חזרה על הנושא "תופעות אלקטרומגנטיות" (Grebenyuk Yu.V.). נוסחאות יסוד בפיזיקה - חשמל ומגנטיות נוסחאות תופעות אלקטרומגנטיות

תופעות אלקטרומגנטיות נחקרו מאז תקופת פאראדיי. עם זאת, האינטראקציה של נוזלים מוליכים חשמלית ו חַשׁמַלִי שדה מגנטימשך תשומת לב רק ל השנים האחרונות. הדחף העיקרי לחקר התופעות הללו היה האסטרופיזיקה. כְּבָר שנים ארוכותההנחה היא שרוב החומר ביקום נמצא במצב של גז מיונן מאוד או פלזמה. המידע העיקרי בתחום הדינמיקה האלקטרומגנטית התקבל כתוצאה ממחקר אסטרופיזי.

תפקידן של תופעות אלקטרומגנטיות בפיזיקה

בפיזיקת החלל, התפקיד העיקרי שייך לתופעות אלקטרומגנטיות, שכן בחלל קיימים שדות מגנטיים המשפיעים ישירות על תנועתם של חלקיקים טעונים. כוחות אלקטרומגנטיים בתנאים מסוימים גדולים פי כמה מכוחות הכבידה.

לראשונה, תופעות אלקטרומגנטיות שימשו להעברת מידע. טלגרפיה נוצרה במאה ה-19. המהות שלו הייתה פשוטה מאוד: כל הודעה המורכבת מספרים ואותיות יכולה להיות מועברת באמצעות סט של תווים, כלומר, ההודעה מקודדת.

כל התופעות האלקטרומגנטיות כפופות לחוקים מסוימים המאפיינים את הצורה האלקטרומגנטית של תנועת החומר, השונה מהותית מזו המכנית. בְּ מכשירים אלקטרונייםתופעות אלקטרומגנטיות מתוארות על ידי קשרים מורכבים ומאופיינות בכמויות התלויות בקואורדינטות מרחביות ובזמן. אבל תיאור כזה נרחב מדי במחקר של מכשירים אלקטרוניים מורכבים.

תופעות אלקטרומגנטיות לא נחשבו לאוטונומיות. הודות למאמצים של מדענים רבים, תופעות אלו הצטמצמו לכדי מכניות. חקר המכניקה והתופעות האלקטרומגנטיות הובילו להיווצרות תורת היחסות: כאן המרחב והזמן הארבע-ממדיים היו מיוצגים על ידי סעפת יחידה, וחלוקתו למרחב ולזמן הייתה מותנית.

התכונה העיקרית של תופעות אלקטרומגנטיות במערכת נקבעת על ידי השינוי במאפיינים של חלקי עבודה, כאשר עוברים מחלק עבודה אחד לאחר. ריקים ראשוניים היו פרומגנטיים לחלוטין, בעוד השאר היו פרומגנטיים חלקית או לא מגנטיים בכלל.

חקר תופעות אלקטרומגנטיות דרש עבודה רציפה ארוכה ומתח של הדמיון. על מנת לפתח הבנה חומרית נכונה של תהליכים, יש צורך להיות מונחה כל הזמן על ידי הספרות הסובייטית על פיזיקה. בתהליך חקר תופעות אלקטרומגנטיות, נקבע שתמיד קיים שדה מגנטי סביב הזרם החשמלי. השדה והזרם החשמלי אינם ניתנים להפרדה זה מזה.

התרומה הגדולה ביותר לפיתוח התיאוריה של תופעות אלקטרומגנטיות נעשתה על ידי מקסוול ופאראדיי. רק לאחר שמקסוול יצר את תורת השדה האלקטרומגנטי נאמר על יצירת תמונת העולם האלקטרומגנטית. המדען פיתח את התיאוריה של השדה האלקטרומגנטי המבוססת על אינדוקציה אלקטרומגנטית, שהתגלתה על ידי פאראדיי. הוא, בתורו, ערך ניסויים במחט מגנטית והגיע למסקנה שסיבוב המחט נובע ממצב מיוחד של הסביבה, ולא ממטענים חשמליים במוליך. לאחר מכן, המדען מציג את המושג שדה, כמערכת של קווים מגנטיים שחודרים לחלל ומסוגלים לזהות ולכוון זרם חשמלי.

התיאוריה של השדה האלקטרומגנטי, שנוצרה על ידי מקסוול, מסתכמת בעובדה ששדה מגנטי משתנה גורם להופעת שדה חשמלי מערבולת לא רק בגופים הסובבים, אלא גם בוואקום. תיאוריה זו הפכה לשלב חדש בהתפתחות המדע הפיזיקלי. בהתאם לה, העולם כולו הוא מערכת אלקטרודינמית, המורכבת מחלקיקים טעונים המקיימים אינטראקציה זה עם זה באמצעות שדה אלקטרומגנטי.

מטענים חשמליים נעים זה ביחס לזה, וכתוצאה מכך נוצר כוח מגנטי נוסף. כוח אלקטרומגנטי הוא שילוב של כוח מגנטי וחשמלי. כוחות חשמליים קשורים למטענים נעים ומנוחים, ומגנטיים - רק למטענים נעים. מגוון המטענים והכוחות מתוארים במשוואות מקסוול, שלימים הפכו למשוואות האלקטרודינמיקה הקלאסית.

משוואות אלו הולידו את חוק קולומב, זהה לחוק הכבידה האוניברסלית של ניוטון. חוק קולומב נראה כך:

$F_k = k\frac(q_1q_2)(r^(2))$

חוק הכבידה האוניברסלי של ניוטון הוא כדלקמן:

$F_H = G\frac(m_1m_2)(R^(2))$

כמו כן, לחוק ניוטון יש את ההצהרות הבאות:

• לקווי כוח מגנטיים אין התחלה וסוף, והם גם רציפים לחלוטין;
• מטענים מגנטיים אינם קיימים בטבע;
• השדה החשמלי נוצר בעזרת מטענים חשמליים ושדה מגנטי מתחלף;
• השדה המגנטי יכול להיווצר גם בעזרת שדה חשמלי לסירוגין וגם בעזרת זרם חשמלי.

תופעות אלקטרומגנטיות שינו באופן קיצוני את מושג החומר.

תופעות אלקטרומגנטיות. מונחים ונוסחאות בסיסיות

הגדרה 1

מטען חשמלי הוא כמות המאפיינת את תכונתם של גופים וחלקיקים להיכנס לאינטראקציה אלקטרומגנטית.

ישנם שני סוגים של מטענים חשמליים:

• מטענים חיוביים הנישאים על ידי פרוטונים;
• מטענים שליליים הנישאים על ידי אלקטרונים.

