнитным полем, то есть электрическое и магнитное поля неразрывно связаны с каждым другие они образуют единое электромагнитное поле.

Теория Максвелла является макроскопической, поскольку она рассматривает электрические и магнитные поля, созданные макроскопическими зарядами и токами. Поэтому эта теория не смогла раскрыть внутренний механизм явлений, которые происходят в окружающей среде и приводят к возникновению электрических и магнитных полей. Дальнейшим развитием теории Максвелла об электромагнитном поле была электронная теория Лоренца, а теория Максвелла-Лоренца получила дальнейшее развитие в квантовой физике.

Теория Максвелла, являясь обобщением основных законов электрических и магнитных явлений, смогла объяснить не только уже известные экспериментальные факты, что также является важным следствием этого, но и предсказала новые явления. Одним из важных выводов этой теории было существование магнитного поля токов смещения, существование электромагнитных волн переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью. Позднее было доказано, что скорость распространения в вакууме свободного электромагнитного поля (не связанного токами) равна скорости света c=3·108 м/с. Этот вывод и теоретическое исследование свойств электромагнитных волн привели Максвелла к созданию электромагнитной теории света, согласно которой свет также является электромагнитными волнами. Электромагнитные волны были экспериментально получены Г. Герцем (1857 1894), который доказал, что законы их возбуждения и распространения полностью описываются уравнениями Максвелла. Таким образом, теория Максвелла получила блестящее экспериментальное подтверждение.

Заключение

Позже А. Эйнштейн установил, что принцип относительности Галилея для механических явлений применим ко всем другим физическим явлениям.

Согласно принципу относительности Эйнштейна, механические, оптические и электромагнитные явления во всех инерциальных системах отсчета происходят одинаково, то есть описываются одними и теми же уравнениями. Из этого принципа следует, что раздельное рассмотрение электрических и магнитных полей имеет относительный смысл. Таким образом, если электрическое поле создается системой стационарных зарядов, то эти заряды, будучи стационарными относительно одной инерциальной системы отсчета, перемещаются относительно другой и, следовательно, будут генерировать не только электрическое, но и магнитное поле. Аналогично, проводник постоянного тока, неподвижный относительно одной инерциальной системы отсчета, возбуждая постоянное магнитное поле в каждой точке пространства, 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, основанной на концепции электромагнитного поля.

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Реферат: Вклад Максвелла в электротехнику

Министерство образования РФ

Уральский государственный технический университет

Кафедра «Автоматизация технологических процессов и систем»

по дисциплине «История электротехники»

на тему: «Вклад Максвелла
в электротехнику»

студентка гр. 144 Л.В. Глушкова

Проверил: В.Л. Тимофеев

Динамическая теория электромагнитного поля. 6

Общие уравнения электромагнитного поля. 12

Электромагнитные волны. 14

Электромагнитная теория света. 15

Библиографический список. 18

Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня 1831г. в Эдинбурге, в семье юриста — обладателя поместья в Шотландии. В мальчике рано проявились любовь к технике и стремление постичь окружающий мир. Большое влияние на него оказал отец — высокообразованный человек, глубоко интересовавшийся проблемами естествознания и техники. В школе Максвелла увлекала геометрия, и первой его научной работой, выполненной в пятнадцать лет, было открытие простого, но не известного способа вычерчивания овальных фигур. Максвелл получил хорошее образование сначала в Эдинбургском, а затем в Кембриджском университетах.

В 1856 г. молодого, подающего надежды ученого приглашают на преподавательскую работу в качестве профессора колледжа шотландского города Абердина. Здесь Максвелл увлеченно работает над проблемами теоретической и прикладной механики, оптики, физиологии цветового зрения. Он блестяще решает загадку колец Сатурна, математически доказав, что они образованы из отдельных частиц. Имя ученого становится известным, и его приглашают занять кафедру в Королевском колледже в Лондоне. Лондонский период (1860-1865) был самым плодотворным в жизни ученого. Он возобновляет и доводит до завершения теоретические исследования по электродинамике, публикует фундаментальные работы по кинетической теории газов.

