§3 Электромагнитное движение материи

Под электромагнитным движением понимают изменение с течением времени состояния системы электрически заряженных частиц или электромагнитного поля.

Упорядоченное движение заряженных частиц называют электрическим током. Различают постоянный, пульсирующий и переменный электрический ток. Особенности постоянного электрического тока описываются законом Ома. Закон Ома в дифференциальной форме имеет вид: , где - удельная электрическая проводимость среды, а величина - удельное электрическое сопротивление среды.

Этот закон выводится в классической электронной теории электропроводности металлов при следующих двух предположениях:

а) концентрация n₀ электронов проводимости не зависит от напряженности электрического поля в проводнике;

б) средняя скорость упорядоченного движения электронов проводимости, приобретаемая ими под действием электрического поля во много раз меньше средней арифметической скорости их теплового движения.

Для средней скорости упорядоченного движения электронов проводимости в классической электронной теории получают , где m₀ – масса электрона, - средняя длина свободного пробега, - средняя арифметическая скорость теплового движения электронов, е – абсолютная величина заряда электрона.

В произвольной точке участка проводника, содержащего источник электрической энергии, существует электростатическое поле кулоновских сил с напряженностью и поле сторонних сил с напряженностью . Напряженность результирующего поля . По закону Ома плотность тока .

Для участка цепи между точками (сечениями) 1 и 2: ; ; , где - вектор, равный по модулю длине малого участка цепи и направленный по касательной к проводнику в ту же сторону, что и вектор плотности тока; S – плотность поперечного сечения проводника; I=jS - сила тока. , где и - потенциал в точках 1 и 2 проводника.

- электродвижущая сила (ЭДС), действующая на участке цепи 1-2. Электродвижущая сила численно равна работе, совершаемой сторонними силами при перемещении по проводнику единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2. Работа производится за счет энергии, затрачиваемой в источнике. Поэтому называют электродвижущей силой источника электрической энергии, включенного на участке цепи 1-2.

Физическую величину, численно равную работе, совершаемой результирующим полем кулоновских и сторонних сил при перемещении вдоль цепи из точки 1 в точку 2 единичного положительного заряда называют напряжением:

или

.

Напряжение на концах участка цепи совпадает с разностью потенциалов только в том случае, если на участке не действуют сторонние силы -сопротивление участка цепи между сечениями 1 и 2. Для однородного проводника постоянного сечения , и , где - длина проводника между сечениями 1 и 2.Обобщенный закон Ома для произвольного участка цепи: .

Если внутри источника ток идет от катода к аноду, т.е. напряженность поля сторонних сил в источнике совпадает по направлению с током на участке цепи, то ЭДС этого источника считается положительной. Если ток внутри источника идет от анода к катоду, то ЭДС этого источника считается отрицательной.

В неразветвленной замкнутой электрической цепи сила тока во всех сечениях одинакова, а сама цепь является участком с совпадающими концами (точки 1 и 2 совпадают). В такой цепи φ₁= φ₂ и ₀ - общее сопротивление всей цепи. Закон Ома для замкнутой электрической цепи , где - алгебраическая сумма всех ЭДС, приложенных в цепи.

Если замкнутая цепь состоит из источника электрической энергии с ЭДС и внутренним сопротивлением , а сопротивление внешней части цепи равно , то закон Ома имеет вид: . Разность потенциалов на клеммах источника равна . Если цепь разомкнута, то электрического тока в ней нет , а разность потенциалов на клеммах источника равна его ЭДС:

.

Вольтметр, подключенный параллельно участку 1-2 электрической цепи постоянного тока, измеряет разность потенциалов на концах этого участка, а не напряжение. Это следует из обобщенного закона Ома, записанного для участка цепи вольтметра, на котором нет ЭДС.

Расчет сложных (разветвленных) цепей состоит в отыскании токов в различных участках таких цепей по заданным сопротивлениям участков цепи и приложенных в них ЭДС. Для этого успешно применяются правила Кирхгофа (правило узлов и правило контуров).

Правило узлов: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна 0: .Узлом называется точка разветвленной цепи, в которой сходится более двух проводников. Положительными считаются токи, подходящие к узлу, отрицательными – токи, отходящие от узла.

Второе правило Кирхгофа (правило контуров): в любом замкнутом контуре, произвольно выбранном в разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме ЭДС в контуре: , где - число отдельных участков, на которые контур разбивается узлами, - число источников тока в рассматриваемом контуре.

Для применения второго правила Кирхгофа выбирается определенное направление обхода контура (по ходу часовой стрелки или против него). Положительными считаются токи, направление которых совпадает с направлением обхода контура.

Электрический ток в электролитах сопровождается явлением электролиза – выделением на электродах составных частей растворенных веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах.

В соответствии с первым законом Фарадея (электролиза) масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду , прошедшему через электролит: ,если через электролит пропускается в течение времени постоянный ток с силой . Коэффициент пропорциональности называется электрохимическим эквивалентом вещества.