אטום מורכב מגרעין, אשר בתורו מורכב מניוטרונים, אלקטרונים ופרוטונים. אטום הופך ליון כאשר הוא צובר או מאבד כמה אלקטרונים.

הגדרה 2

חשמול הוא תהליך של רכישת מטען בעזרת גוף מקרוסקופי.

על הרגע הזהישנן מספר דרכים לחשמל:

• בעזרת חיכוך;
• דרך השפעה.

הגדרה 3

שדה חשמלי הוא סוג של חומר שקיים סביב חלקיקים וגופים טעונים, ופועל על חלקיקים אחרים שיש להם מטען.

החוקים הבסיסיים של האלקטרוסטטיקה הם:

1. חוק קולומב למטענים ללא תנועה: $F_k = k\frac(q_1q_2)(r^(2))$
2. חוק שימור המטען (עבור מערכת סגורה): $ q_1 + q_2… + q_n = const $

הגדרה 4

זרם חשמלי הוא תנועה מכוונת של חלקיקים בעלי מטען חשמלי.

ישנם מספר תנאים המבטיחים את קיומו של זרם חשמלי:

• נוכחותם של חלקיקים חופשיים בעלי מטען;
• נוכחות של שדה חשמלי.

פעולת השדה החשמלי יכולה להיות:

• תֶרמִי;
• מַגנֶטִי;
• כִּימִי;
• אוֹר.

השדה החשמלי נוצר בעזרת מקורות זרם, בהם מתבצעת עבודה על הפרדת מטענים. הוא עושה זאת על ידי המרת מספר סוגי אנרגיה לאנרגיית שדה חשמלי.

המאפיינים של קטע המעגל כוללים:

1. חוזק זרם: $I = \frac (q)(t)=A (אמפר)$ - המדידה מתבצעת באמצעות מד זרם.
2. מתח: $U = \frac(A)(q)= V (וולט)$ - נמדד עם מד מתח.
3. התנגדות: $R = p\frac(l)(S) = Ohm$ - נמדד עם אוהםמטר.

החוק של אוהם לקטע מעגל הוא כדלקמן:

$I = \frac(U)(R)$

ישנם שני סוגים של חיבורי מוליכים: סדרה ומקבילית. החיבור הטורי של המוליכים הוא כדלקמן:

1. $I = I_1 = I_2 =…= I_n$
2. $U = U_1 + U_2+…+U_n$
3. $R = R_1 + R_2 +…+ R_n$

חיבור מקביל של מוליכים הוא כדלקמן:

1. $ I = I_1+I_2+…+I_n$
2. $U = U_1 = U_2 =…= U_n$
3. $ \frac(1)(R) = \frac(1)(R_1) + \frac(1)(R_2) +…+ \frac(1)(R_n)$

עבודה נוכחית: $A = Ult$

ההספק הנוכחי נראה כך: $P = IU$

כמות החום המשתחררת בעת מעבר מוליך זרם יכולה להתבטא באופן הבא: $Q ​​= I^2 Rt$

זרם חשמלי יכול להתקיים בסביבות שונות:

1. במתכות מתבצעת תנועה מכוונת של אלקטרונים חופשיים.
2. בנוזלים ישנה תנועה מכוונת של יונים חופשיים, הנוצרים כתוצאה מניתוק אלקטרוליטי. חוק האלקטרוליזה הוא כדלקמן: $m = qk = klt$
3. בגזים ישנה תנועה מכוונת של אלקטרונים ויונים, שנוצרת כתוצאה מיינון.
4. במוליכים למחצה - תנועה מכוונת של חורים חופשיים ואלקטרונים.

הגדרה 5

שדה מגנטי הוא צורה מיוחדת של חומר הקיימת סביב חלקיקים וגופים טעונים נעים, ופועלת על חלקיקים וגופים טעונים אחרים הנעים באותו שדה.

קווי שדה מגנטי הם קווים מותנים שלאורכם נקבעים צירי המחטים המגנטיות בשדה מגנטי.

עובדות מעניינות על יישום של תופעות אלקטרומגנטיות

נשמרו רישומים המאשרים כי בימי קדם טופל הקיסר נירון, שסבל משגרון, באמבטיות חשמליות. המהות של טיפול זה הייתה כדלקמן: מדרונות חשמליים הונחו בגיגית עץ עם מים. בהיותו בחדר שירותים כזה, אדם נחשף לשדות חשמליים ומטענים.

בשוויץ המציאו את הבייביסיטר החשמלית במאה הקודמת. מתחת לחיתולי תינוקות הונחו רשתות מתכת מבודדות, שהופרדו בבטנה יבשה. רשתות אלו חוברו למקור זרם במתח נמוך ולפעמון חשמלי. כשהבטנה נרטבה, המעגל היה נסגר והפעמון היה נשמע. זה אפשר לאמהות לדעת מיד מתי להחליף חיתול.

באותם אזורים שבהם נתקלים בכפור חמור, הייתה בעיה של ניקוז מוצרי שמן, שכן צמיגותם ב- טמפרטורות נמוכותהיה גבוה מדי. אז פיתחו המדענים את הטכנולוגיה של חימום אינדוקציה חשמלי של טנקים, שאפשרה להפחית את עלויות האנרגיה.

בעזרת תופעות אלקטרומגנטיות ניתן היה לקבוע טביעות אצבעות של אדם שהחזיק בידיו פגזים ומחסניות. על ידי הנחת השרוול בשדה חשמלי בצורת אלקטרודה, הופקד עליו סרט מתכת בוואקום, עליו הופיעו טביעות אצבעות שניתן לזהות בקלות.

תופעות אלקטרומגנטיות

10.1. מעבר הזרם דרך מוליך מוצק, נוזלי או גזי תמיד מלווה במראה שדה מגנטי. קווי הכוח שלו הם עקומות סגורות העוטפות את המוליך.

10.2. כיוון קו השדה המגנטי- בכיוון שבו מצביע הקצה הצפוני של מחט מגנטית קטנה, הממוקמת בנקודה הנלמדת של השדה. כאשר כיוון הזרם במוליך משתנה, כיוון קווי הכוח משתנה להפך.

10.3. אלקטרומגנטים- מוליכים מעוותים בצורה של ספירלות או סלילים, שבתוכם יש ליבה של ברזל או פלדה. אלקטרומגנטים (נקראים גם משרנים) מסוגלים לאגור ולהחזיר אנרגיה חשמלית למעגל על ​​ידי המרתה לאנרגיית שדה מגנטי ולהיפך.