В 1871 г. Кембридский университет предлагает своему бывшему студенту возглавить вновь образованную кафедру экспериментальной физики с условием создания при ней научно-исследовательской лаборатории. До конца жизни (Максвелл скончался 5 ноября 1879 г.) всю свою энергию ученый отдает строительству и организации физической лаборатории, названной в честь Г. Кавендиша и ставшей впоследствии одной из самых знаменитых физических лабораторий мира.

Еще в студенческие годы Максвелл знакомится с «Экспериментальными исследованиями по электричеству» Фарадея, и этот труд захватывает его. Позднее он вспоминал: «Прежде чем начать изучение электричества, я принял решение не читать никаких математических работ по этому предмету до тщательного прочтения фарадеевских «Экспериментальных исследований по электричеству». Я был осведомлен, что высказывалось мнение о различии между фарадеевским методом понимания явлений и методами математиков, так что ни Фарадей, ни математики не было удовлетворены языком друг друга». Таким образом, Максвелл решил с самого начала не поддаваться гипнозу метематически совершенных работ А.-М. Ампера, Ф. Неймана и других представителей концепции дальнодействия электромагнитных сил. Он первым осознал глубину рассуждений Фарадея и интуитивно почувствовал в его идее о силовых линиях решение Проблем электродинамики. Почти всю свою творческую жизнь Максвелл планомерно, шаг за шагом, развивал идею о поле. На первом этапе исследований он убеждается в том, что теория дальнодействия не способна последовательно и непротиворечиво объяснить электромагнитные явления. Следуя Фарадею, Максвелл разрабатывает гидродинамическую модель силовых линий. Ши­роко пользуясь механическими аналогиями, он выражает извест­ные соотношения электродинамики на математическом языке, соответствующем механическим моделям Фарадея. Этот матема­тический аппарат он заимствует из работ ирландского матема­тика У. Р. Гамильтона. Основные результаты этого этапа иссле­дований отражены в первой большой работе Максвелла «О фарадеевских линиях сил», которая была написана в 1855 г., а опубликована позднее.

В дальнейшем на смену гидродинамическим приходят модели-аналоги теории упругости. Работая с такими понятиями, как натяжение, деформация, давление, вихри, Максвелл непостижи­мым для нас образом приходит к уравнениям поля, еще не при­веденным на данном этапе в единую систему. Рассматривая электрические явления в диэлектриках, он выдвигает гипотезу о токах смещения. В общем виде высказывается мысль о связи света с электротоническим состоянием (первоначально Максвелл пользуется этим термином Фарадея для обозначения поля). Этот этап работы отражен в труде «О физических линиях сил», кото­рый печатался по частям в течение 1861—1862 гг.

Заключительный этап электродинамических исследований Максвелла характеризуется синтезом электромагнетизма и опти­ки. Ученый приходит к ясному определению электромагнитного поля как вида материи, выражая все его проявления с помощью систем из двадцати уравнений. (Впоследствии О. Хевисайд и Г. Герц приведут систему уравнений Максвелла к более просто­му виду, принятому в наши дни.) На основании своей теории Максвелл решает и конкретные задачи: определяет показатель преломления тел (n =), рассчитывает коэффициенты само­индукции катушки и взаимной индукции двух круговых токов. Самому Максвеллу казалось, что он создал механику эфира — всепроникающей среды, которую можно принять за абсолютно неподвижную систему отсчета. Он, таким образом, стимулировал попытки ученых уловить «неподвижный эфир», предложив свою собственную идею опыта по его обнаружению. Опыт был осу­ществлен в 1887 г. А. Майкельсоном и Э. Морли и, как известно, дал отрицательный результат. Выход был найден А. Эйнштейном в специальной теории относительности, которая оказалась в пол­ном соответствии с электродинамикой Максвелла. Ученый, исхо­дя из уравнений поля, предсказал существование поперечных электромагнитных волн, распространяющихся по скоростью све­та. Этот завершающий этап был отражен в работе «Динами­ческая теория электромагнитного поля», изданной в 1864 г. Итог работы Максвелла по электродинамике подвел его знаменитый «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873).