Второй закон Фарадея (второй закон электролиза): электрохимические эквиваленты различных веществ относятся как их химические эквиваленты , т.е. . Химическим эквивалентом тока называется отношение молярной массы тока к его валентности : , где - постоянная Фарадея.

Объединенный закон Фарадея (объединенный закон электролиза) имеет вид: .

Для поддержания в цепи постоянного тока необходимо совершать работу. Энергия электрического тока в проводнике непрерывно преобразуется в другие виды энергии. Действительно, опыт показывает, что проводник, по которому течет ток, нагревается, и в нем выделяется некоторое количество тепла Q. Если при этом не возникает никаких других видов энергии (химической, механической и т.д.), то по закону сохранения энергии или .Это и есть закон Джоуля-Ленца.

В 1831 г. Фарадей установил, что во всяком замкнутом проводящем контуре при изменении потока через поверхность, ограниченную этим контуром, возникает электрический ток, который называется индукционным. Возникновение в контуре индукционного электрического тока свидетельствует о возникновении индукционного электрического поля. Это явление называют явлением электромагнитной индукции. Его проявление не зависит от способа изменения потока магнитной индукции и может быть осуществлено (продемонстрировано) различными способами. Легко показать, что ЭДС индукции в СИ. Оказывается, что ЭДС электромагнитной индукции возникает не только в замкнутом проводнике, но и в отрезке проводника, пересекающем при своем движении линии магнитной индукции, а также в сплошных массивных проводниках (токи Фуко).

Электрический ток I, текущий в любом контуре, создает пронизывающий этот контур магнитный поток Ф_В. При изменениях I будет изменяться также Ф_В и, следовательно, в контуре будет индуцироваться ЭДС. Это явление называется самоиндукцией. Можно записать, что в этом случае магнитный S – поток будет равен: Ф_В=Li, где L – индуктивность контура. Единицей измерения индуктивности в СИ является генри (Гн): . L зависит от геометрии контура (т.е. его формы и размеров) и от магнитных свойств (от µ) окружающей среды.

Я вление электромагнитной индукции позволяет преобразовать энергию механического движения в энергию электрического тока. Так при вращении рамки в однородном магнитном поле (B=const) с угловой скоростью (рис. 18) в ней возникает ЭДС индукции: , где площадь рамки, - амплитудное значение ЭДС, которая изменяется по величине и направлению.

Электрический ток, создаваемый этой ЭДС, называется переменным электрическим током. Такая вращающаяся рамка представляет собой

простейшую модель генератора переменного тока.

Для электрической цепи, схема которой приведена на рисунке 19,

. Из рисунка 20 следует что, или ,откуда .

Это закон Ома для участка цепи переменного тока.

0

Сила переменного тока . При этом . При электрический ток опережает напряжение по фазе на величину φ.

В электрической цепи, содержащей катушку индуктивности (индуктивность) и конденсатор, могут возникать электромагнитные колебания. Такая цепь называется колебательным контуром (рис.21). Свободные электромагнитные колебания в идеальном колебательном контуре описываются дифференциальным уравнением . Решение этого уравнения имеет вид: . Заряд на обкладках конденсатора изменяется по гармоническому закону с частотой . Эта частота называется собственной частотой контура. Период

этих колебаний . Зная q, можно определить и напряжение на конденсаторе: , где U_m=. Электрический ток в колебательном контуре изменяется по закону , где .

Всякий реальный контур обладает активным сопротивлением (рис.22). .- дифференциальное уравнение свободных затухающих электромагнитных колебаний. ; Пусть ; .

Тогда . Решением этого уравнения является уравнение: . Это уравнение затухающих колебаний. Частота затухающих колебаний меньше частоты собственных колебаний , а >.

Для получения незатухающих колебаний необходимо извне подводить энергию, компенсирующую потери на “джоулево” тепло. Для осуществления таких колебаний необходимо включить в колебательный контур источник переменного напряжения. Такие колебания называются вынужденными.

Дж. Максвелл предположил, что изменяющееся со временем магнитное поле обусловливает появление в пространстве электрического поля (независимо от присутствия в этом пространстве проводящего контура). Наличие контура лишь позволяет обнаружить существование в соответствующих точках пространства электрического поля по возникновению в нем индукционного тока. Таким образом, по идее Дж. Максвелла, изменяющееся со временем магнитное поле порождает изменяющееся электрическое поле и наоборот. Эти поля оказываются неразрывно связанными друг с другом: они образуют единое электромагнитное поле.

В окружающем пространстве возникает последовательность взаимных превращений электрического и магнитного полей, распространяющихся от одной точки к другой точке. Этот процесс будет периодическим во времени и пространстве и, следовательно, представляет электромагнитную волну.

Электромагнитная волна представляет собой поперечную волну, в которой вектора и перпендикулярны друг к другу и в свою очередь перпендикулярны к направлению ее распространения () (рис.23).