10.4. מגנטים קבועים- גופים לא מחושמלים המסוגלים למשוך חפצים העשויים מברזל, פלדה וכמה חומרים אחרים ו הרבה זמןשמירה על נכס זה.

10.5. מוט מגנט- המקום על פני המגנט בו השדה המגנטי הוא החזק ביותר. קווי השדה של שדה המגנטי הקבוע סגורים. הם יוצאים מהקוטב הצפוני שלו ונכנסים לקוטב הדרומי, נועלים את עצמם בתוך המגנט.

10.6. כדור הארץ, כמו גם כמה גרמי שמים אחרים, הם מגנטים קבועים, כלומר יש שדה מגנטי.

10.7. שדה מגנטי פועל על חלקיקים טעונים נעיםוכתוצאה מכך, על מוליכים נושאי זרם. פעולתם של מכשירי מדידה חשמליים ומנועים חשמליים מבוססת על תופעה זו.

10.8. מנועים חשמלייםללא קשר לעיצוב שלהם, יש להם חלק מסתובב (רוטור) וחלק קבוע (סטטור). בהתאם למטרה ממוקמים בהם אלקטרומגנטים או מגנטים קבועים וכן קולט - מכשיר לוויסות זרימת הזרם ברגעים הנכונים בכל סיבוב של הרוטור.

10.9. השראות אלקטרומגנטית- תופעת התרחשות זרם במוליך הנע בשדה מגנטי או במוליך נייח הנמצא בשדה מגנטי נע (משתנה).

10.10. היישום הגדול ביותר בחיים ובתעשייה של מדינות אירופה התקבל זרם אינדוקציה לסירוגין,שינוי הכיוון שלו 100 פעמים בשנייה, כלומר בתדר של 50 הרץ.

10.11. שנאי חשמלי- מכשיר המשמש להמרת זרם חילופין של מתח אחד לזרם של מתח אחר. עקרון הפעולה של השנאי מבוסס על תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית.

10.12. להעביר חשמל למרחקיםנעשה שימוש בשנאים מדרגים, קווי מתח גבוה ושנאים מופחתים.

10.13. כדי להפעיל מכונות חזקות ומתקנים להשתמש מנועים הפועלים על זרם חילופין תלת פאזי.היתרונות שלהם: פשטות עיצוב, אמינות גבוהה ועוצמה.

תופעות אלקטרומגנטיות. טבלאות ודיאגרמות.

ובשמים ובארץ עוד מסתתר,

איזה חלומות על החוכמה שלך, הורציו. {7}

כבר הכרנו דוגמאות כיצד מתמטיקאים ופיזיקאים של המאות XVII-XVIII. יצר תיאוריות מתמטיות מפוארות המבוססות על תופעות נגישות לתפיסת החושים שלנו (הבה נזכיר, למשל, את תנועות הגופים הארציים והשמימיים). תיאוריות אלו הרחיבו את הידע האנושי על התופעות הנצפות, עזרו להסביר כמה תפיסות שגויות – אפשרו להבין אילו עקרונות משובצים במבנה הטבע ובהתנהגותו. בנוסף לתיאוריות ששקלנו, נוצרו תיאוריות מתמטיות דומות במידה רבה של חום, תהליכים הידרודינמיים (זרימות נוזל וגז) וגמישות. לכל התיאוריות הללו, האמירה של אריסטו ישימה באותה מידה, הקובעת שאין שום דבר במוח האנושי שלא היה בתחילה בתחושות שלנו. כמובן, התיאוריות המתמטיות הללו חרגו מעבר לתצפיות ואף הציגו מושגים (בפרט, מושג הכבידה), שמציאותם לא הייתה ברורה. אף על פי כן, התחזיות שנעשו על בסיס התיאוריות הללו תאמו מצוין עם הניסיון. ניתן לומר שהניסיון שימש עבור התיאוריות הללו רק סוג של גורם מחזק.

נכון, בניגוד לרעיון המושרש של העולם כמנגנון ענק, מדעני טבע לא הצליחו להבין איך כוח המשיכה "עובד" וכיצד האור מתפשט. כשזה הגיע לאור, הם התייחסו בדרך כלל לאתר; האמינו שעצם האזכור של המדיום הבלתי-גופני הזה צריך לכבות ספקות לגבי מנגנון התפשטות האור, אם כי לא היו ידועים פרטים על האתר. באשר לכוח המשיכה, אופי פעולתו נותר בלתי מובן לחלוטין. אבל ההצלחות שהשיגו ניוטון, אוילר, ד"אלמברט, לגראנז' ולפלאס בתיאור המתמטי ובניבוי המדויק של מגוון רחב של תופעות אסטרונומיות היו כה מרשימות עד שמדעני טבע התמלאו בגאווה במדע, לעתים קרובות על גבול יהירות ויהירות. הם הפסיקו לחשוב על המנגנון הפיזי של התופעות וריכזו את כל מאמציהם בתיאור המתמטי שלהם. לפלס לא הטיל ספק בנכונות הבחירה של הכותרת ליצירתו בת חמשת הכרכים, מכניקה שמימית (1799-1825).

הישגים בפיזיקה של המאות ה-19-20, שעליהן נדון בהמשך, העלו שאלות עקרוניות בנוגע למהותו ומהותו של העולם האמיתי שסביבנו עם כל חריפותם. הראשון מבין ההתקדמות הללו, גילוי האלקטרומגנטיות, העשיר את הבנתנו את היקום. כמו כוכב הלכת נפטון, בקושי ניתן היה לגלות את התופעה הזו ללא עזרת המתמטיקה. אבל שלא כמו כוכב הלכת נפטון, ה"חפץ" החדש שהתגלה היה חסר משקל: חסר משקל, בלתי נראה, בלתי מוחשי, לא היה לו טעם או ריח. אף אחד מאיתנו לא יכול להרגיש את זה פיזית. ובכל זאת, שלא כמו כוכב הלכת נפטון, זה היה החומר הרפאים שהתגלה לאחרונה שהייתה לו השפעה ניכרת ואפילו מהפכנית על החיים. אדם מודרני. תופעת האלקטרומגנטיות מאפשרת כהרף עין ליצור תקשורת עם כל חלק בכדור הארץ, מרחיבה את גבולות הקהילה האנושית מהשכנים הקרובים ביותר מעבר לפינה לקנה מידה עולמי, מאיץ את קצב החיים, מקדמת את התפשטות חינוך, יוצר אומנויות ותעשיות חדשות, ועושה מהפכה של ממש בענייני צבא. לא סביר שיש צד כזה בחיי האדם, שלא יבוא לידי ביטוי בתורת התופעות האלקטרומגנטיות.