При жизни Максвелла его теория не получила всеобщего признания: она считалась непонятной, математически нестрогой логически необоснованной. Лишь после работ Г. Герца, доказавшего существование электромагнитных волн, и опытов П. Н. Ле­бедева, в которых было измерено давление света, предсказанное Максвеллом, его теория завоевала признание среди ученых.

Электромагнитное поле — это та часть пространства, кото­рая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электриче­ском или магнитном состоянии.

Это пространство может быть наполнено любым родом мате­рии, или мы можем попытаться удалить из нее всю плотную ма­терию, как в трубках Гейсслера или в других, так называемых вакуумных трубках. Однако всегда имеется достаточное количе­ство материи для того, чтобы воспринимать и передавать волно­вые движения света и тепла. И так как передача излучений не слишком сильно изменяется, если так называемый вакуум заме­нить прозрачными телами с заметной плотностью, то допускается, что эти волновые движения относятся к эфирной субстанции, а не к плотной материи, присутствие которой только в какой-то мере изменяет движение эфира.

Поэтому имеется некоторое основание предполагать, исходя из явлений света и тепла, что имеется какая-то эфирная среда, заполняющая пространство и пронизывающая все тела, которая обладает способностью приводиться в движение, передавать это движение от одной своей части к другой и сообщать это движе­ние плотной материи, нагревая ее и воздействуя на нее разнооб­разными способами.

Энергия, сообщенная телу нагреванием, должна была ра­нее существовать в движущейся среде, ибо волновые движения оставили источник тепла за некоторое время до того, как они достигли самого нагреваемого тела, и в течение этого времени энергия должна была существовать наполовину в форме движе­ния среды и наполовину в форме упругого напряжения. Исходя из этих соображений, профессор В. Томсон доказал, что эта сре­да должна обладать плотностью, сравнимой с плотностью обыч­ной материи, и даже определил нижнюю границу этой плотности.

Поэтому мы можем как данное, выведенное из отрасли науки, независимой от той, с которой мы (в рассматриваемом случае) имеем дело, принять существование проникающей среды, обладающей малой, но реальной плотностью и способностью приводиться в движение и передавать движения от одной части к другой с большой, но не бесконечной скоростью.

Следовательно, части этой среды должны быть так связаны, что движение одной части каким-то способом зависит от движе­ния остальных частей, и в то же время эти связи должны быть способны к определенному роду упругого смещения, поскольку сообщение движения не является мгновенным, а требует времени.

Поэтому эта среда обладает способностью получать и сохра­нять два вида энергии, а именно: «актуальную» энергию, завися­щую от движения ее частей, и «потенциальную» энергию, представ­ляющую собой работу, которую среда выполнит вследствие своей упругости, возвращаясь к первоначальному состоянию, после того смещения, которое она испытала.

Распространение колебаний состоит в непрерывном преобра­зовании одной из этих форм энергии в другую попеременно, и в любой момент энергия во всей среде разделена поровну, так что половина энергии является энергией движения, а другая полови­на — энергией упругого напряжения.

Среда, имеющая такого рода структуру, может быть спо­собна к другим видам движения и смещения, чем те, которые обусловливают явления света и тепла; некоторые из них могут быть таковы, что они воспринимаются нашими чувствами при посредстве тех явлений, которые они производят.

Сейчас мы знаем, что светоносная среда в отдельных слу­чаях испытывает действие магнетизма, так как Фарадей открыл, что когда плоскополяризованный луч проходит через прозрач­ную диамагнитную среду в направлении магнитных силовых ли­ний, образуемых магнитами или токами, то плоскость поляриза­ции начинает вращаться.