В распространяющейся волне колебания электрических и магнитных полей совершаются в одинаковых фазах. Расстояние между двумя точками, колебания в которых отличаются по фазе на 2π (например, между двумя соседними максимумами), называется длиной электромагнитной волны. Она равна расстоянию, на которое распространяется волна за время одного периода колебаний:.

Из уравнений Максвелла следует, что скорость электромагнитной волны в вакууме равна (~3·10⁸ ), а в любой среде , где - показатель преломления среды.

Развитие учения об электромагнитном поле привело к установлению электромагнитной теории света, согласно которой свет представляет собой электромагнитные волны, распространяющиеся в вакууме со скоростью .

В электромагнитной волне “колеблются” два вектора и . Уравнения плоской электромагнитной волны имеют вид: ; . Опыт показывает, что физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора . Этот вектор называют световым вектором и при расчетах пользуются только первым соотношением, т.е. . Соответствующие видимому свету электромагнитные волны имеют длину в интервале от 0,40 до 0,76 мкм. .

Спектр электромагнитных волн не ограничивается этим участком. Поэтому возникает вопрос, что наиболее характерно для оптики как науки. Это наиболее характерное состоит в том, что в оптических методах практически всегда имеет место то или иное образование изображений, которое достигается с помощью определенных оптических систем из зеркал, линз, призм и т.д. В настоящее время под словом “свет” в широком смысле этого слова подразумеваются электромагнитные волны с длинами волн в диапазоне: 0,1Å- 1см (1Å=10^-10м).

В обычных условиях в пространстве распространяется одновременно бесчисленное множество световых волн от различных источников излучения или волн, отраженных и рассеянных поверхностями предметов. Электромагнитные волны распространяются независимо друг от друга (принцип независимости световых лучей)

Ни глаз, ни какой-либо иной приемник световой энергии не может уследить за такими частыми изменениями энергии, и поэтому они регистрируют усредненный по времени световой поток. Среднее по времени значение светового потока называется интенсивностью света. Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световой волны А:.

Пусть две волны одинаковой частоты, накладываясь друг на друга, возбуждают в некоторой точке пространства колебания одинакового направления: и , где ;. Сложение этих колебаний можно произвести методом векторных диаграмм (рис. 24).

Амплитуда результирующего колебания в данной точке определяется потеореме косинусов : .

Если разность фаз () возбуждаемых волнами колебаний остается постоянной во времени, то волны называются когерентными. Источники таких волн также называются когерентными. В случае некогерентных волн () непрерывно изменяется.

Среднее по времени значение .В этом случае . Это значит, что интенсивность, наблюдаемая при наложении некогерентных волн, равна сумме интенсивностей, создаваемых каждой из волн в отдельности: .

В случае же когерентных волн имеет постоянное во времени для каждой точки пространства значение. Тогда . В тех точках пространства, для которых , . Если же , то . Таким образом, при наложении когерентных световых волн происходит перераспределение светового потока в пространстве, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других – минимумы интенсивности. Это явление называется интерференцией волн. Особенно отчетливо проявляется интерференция в том случае, когда интенсивность обеих интерферирующих волн одинакова (): . Для некогерентных волн в этом случае .

Огибание волнами препятствий, размеры которых сравнимы с длиной волны, называют дифракцией. Дифракция – это проникновение света в область геометрической тени. Явление дифракции может быть объяснено с помощью принципа Гюйгенса: Каждую точку фронта волны можно рассматривать как источник новых вторичных сферических волн.

Однако принцип Гюйгенса не дает никаких указаний об амплитуде, а, следовательно, и об интенсивности волн, распространяющихся в различных направлениях. Этот недостаток был устранен Френелем (1818 год), который дополнил принцип Гюйгенса представлением об интерференции вторичных волн.

Согласно идее Френеля, вторичные полусферические элементарные волны являются когерентными и при поиске в некоторой точке экрана результирующей интенсивности необходимо учесть интерференцию всех этих вторичных волн. Измененный таким образом принцип Гюйгенса называют принципом Гюйгенса-Френеля.

На основе принципа Гюйгенса-Френеля можно дать объяснение всем явлениям дифракции, а также объяснить с волновой точки зрения прямолинейное распространение света при неограниченном фронте световой волны.

Вопросы для самоконтроля:

1.Что понимают под электромагнитным движением материи?

2.Какие выделят виды электромагнитного движения?

3.В чем отличие закона Ома в дифференциальной форме для однородного и неоднородного участка цепи?

4.В чем отличие закона Ома в интегральной форме для однородного и неоднородного участка цепи?

5.Какой электрический ток называют индукционным, при каких условиях он возникает?

6.Какой электрический ток называют переменным, при каких условиях он возникает?

7.Какое электромагнитное движение называют электромагнитным колебанием?

8.Каким дифференциальным уравнением описываются незатухающие электромагнитные колебания?

9.Каким дифференциальным уравнением описываются незатухающие электромагнитные колебания?

10.Какое электромагнитное движение называют электромагнитной волной?

11.Какое явление называют дифракцией электромагнитных волн?

12. Какое явление называют интерференцией электромагнитных волн?