הידע שלנו בחשמל ומגנטיות, כמו גם באסטרונומיה, אקוסטיקה ואופטיקה, מקורו ב יוון העתיקה. תאלס ממילטוס (בערך 640-546 לפנה"ס) ידע שעפרת ברזל, שנכרה ליד העיר מגנזיה (כיום מניסה) באסיה הקטנה, מושכת ברזל. בימי הביניים, האירופים למדו מהסינים שמחט תלויה בחופשיות עשויה ברזל ממוגנט מציינת את הכיוון צפון-דרום בצורה מדויקת למדי ולכן יכולה לשמש כמצפן. האגדה מייחסת לתאלס ממילטוס גילוי של תופעה אחרת: ענבר, משופשף בפיסת בד, מושך אליו עצמים קלים, כגון קשיות. התבוננות זו הייתה תחילתו של מדע החשמל (המילה "חשמל" עצמה היא ממקור יווני ומשמעותה "ענבר").

המחקר הרציני הראשון של מגנטיות בוצע על ידי ויליאם גילברט (1544-1603), רופא החצר של מלכת אנגליה אליזבת. בעבודתו "על המגנט, גופים מגנטיים והמגנט הגדול - כדור הארץ", ניתן עדיין תיאור קל לקריאה של ניסויים פשוטים, אשר הראו במיוחד שכדור הארץ עצמו הוא מגנט ענק. גילברט גילה שלמגנטים יש שני קטבים - אחד פונה לצפון, השני לדרום; הם נקראים בהתאמה צפון ודרום או חיובי ושלילי. שני קטבים מגנטיים חיוביים או שניים שליליים דוחים זה את זה, בעוד שקטבים מגנטיים מנוגדים מושכים. שני סוגי קטבים אלה נמצאים, למשל, בקצוות מנוגדים של כל מוט מגנטי. בנוסף, מגנטים ניחנים ביכולת למשוך ברזל או פלדה לא ממוגנטים. ככל שהמגנט חזק יותר, כך הוא יכול למשוך פיסת ברזל כבדה יותר.

גילברט חקר גם את התופעה השנייה, שבה צפה תאלס ממילטוס בתקופתו, החשמול של ענבר משופשף בחתיכת בד. הוא גילה ששעווה איטום משופשפת בפרווה, או זכוכית משופשפת במשי, רוכשות את היכולת למשוך חלקיקי אור. ניסויים אלה העלו על קיומם של שני סוגי חשמל. כמו מגנטיטים, כל שני גופים שיש להם אותו סוג של חשמל דוחים, ואלה שיש להם סוגים שונים של חשמל מושכים. אבל בהבנה טבע פיזימגנטיות וחשמל לגילברט הייתה הצלחה מועטה.

הוא היה מודע לכך שיש הבדל עמוק בין מטענים מגנטיים לחשמליים. על ידי שפשוף הזכוכית במשי, אנו נותנים לכוס מטען חשמלי חיובי, ולמשי - שלילי. לאחר מכן, על ידי הוצאת הזכוכית מהמשי, נוכל להשיג מטען חיובי על הזכוכית, די בלתי תלוי במטען השלילי על המשי. באשר למגנטיות משני סוגים, חיובי ושלילי, אם כי, כמו מטענים חשמליים מנוגדים, קטבים מגנטיים שונים מושכים, ואותם דוחים, לא ניתן להפריד בין מגנטיות חיובית לשלילית באובייקטים פיזיים.

עם זאת, כפי שמוצג על ידי סדרה ארוכה של ניסויים עוקבים, שתיאור מפורט שלהם אינו כוונתנו, הרעיון של נוכחותם של שני סוגים של מטענים חשמליים אינו נכון. במאה העשרים. פיזיקאים דאגו שיש רק סוג אחד של חשמל {8} והנשאים שלו הם חלקיקי חומר זעירים (הגופים החומריים הקטנים ביותר המוכרים לנו בטבע), שנקראו אלקטרונים. איננו יכולים לראות אלקטרונים, בדיוק כפי שאיננו יכולים לראות את חלקיקי החומר הגדולים יותר הנקראים אטומים, הכוללים אלקטרונים; עם זאת, ראיות עקיפות התומכות בקיומם של אלקטרונים משכנעות למדי. גוף בעל מטען שלילי (כלומר, גוף בעל תכונות של משי משופשף על מוט זכוכית) מכיל עודף של אלקטרונים. לגבי הגופים שקראנו בעבר טעונים חיוביים (למשל, זכוכית משופשפת במשי), אין להם מספיק אלקטרונים. ככל הנראה, כאשר זכוכית משופשפת במשי, כמה אלקטרונים עוזבים את הזכוכית, ונמשכים לאטומי משי. כתוצאה מכך, זכוכית, שחסרים בה אלקטרונים, הופכת למטען חיובי, בעוד שהמשי הופך למטען שלילי. על גוף המכיל כמות רגילהאלקטרונים, אומרים שהם ניטרליים מבחינה חשמלית.

בעזרת הכלים הנכונים, נוכל ללמוד את התנהגותם של גופים טעונים. לדוגמה, אם שני כדורי זכוכית בעלי מטען חיובי תלויים על חוטים במרחק קצר אחד מהשני, הם דוחים זה את זה, מכיוון ששניהם טעונים חיובית. אנו רואים שגופים טעונים (כמו גם קטבים מגנטיים) מקיימים אינטראקציה זה עם זה. ברור אפוא שבתופעות חשמליות ומגנטיות אנו מתמודדים עם כוחות שאנו יכולים לנסות להשתמש בהם בפועל. חוקרים קודם תופעות שונותהקשורים לחשמל.

מדעני הטבע של סוף המאה ה-18, שנקלטו בחקר האינטראקציה של גופים טעונים, לאחר שלמדו היטב את הלקחים של קודמיהם, גלילאו וניוטון, החלו לחפש חוקים כמותיים. הגילוי הראשון הכניס אותם לתדהמה. מכיוון שהכוח שבו פועל גוף טעון אחד על גוף אחר תלוי בכמות החשמל (ליתר דיוק, גודל המטען החשמלי) בכל אחד מהגופים, היה צורך תחילה לקבוע מדד חשמל. היה צריך לקחת כמות מסוימת של חשמל כתקן (כפי שנבחרה כמות מסוימת של חומר ליחידת מסה) כדי להשוות לתקן זה את כמות החשמל בגופים הנבדקים. אחת היחידות המקובלות למדידת מטען חשמלי היא התליון (C), על שמו של הפיזיקאי הצרפתי שארל אוגוסטין קולומב (1736-1806), שגילה את עצם חוק האינטראקציה של מטענים חשמליים, שכעת נשקול. שני אישומים, ש 1ו ש2, מושכים או דוחים, תלוי אם הם הפוכים (כלומר, אחד חיובי והשני שלילי) או זהים (שניהם חיוביים או שניהם שליליים). קולומב קבע שכוח המשיכה (או הדחייה) ו, הפועל בין מטענים, נקבע על ידי הנוסחה

ו = kq 1 q 2 /ר 2 ,

איפה רהוא המרחק בין שתי קבוצות של מטענים, ש 1ו ש2 , ק- קבוע. מַשְׁמָעוּת קתלוי ביחידות שבהן נמדדים מטען, מרחק וכוח.