Это вращение всегда происходит в том направлении, в кото­ром положительное электричество должно проходить вокруг диамагнитного тела для того, чтобы образовать действующее маг­нитное поле.

Верде с тех пор открыл, что если заменить диамагнитное тело парамагнитным, например раствором треххлористого железа в эфире, то вращение происходит в обратном направлении.

Профессор В. Томсон указал, что никакое распределение сил, действующих между частями какой-либо среды, единственным движением которой является движение световых колебаний, не­достаточно для объяснения этих явлений, но что должно до­пускаться существование в среде движения, зависящего от намаг­ничивания, в дополнение к тому колебательному движению, кото­рое представляет собой свет.

Совершенно правильно, что вращение плоскости поляризации вследствие магнитного воздействия наблюдалось только в сре­дах, обладающих заметной плотностью. Но свойства магнитного поля не так уж сильно изменяются при замене одной среды дру­гой или вакуумом, чтобы допустить, что плотная среда делает нечто большее, чем простое изменение движения эфира. Поэтому имеем ставтся вопрос: не проис­ходит ли движение эфирной среды везде, где бы ни наблюдались магнитные эффекты? Предполагается, что это движение является движением вращения, име­ющим своей осью направление магнитной силы.

Рассмотрим другое явление, наблюдаемое в электромагнитном поле. Когда тело движется, пересекая линии магнитной силы, оно испытывает то, что называют электродвижу­щей силой; два противоположных конца тела электризуются противоположно, и электрический ток стремится пройти через тело. Когда электродвижущая сила достаточно велика и действу­ет на некоторые химически сложные тела, она их разлагает и за­ставляет одну из компонент направляться к одному концу тела, а другую — в противоположную сторону.

В данном случае имеется очевидное проявление силы, вызы­вающей электрический ток вопреки сопротивлению и электризу­ющей концы тела противоположным образом. Это особое состоя­ние тела поддерживается только воздействием электродвижущей силы, и, как только эта сила устраняется, оно стремится с рав­ной и противоположно направленной силой вызывать обратный ток через тело и восстановить его первоначальное электрическое состояние. Наконец, если эта сила достаточно велика, она раз­лагает химические соединения и перемещает компоненты в двух противоположных направлениях, в то время как их естественной тенденцией является тенденция к взаимному соединению с такой силой, которая может породить электродвижущую силу обратно­го направления.

Эта сила, следовательно, является силой, воздействующей на тело вследствие его движения через электромагнитное поле или вследствие изменений, возникающих в самом этом поле. Действие этой силы проявляется или в порождении тока и нагревании тела, или в разложении тела, или если она не может сделать ни того, ни другого, то в приведении тела в состояние электрической поляризации — состояние вынужденное, при котором концы тела наэлектризованы противоположно и от которого тело стремится освободиться, как только будет удалена возмущающая сила.

Согласно предлагаемой теории, эта электродвижу­щая сила является силой, возникающей при передаче движения от одной части среды к другой, так что именно благодаря этой силе движение одной части вызывает движение другой. Когда электродвижущая сила действует вдоль проводящего контура, она производит ток, который в том случае, если он встречает сопротивление, вызывает постоянное превращение электрической энергии в тепло; последнее уже нельзя восстановить в форме электрической энергии каким-либо обращением процесса.

Но когда электродвижущая сила действует на диэлектрик, она создает состояние поляризации его частей, которое аналогич­но поляризации частей массы железа под влиянием магнита и которое, подобно магнитной поляризации, может быть описано как состояние, в котором каждая частица имеет противополож­ные концы в противоположных состояниях.