לנוסחה שנגזרה על ידי קולומב יש תכונה אחת יוצאת דופן: במראה היא זהה לחוק הכבידה האוניברסלי של ניוטון. חיובים ש 1ו ש2משחק כאן את תפקיד המסה, וכוח האינטראקציה גם הוא ביחס הפוך לריבוע המרחק בין המטענים, וכך גם כוח המשיכה הכבידה הפועל בין שתי מסות. כמובן, בחוק קולומב, כוח האינטראקציה החשמלית יכול להיות גם כוח משיכה וגם כוח דוחה, בעוד שכוח הכבידה הוא תמיד כוח משיכה.

בסוף המאה ה- XVIII. חוקר הטבע האיטלקי לואיג'י גלוואני (1737-1798) לקח שני מוליכים ממתכות שונות המחוברות בסדרה וסגר את קצותיהם לעצב רגלה של הצפרדע המנותחת. רגל הצפרדע התעוותה. גלווני, שחקר "חשמל של בעלי חיים", הסביר את התכווצות השריר בהופעת זרם חשמלי בו. עם זאת, המשמעות של גילוי זה של גלוואני הוערכה על ידי איטלקי אחר, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת פדובה, אלסנדרו וולטה (1745-1827). וולטה הבין שכאשר מוליכים של מתכות שונות באים במגע בין הקצוות החופשיים שלהם, מתחיל לפעול כוח (שנקרא כיום כוח אלקטרו-מוטיבי), ומצא שילוב יעיל יותר של מתכות מבחינה זו. כך נוצר התא האלקטרוכימי הראשון, או הסוללה החשמלית. על ידי החלפת עצב הצפרדע במוליך והצמדת קצוות המוליך לקטבים של סוללה, וולטה הראה שהכוח האלקטרו-מוטיבי עלול לגרום לחלקיקים זעירים של חומר לנוע לאורך המוליך. תנועה מכוונת כזו של חלקיקים טעונים (אשר, כפי שהתברר הרבה יותר מאוחר, הם אלקטרונים) לאורך מוליך היא זרם חשמלי. הסוללה שנבנתה וולטה גרמה לאלקטרונים לנוע, ולא להצטבר בחומר כלשהו, ​​כמו בענבר משופשף בפרווה. נציין בשגגה שהסוללה של הוולטה אינה שונה עקרונית מהסוללות והסוללות המשמשות כיום במכוניות ובפנסים. המתח שנוצר על ידי הסוללה נמדד כעת בוולט (V), יחידות על שם וולטה, והזרם באמפר (A), על שם המדען שעמו ניפגש בקרוב; 1 A \u003d 1 C / s או 6 × 10 8 אלקטרון / s.

במשך זמן רב האמינו שחשמל ומגנטיות הם תופעות שונות ואינן קשורות זו לזו. עם זאת, במאה XIX. הרעיונות השתנו באופן קיצוני, והקשר שנוצר בין חשמל למגנטיות מביא אותנו לעצם מהות הסיפור שלנו. לראשונה, הקשר בין תופעות חשמליות למגנטיות התגלה בשנת 1820 על ידי הפיזיקאי הדני, פרופסור באוניברסיטת קופנהגן, הנס כריסטיאן אורסטד (1777-1851). לאחר שהעביר זרם דרך המוליך מהסוללה של וולטה, הבחין אורסטד שהמחט המגנטית התלויה מעל המוליך הוסטה. כאשר כיוון הזרם התהפך, החץ סטה באותה זווית, אך לכיוון השני. ניתן להסביר את התצפית הזו על אורסטד על ידי העובדה שהזרם החשמלי יוצר שדה מגנטי סביב המוליך, המושך או דוחה גופים ממוגנטים אחרים באותו אופן כמו מגנטי עפרות הברזל הטבעיים שעליהם כתב תאלס ממילטוס בזמן אחד.

התרומה הבאה לחשיפת הקשר הבסיסי בין חשמל למגנטיות נעשתה על ידי הפיזיקאי הצרפתי, פרופסור בבית הספר הפוליטכני אנדרה מארי אמפר (1775-1836), שידע על עבודתו של אורסטד. בשנת 1821, אמפר שם לב ששני מוליכים מקבילים עם זרם מתנהגים כמו שני מגנטים: אם הזרמים זורמים בהם באותו כיוון, אז המוליכים מושכים, ואם בכיוונים מנוגדים, הם דוחים.

זה נפל בידי האוטודידקט לשעבר מייקל פאראדיי (1791-1867) ומרצה באקדמיה של אלבני, ניו יורק ג'וזף הנרי (1797-1878) ליצור קשר משמעותי נוסף בין חשמל ומגנטיות; התגליות שלהם סללו את הדרך להופעתו של מקסוול הגדול. פאראדיי והנרי התעניינו בשאלה הבאה. אם מוליך שדרכו זורם זרם יוצר שדה מגנטי, אז האם ההיפך אינו נכון, כלומר. האם שדה מגנטי משרה זרם במוליך? כפי שהוצג ב-1831 על ידי פאראדיי והנרי, יש להשיב על השאלה בחיוב, עם זאת, בתנאי שהמוליך נמצא בשדה מגנטי לסירוגין. תופעה זו נקראת אינדוקציה אלקטרומגנטית.

הבה נבחן ביתר פירוט את מהות הגילוי של פאראדיי והנרי. נניח שמסגרת תיל מלבנית (איור 28), מותקנת בקשיחות על מוט רממוקם בשדה מגנטי. אם אתה גורם למוט להסתובב, למשל, על ידי חיבורו להנעה מגלגל מים או מנוע קיטור, אז גם המסגרת תתחיל להסתובב. נניח שהמוט (בנפרד מהמסגרת) מסתובב במהירות קבועה כלשהי נגד כיוון השעון ושהצד של המסגרת לִפנֵי הַסְפִירָהמתחיל להסתובב מהמיקום הנמוך ביותר שלו (ההנחה היא שבתחילה המסגרת ממוקמת אנכית). כאשר צד זה עולה בקשת של 90° (כלומר, המסגרת נעה ממאונך לאופק), זרם חשמלי זורם במסגרת מ גל בומגיע למקסימום כאשר המסגרת במצב אופקי. לִפנֵי הַסְפִירָההזרם בלולאה יורד והופך שווה לאפס (נעצר לחלוטין) כאשר הצד לִפנֵי הַסְפִירָהתופס את המיקום הגבוה ביותר. עם סיבוב נוסף של המסגרת, שוב מתעורר בה זרם, שזורם כעת בכיוון ממנו בל ג. הזרם שוב עולה בהדרגה, ומגיע למקסימום כאשר המסגרת שוב במצב אופקי. עם תנועה נוספת של הצד לִפנֵי הַסְפִירָהלמצב הנמוך ביותר, הזרם יורד בהדרגה ולבסוף נעצר לחלוטין. מחזור זה חוזר על עצמו עם כל סיבוב מלא חדש של המוט. המראה והזרימה של הזרם במוליך הנע בשדה מגנטי נותנים לנו דוגמאות חדשות לתופעה של אינדוקציה אלקטרומגנטית.

זרם במוליך הוא תנועה מכוונת של מיליארדי חלקיקי חומר זעירים ובלתי נראים הנקראים אלקטרונים. גודל הזרם הנגרם על ידי emfc. (הזרם הזה נקרא אינדוקטיבי) משתנה עם הזמן, ומכיוון שכל הכמויות הללו ניתנות למדידה, ניתן למצוא קשר תפקודי ביניהן. הקשר בין עוצמת זרם האינדוקציה לזמן הוא כמובן תקופתי, כלומר. שינויים רצופים בזרם חוזרים על עצמם עם כל סיבוב מלא של המסגרת. יהיה זה פזיז לטעון אפריורי כי התלות התקופתית של הכוח הנוכחי בזמן חייבת להיות מתוארת על ידי סינוסואיד. עם זאת, הטבע לא מפסיק "להסתגל" למתמטיקה שהמציא האדם: היחס בין הכוח הנוכחי אניוהזמן טבאמת נראה

אני = אחטא bt ,

איפה משרעת אתלוי, במיוחד, בגודל השדה המגנטי (ליתר דיוק, אינדוקציה מגנטית), ובתדירות ב- על מהירות הסיבוב של המסגרת. אם המסגרת עושה 60 סיבובים ב-1 שניות, אז הזווית שעברה על ידה ב= 60×360° = 21,600°/s. (פוּנקצִיָה y=חטא איקסעובר מחזור אחד שלם כאשר איקסמשתנה בין 0 ל-360°. כתוצאה מכך, לזרם בתדירות של 60 מחזורים לשנייה יש זמן לעבור את אותם שינויים שעוברת הפונקציה y=חטא איקס, מתי איקסמשתנה בין 0° ל-21,600°/s. אם זורם זרם טשניות, אז איקסמשתנה בהתאם מ-0° ל-21,600°/s.) זרם חשמלי, המשמש בחיי היומיום בארה"ב, ככלל, עושה 60 מחזורים סינוסואידים מלאים ב-1 שניות; זה נקרא זרם חילופין עם תדר של 60 הרץ (הרץ; 1 הרץ = מחזור אחד / שניות).

אז, זרם חשמלי יכול להיות מתואר על ידי נוסחה מתמטית. אבל איך אינדוקציה אלקטרומגנטית מייצרת זרם? התופעה הזו מאוד מסתורית. איכשהו, תנועת מוליך בשדה מגנטי יוצרת במוליך כוח אלקטרו-מוטיבי (emf) שגורם לזרם חשמלי.

אין צורך לספר לקורא המודרני עד כמה השימוש בחשמל נפוץ בחיינו ואיזו השפעה עצומה הייתה לאנרגיה החשמלית על התפתחות החברה האנושית. עם זאת, יש לציין כי עקרונות השגת אנרגיה חשמלית באמצעות מכשירים מכניים והמרתה ל אנרגיה מכניתנחקרו הרבה לפני שאנשים התחילו לחשוב על השימוש המעשי בחשמל. מסופר שיום אחד שאל מבקר במעבדה את פאראדיי איזו תועלת אפשר להפיק מהשראת זרם חשמלי במוליכים, והמדען השיב לו: "איזה תועלת יכולה להיות מתינוק שזה עתה נולד? הוא יגדל ויהפוך למבוגר". מאוחר יותר, גלדסטון, אז שר האוצר הבריטי, ביקר במעבדתו של פאראדיי ושאל את אותה שאלה, עליה השיב פאראדיי: "בקרוב, אדוני, אתה תטיל על זה מס".

פאראדיי ערך ניסוי חשוב נוסף שהרחיב את הבנתנו לגבי תופעות אלקטרומגנטיות. הוא הניח שני סיבובים של מוליך קרוב זה לזה (איור 29). הרעיון של פאראדיי היה כדלקמן. אם לפנייה שמאלה CDלהעביר את הזרם, אז הוא חייב ליצור שדה מגנטי (הכיוון שלו מוצג באיור על ידי קווים סגלגלים), אשר יחדור לפנייה השנייה EF.אבל פאראדיי היה צריך שדה מגנטי לסירוגין, אז הקצוות או בהוא חיבר את הסיבוב הראשון למקור זרם חילופין. כפי שאורסטד הראה בזמנו, זרם חילופין, העובר דרך סליל CDחייב ליצור סביבו שדה מגנטי לסירוגין. ככל שהזרם גדול יותר, כך גודל השדה המגנטי סביב הסליל גדול יותר CD.ככל שהזרם נמוך יותר, כך השדה המגנטי שהוא יוצר חלש יותר. מאז הסליל EFממוקם ליד הלולאה CD, השדה המגנטי שנוצר מהזרם בסליל CD, לוכד וסליל EF.

אז פאראדיי קיבל שדה מגנטי לסירוגין שחודר למוליך - סליל EF. אבל אם שדה מגנטי לסירוגין עובר דרך מוליך, אז הוא גורם ל-emf בו; כך בסליל EFשדה מגנטי לסירוגין צריך לגרום ל-emf. ו(אם הסליל סגור) לייצר זרם חשמלי. בנוסף, מאחר שבניסוי של פאראדיי השדה המגנטי לא עובר רק דרך הסליל EF, אבל גם משתנה בגודל, ואז מגדיל, ואז פוחת, את עוצמת זרם האינדוקציה בסליל EFגם עולה ויורד. לכן, הזרם בסליל EFחייב להיות משתנה. פאראדיי הניח שהזרם האינדוקטיבי יזרום בסליל EFכל עוד זורם זרם חילופין בסיבוב הראשון (CD), וקיוו בדרך זו לחקור את הזרם האינדוקטיבי בפירוט.