В диэлектрике, находящемся под действием электродвижущей силы, мы можем представлять, что электричество в каждой мо­лекуле так смещено, что одна сторона молекулы делается поло­жительно наэлектризованной, а другая — отрицательно наэлек­тризованной, однако электричество остается полностью связан­ным с молекулами и не переходит от одной молекулы к другой. Эффект этого воздействия на всю массу диэлектрика выражается в общем смещении электричества в определенном направлении. Это смещение не равноценно току, потому что, когда оно дости­гает определенной степени, то остается неизменным, но оно есть начало тока и его изменения образуют токи в положительном или отрицательном направлениях сообразно тому, увеличивается или уменьшается смещение. Внутри диэлектрика нет признаков ка­кой-либо электризации, так как электризация поверхности любой молекулы нейтрализуется электризацией поверхности молекулы, находящейся в соприкосновении с ней. На граничной поверхнос­ти диэлектрика, где электризация не нейтрализуется, мы обна­руживаем явления, указывающие на положительную или отри­цательную электризацию этой поверхности.

Отношение между электродвижущей силой и электрическим смещением, которое она вызывает, зависит от природы диэлек­трика, причем та же самая электродвижущая сила обычно про­изводит большее электрическое смещение в твердых диэлектри­ках, например в стекле или сере, чем в воздухе.

Здесь, таким образом, усматривается еще один эффект электродвижущей силы, а именно электрическое смещение, кото­рое, согласно теории, является некоторым родом упругой податливости действию силы, похожей на ту, которая имеется в сооружениях и машинах из-за неполной жесткости связей.

Практическое исследование индуктивной емкости диэлек­триков делается затруднительным вследствие двух мешающих явлений. Первое заключается в проводимости диэлектрика, кото­рая, будучи во многих случаях исключительно малой, тем не ме­нее не является совершенно неощутимой. Второе — явление, назы­ваемое электрической абсорбцией и состоящее в том, что, когда диэлектрик подвергается воздействию электродвижущей силы, электрическое смещение постепенно увеличивается, а если элек­тродвижущая сила устраняется, диэлектрик не возвращается моментально в свое первоначальное состояние, но разряжает только часть сообщенной ему электризации и, предоставленный самому себе, постепенно приобретает электризацию на своей по­верхности, тогда как внутренность диэлектрика постепенно деполяризуется. Почти все твердые диэлектрики обнаруживают это явление, которое объясняет остаточный заряд лейденской банки и некоторые явления в электрических кабелях, описанных Ф. Дженкином.

Встречаемся здесь с двумя другими родами податли­вости, отличными от упругости идеального диэлектрика, которую сравнивали с идеально упругим телом. Податливость, отно­сящуюся к проводимостям, можно сравнить с податливостью вязкой жидкости (иначе говоря, жидкости, имеющей большое внутреннее трение) или мягкого тела, в котором малейшая сила производит постоянное изменение формы, увеличивающееся вместе со временем действия силы. Податливость, связанная с явлением электрической абсорбции, может быть сравнена с по­датливостью упругого тела клеточной структуры, содержащего густую жидкость в своих полостях. Такое тело, подвергнутое давлению, сжимается постепенно, а когда давление устраняется, тело не сразу принимает свою прежнюю форму, потому что упру­гость материи тела должна постепенно преодолеть вязкость жид­кости, прежде чем восстановится полное равновесие. Некоторые твердые тела, хотя и не имеют той структуры, о которой говорилось выше, обнаруживают механические свойства такого рода, и вполне возможно, что эти же самые вещества в качестве диэлектриков обладают аналогичными электрическими свойства­ми, а если они являются магнитными веществами, то обладают соответствующими свойствами, относящимися к приобретению, удерживанию и потере магнитной полярности.

Поэтому кажется, что некоторые явления электричества и магнетизма приводят к тем же заключениям, как и оптические явления, а именно: что имеется эфирная среда, проникающая во все тела и изменяемая только в некоторой степени их присутст­вием; что части этой среды обладают способностью быть приве­денными в движение электрическими токами и магнитами; что это движение сообщается от одной части среды к другой при по­мощи сил, возникающих от связей этих частей; что под дейст­вием этих сил возникает определенное смещение, зависящее от упругости этих связей, и что вследствие этого энергия в среде может существовать только в двух различных формах, одна из которых является актуальной энергией движения частей среды, а другая — потенциальной энергией, обусловленной связями частей в силу их упругости.