פאראדיי גילה את זה בסליל EFיש למעשה זרם חילופין. יתרה מכך, כפי שציפה, תדירות זרם האינדוקציה עלה בקנה אחד בדיוק עם תדירות המתח המופעל על הקצוות. אבלו בְּסיבוב ראשון. ברור שזה היה שימוש מעשיהתגליות של פאראדיי: העברת זרם חשמלי מסיבוב אחד למשנהו, אם כי השני אינו מחובר לראשון. על עיקרון זה מבוססת פעולת השנאים המודרניים. עם זאת, לא ניכנס לפרטים טכניים, כי זה ירחיק אותנו מדי מנושא הסיפור שלנו.

לאחר גילוי של פאראדיי את תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית, ששימשה אישור חדש לקשר הבלתי נפרד בין חשמל למגנטיות, זכה מדע האלקטרומגנטיות (כפי שהחל להיקרא הקשר בין חשמל למגנטיות) להצלחה משמעותית. אבל ככל שהתמונה של תופעות אלקטרומגנטיות הפכה מורכבת יותר, פאראדיי חווה יותר ויותר קשיים בפירושן. כל עוד מדובר בשדות חשמליים ומגנטיים פשוטים, לא היה קשה לבנות תמונה פיזיקלית ברורה ולהשיג, באמצעות מדידות או בהיגיון פשוט, את הקשרים המתמטיים המתאימים. אבל כבר במחקר של אינדוקציה אלקטרומגנטית, ההגדרה של emf. והזרם בסיבוב השני (אם הזרם בראשון ידוע) התברר כמשימה קשה מאוד. קודם כל, נדרש לחשב את גודל השדה המגנטי שנוצר מהזרם בפנייה הראשונה, ולאחר מכן את המתח והזרם המושרה בפניה השנייה. בנוסף, כשהוא מבין היטב שהתהליך הפיזי שהתגלה על ידו מבטיח יתרונות מעשיים ניכרים, פאראדיי היה רוצה לדעת כיצד להגביר את יעילותו. איך להגדיל את הזרם בפנייה השנייה: הגדלת הזרם בפנייה הראשונה, הארכת הסיבוב הראשון או הרחבתה? מהי הדרך הטובה ביותר לסדר את הסיבובים זה ביחס לזה?

פאראדיי הגיע למסקנה שהפעולה המגנטית של החשמל מועברת על ידי חלקיקי המדיום הסמוך לגוף המחושמל, וקראה למדיום זה דיאלקטרי. ההשפעה המגנטית בסביבה כזו, לפי פאראדיי, מתבצעת באמצעות קווי כוח מגנטיים, שאינם נראים, אם כי פאראדיי היה משוכנע במציאותם.

פאראדיי הודה שהנימוקים לגבי קווי כוח מגנטיים שגויים במקצת וזקוקים להבהרה, אבל הבהירות של מושג זה הפכה אותו לשימושי הן לנסיין והן למתמטיקאי. פאראדיי האמין שהנמקה כזו מקרבת את האמת הפיזית וחיפשה בעקשנות למצוא הסבר פיזיקלי לתופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית. פאראדיי היה זה שהציע שקווי שדה מגנטי מתפצלים לכל הכיוונים ממוליך נושא זרם או מקוטב מגנט וציטט עובדות ניסיוניות המאששות את קיומם של קווי שדה מגנטי: למשל, אם יוצקים סיבי ברזל סביב מגנט, הם מתחברים באופן ספונטני. למעלה לאורך קווי השדה.

למרות שפאראדיי היה מודע היטב לאפשרויות המתמטיקה, הניסוי וההבנה הפיזיקלית של הנצפה נשארו היסוד שלו. אבל החשיבה הפיזית לא אפשרה לחדור לתוך המהות של תופעות אלקטרומגנטיות מורכבות. קל לדמיין את מעוף כדור תותח, זווית המטרה ומטווח הירי. אבל שדות חשמליים ומגנטיים אינם נראים, כך שלא כל כך קל לגלות את התצורה שלהם. למרות שדימויים פיזיים ויזואליים הובילו את פאראדיי להצלחה יותר מפעם אחת בעבר, הוא הבין שדווקא מגבלות החשיבה הפיזית מנעו ממנו להתקדם. פאראדיי במחקרו הגיע לשלב שבו הפיזיקה הפכה קשה מדי והעזרה של המתמטיקה נדרשה.

למרבה המזל, הפיזיקאי התיאורטי המצטיין של המאה ה- XIX. ג'יימס קלרק מקסוול (1831-1879) הכין את עצמו בחריצות להיכנס לתחום פיזיקה מתמטית. אפילו בצעירותו, מקסוול הראה הבטחה גדולה. נכתב על ידו בגיל 15, העבודה על בניית כמה עיקולים בעזרת מכשירים מכניים פורסמה בכתב העת הליכים של החברה המלכותית של אדינבורו. במהלך לימודיו באוניברסיטאות אדינבורו וקיימברידג', הבחינו ביכולותיו המבריקות ובמקוריות המחשבה שלו הן על ידי פרופסורים והן עמיתים לסטודנטים. בשנת 1856 הפך מקסוול לפרופסור לפיזיקה בקולג' מרישל באברדין. כמה שנים לאחר מכן עבר לקינגס קולג' בלונדון, וב-1871 לאוניברסיטת קיימברידג'.

כמו כל המדענים האמיתיים, מקסוול נמשך למשימות הקשות ביותר שעמדו בפני המדע של זמנו. הוא הציע אחת הדרכים להשיג תצלום צבעוני; שמו גם רשום בין יוצרי התיאוריה הקינטית של הגזים. עם זאת, הוא זכה לתהילה הגדולה ביותר כמחבר התיאוריה של השדה האלקטרומגנטי, והעבודות הללו שלו הן שמעניינות אותנו. מקסוול יצא לכסות את כל התופעות החשמליות והמגנטיות הידועות במסגרת תיאוריה מאוחדת. הוא החל לעבוד בתחום של תורת השדות האלקטרומגנטיים, לאחר שהכיר את חקירות הניסויים של פאראדיי. בשנת 1855, בגיל עשרים ושלוש. מקסוול פרסם את המאמר הראשון שלו על תורת השדות האלקטרומגנטיים בשם "על קווי הכוח של פאראדיי". הן בעבודה זו והן בעבודות שלאחר מכן, מקסוול שם לעצמו למטרה לתרגם את המחקר הפיזיקלי של פאראדיי לשפת הנוסחאות המתמטיות.