Отсюда пришли к концепции сложного механизма способного к обширному разнообразию движений, но в то же самое время связанного так, что движение одной части зависит согласно определенным отношениям, от движения других частей, причем эти движения сообщаются силами, возникающими из от­носительного смещения связанных между собой частей вслед­ствие упругости связей. Такой механизм должен подчиняться общим законам динамики, и мы должны вывести все следствия этого движения, предполагая, что известна форма отношения между движениями частей.

В эти уравнения электромагнитного поля входят 20 перемен­ных величин, а именно:

Для электромагнитного количества движения ……………….F, G, H

¨ магнитной интенсивности [напряженности] …….

¨ электродвижущей силы ……………………………P, Q, R

¨ тока, обусловленного (истинной) проводимостью .p, q, r

¨ электрического смещения …………………………f, g, h

¨ полного тока (включая изменения смещения) ……p‘, q‘, r ‘

¨ количества свободного электричества ……………….е

¨ электрического потенциала ……………………………

Между этими 20-ю переменными величинами нашли 20 уравнений, а именно:

Уравнения Максвелла как обобщение экспериментальных данных

Вы будете перенаправлены на Автор24

Основой электродинамики в неподвижных средах является система уравнений Дж Максвелла. Эти уравнения получены последовательной систематизацией, интеграцией и исследованием эмпирических фактов. Прежде всего, необходимо решить, какие из известных ранее уравнений могут быть оставлены без изменений и оговорок, какие из них требуют обобщения, трансформации или вообще требуется отбросить. В качестве ориентира в этом отношении используют следующее положение: исключаются из состава основных все уравнения, в основе которых лежат представления о непосредственном действии на расстоянии. К таким законам относят, например, закон Кулона, Био и Савара. Эти законы не совмещаются с пониманием того, что электромагнитные взаимодействия распространяются с конечной скоростью, следовательно, не являются верными в абсолютно всех случаях. Сохраняют только те уравнения, которые не противоречат положениям теории поля.

В качестве гипотезы предполагается, что теорема Остроградского — Гаусса:

уравнение:

закон электромагнитной индукции (в формулировке Максвелла):

являются общими законами электродинамики. То, что они удовлетворяют требованиям теории поля, следует из существования этих же законов в дифференциальной (полевой) трактовке:

К основным уравнениям электродинамики добавляют закон сохранения заряда, который в дифференциальной форме представлен как:

В случае стационарности электромагнитного поля выражение (5) переходит в:

Теорема о циркуляции:

может быть также записана в дифференциальной форме:

следовательно, удовлетворяет требованиям теории поля. Тем не менее, она не входит в состав основных уравнений электродинамики. Если в выражении (8) провести операцию дивергенции для обеих частей равенства, то получим, что $div\overrightarrow=0$, так как $div(rot\overrightarrow=0$. Однако, выражение (6) справедливо только для стационарных токов. Получается, что мы получено противоречие с уравнением (5) для общего случая. Полагать, что не выполняется закон (5) нельзя, так как это фундаментальный закон сохранения заряда. Значит, следует сделать вывод, что выражения (7) и (8) требуют обобщения. Это обобщение вводится в виде тока смещения. Плотность тока смещения ($\overrightarrow>$) определена как:

Готовые работы на аналогичную тему

Максвелл назвал плотностью полного тока выражение $\ \overrightarrow+\overrightarrow>$ , причем:

Максвелл переписал выражение (8) в виде:

Доказательством истинности уравнения (11) служат опытные данные, которые подтверждают уравнение (11).

Итак, Максвелл дополнил основные положения электромагнетизма введением токов смещения и написал систему фундаментальных уравнений электродинамики. В настоящее время их четыре. В дифференциальной форме эта система имеет вид:

В число фундаментальных уравнений не включено уравнение непрерывности (5), так как это уравнение — следствие уравнений, которые входят в систему Максвелла.

Уравнения Максвелла показывают, что источниками электрического поля служат электрические заряды и переменные магнитные поля. Магнитные поля порождаются перемещающимися электрическими зарядами (токами) и переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не являются симметричными относительно магнитного и электрического полей. Это произошло вследствие того, что электрические заряды в природе существуют, а магнитных зарядов считается, что не существует. Дирак, в свое время, стремясь придать уравнениям электродинамики симметрию, выдвинул гипотезу о существовании магнитных зарядов, назвал их единичными магнитными полюсами (монополиями). Логических противоречий этой гипотезе нет. Существование таких зарядов потребовало бы обобщения уравнений Максвелла. Потребовалось бы к источникам магнитного поля добавить магнитные заряды, а к источникам электрических полей — магнитные токи. При этом справедливость уравнений Максвелла была бы ограничена областями, в которых магнитных зарядов и магнитных токов нет. Однако попытки экспериментального обнаружения магнитных зарядов по сей день успехом не увенчались.

Рассуждения, с помощью которых получена система уравнений Максвелла, не может служить доказательством. Принципиально новые положения старая теория никогда не содержит. В этом смысле нельзя вывести уравнения Максвелла логически. Данные уравнения следует рассматривать как основные аксиомы электродинамики, которые получены путем обобщения эмпирических данных.

Задание: Объясните, в чем разница между пониманием явления электромагнитной индукции Максвеллом и Фарадеем?

Решение:

Согласно представлениям Фарадея, электромагнитная индукция состоит в том, что переменное магнитное поле возбуждает электрический ток. Для того чтобы наблюдать это явление, обязательно требуется замкнутый проводник.

Максвелл видел суть электромагнитной индукции прежде всего в порождении электрического поля, следовательно, это явление можно наблюдать, когда в пространстве нет проводников вообще. И возникновение электрического тока в проводнике — одно из проявлений электрического поля, которое появляется как следствие изменения магнитного поля. Это поле может выполнять и другие действия, например, поляризовать диэлектрик, ускорять заряженные частицы. Предположение Максвелла подтверждают эксперименты, которые показывают, что ЭДС индукции не зависит от рода и состояния проводника (его температуры, однородности). Это показывает, что причиной возникновения ЭДС заключается в появлении электрического поля под действием переменного магнитного поля, и проводник играет второстепенную роль и является детектором поля.

Важная особенность явления в том, что появляющееся электрическое поле не является электростатическим. Электрическое поле, которое появляется при электромагнитной индукции, имеет непрерывные линии напряженности (обладает вихревым характером). Циркуляция вектора напряженности в таком поле отлично от нуля зависит от формы проводящего контура. Углубленное истолкование явления электромагнитной индукции ведет к основному положению теории Максвелла о том, что переменное магнитное поле вызывает появление вихревого электрического поля. Что количественно отображается в уравнении:

Задание: Что представляет собой система уравнений Максвелла для стационарных полей?

Решение:

В том случае, если мы рассматриваем стационарное магнитное и стационарное электрическое поля, то следует учесть, что:

В таком случае, система уравнений Максвелла распадется на две группы независимых уравнений. Первая группа — уравнения электростатики:

\[rot\overrightarrow=0,\ div\overrightarrow=\rho \ \left(2.2\right).\]

Вторая группа — уравнения магнитостатики:

\[rot\overrightarrow=\overrightarrow,\ div\overrightarrow=0\ \left(2.3\right).\]

В случае стационарных полей электрическое и магнитное поля независимы друг от друга. Источниками электрического поля являются только электрические заряды, источники магнитного поля — токи проводимости.

Получи деньги за свои студенческие работы

Курсовые, рефераты или другие работы

Автор этой статьи Дата последнего обновления статьи: 01 03 2021