בתחילת שנות ה-50 של המאה XIX. מקסוול הושפע מאוד מעבודתו של ויליאם תומסון (לורד קלווין; 1824-1907), תומסון העדיף הסבר מכני של תופעות חשמליות ומגנטיות ושימש להקטנתן לזרימות נוזלים, זרימות חום וגמישות. תומסון הרחיב גם אנלוגיות מכניות לאתר, וראה בו מדיום שבו מתרחשת האינטראקציה של חלקיקים רציפים (פרשנות כזו של האתר הוצעה מעט קודם לכן על ידי המתמטיקאים קאוצ'י, פויסון ונאבייר), כלומר. יש כוחות לטווח קצר, לא לטווח ארוך. גם מקסוול ניסה לתת הסבר מכני לפעולת האתר, אך, כמו תומסון, לא הצליח בכך. למרות זאת, תומסון, בניגוד לפעולה ארוכת טווח, הציג את המושג שכיום נהוג לכנות שדה, ומקסוול קיבל את הרעיון החדש, תומסון גם עשה את הצעדים הראשונים לקראת יצירת תיאוריה מתמטית של התפשטות גל, ומקסוול השתמש בכמה התוצאות שלו.

תוך שימוש במושג האתר כמדיום אלסטי, מקסוול ב-1861 הסתכל מחדש על הבעיה הבלתי פתורה של אינדוקציה אלקטרומגנטית. מעבודתו של פאראדיי על העברת זרם חשמלי מסיבוב אחד של מוליך למשנהו, היה ברור ששדה מגנטי יכול להתפשט למרחקים. מקסוול הגיע למסקנה שזרם חשמלי לסירוגין מסוגל גם לחדור בזרם לחלל המקיף את הסליל. זרם כזה, שמקסוול כינה את זרם העקירה, איפשר להסביר חלק מההשפעות שנצפו במרחק רב מהזרמים הפיזיקליים ה"אמיתיים" הזורמים דרך המוליך. בעבודתו, מקסוול הזכיר לראשונה את זרם ההטיה, אך עדיין לא הייתה בהירות או שלמות התמונה.

כדי לבסס את הפרשנות שלו לזרמי תזוזה ולהעניק לה שלמות מסוימת, מקסוול ניתח את התנהגותו של קבל במעגל חשמלי. הקבל הפשוט ביותר מורכב משתי לוחות מקבילים המופרדים על ידי שכבת בידוד, כגון אוויר או אפילו ואקום. זרם חילופין עובר דרך הקבל. מקסוול האמין שהאתר מעביר את זרם העקירה מלוח קבלים אחד לאחר.

בשנת 1865 פרסם מקסוול את עבודתו המכוננת, "התיאוריה הדינמית של השדה האלקטרומגנטי", שבה נטש מודלים פיזיקליים וסיפק משוואות מתמטיות נכונות. המשוואות של מקסוול כללו מונח חדש שתואם פיזית לזרם ההטיה. הניסוח המתמטי של המושג החדש שכנע את מקסוול שזרמי עקירה יכולים להתפשט למרחקים ארוכים.

טבעם של זרמי הטיה דורש הסבר נוסף. בעקבות פאראדיי, מקסוול האמין שדות חשמליים ומגנטיים קיימים בחלל סביב מגנטים ומוליכים נושאי זרם. חוק אמפר מתייחס לזרם הזורם דרך מוליך. אבל אם הזרם מתחלף (לדוגמה, הוא משתנה עם הזמן ביחס לחטא ט), ואז האלקטרונים במוליך זזים במהירות לכיוון זה או אחר. גם השדה החשמלי שהם מעוררים נע קדימה ואחורה, ובכל נקודה בחלל מחוץ למוליך, עוצמת השדה תשתנה עם הזמן. לכן, ניתן להניח שזרם החילופין במוליך מלווה, כביכול, בשדה חשמלי לסירוגין בחלל המקיף את המוליך. מקסוול החשיב שדה חשמלי מתחלף כזה כממשי וציין שהוא דומה בתכונותיו המתמטיות לזרם, אם כי (פרט למוליך שיוצר את השדה) הוא אינו מצטמצם לתנועת אלקטרונים. לפיכך, מקסוול ביסס את הסבירות של השם שהציע לשדה חשמלי מתחלף שכזה - זרם תזוזה, משום שההשפעה מורכבת מתזוזה, או תנודה, של השדה החשמלי. מקסוול ניסח מסקנה זו במסכתו על חשמל ומגנטיות (1873) באופן הבא:

אחד המאפיינים העיקריים של חיבור זה הוא אימוץ התפיסה לפיה לא ניתן לזהות את הזרם החשמלי האמיתי - זה שבו תלויות תופעות אלקטרומגנטיות - עם זרם ההולכה (הזורם במוליך), אך יש לקחת זאת בחשבון. בחישוב התנועה הכללית של החשמל, השינוי בזמן העקירה החשמלית.

מקסוול החל "לחלץ" באופן שיטתי את ההשלכות המתמטיות של קיומו של זרם העקירה. לפי Oersted, זרם במוליך יוצר שדה מגנטי. אבל, מכיוון שזרם העקירה נוסף כעת לזרם ההולכה, מקסוול הגיע למסקנה שזרם העקירה יוצר גם שדה מגנטי והוא מהווה חלק מהשדה שיוחס בעבר רק לזרם ההולכה. במילים אחרות, השדה המגנטי המקיף את המוליך נובע הן מזרם ההולכה והן מזרם העקירה.

לסיכום, אנו יכולים לומר שהצעד הנועז הראשון של מקסוול היה להציג זרם תזוזה ולטעון שזרם זה, הקיים בחלל ולא במוליך, יוצר גם שדה מגנטי. מקסוול תיקן את חוק אמפר, וניסה לבסס את הקשר בין הזרם הכולל (המורכב מזרם ההולכה וזרם העקירה) לבין השדה המגנטי שנוצר סביב המוליך. לכן, המסקנה המשמעותית ביותר של מקסוול היא הבאה: כל שדה חשמלי מתחלף, שנוצר על ידי זרם הולכה או זרם תזוזה, יוצר שדה מגנטי. אם נזכיר כעת את חוק האינדוקציה של פאראדיי, אשר בניסוח של מקסוול קובע ששדה מגנטי מתחלף יוצר שדה חשמלי מתחלף, מתברר שמקסוול נתן לחוק פאראדיי צליל כפול.

כעת לא קשה לנו להבין לאיזו מסקנה הגיע מקסוול בצורה מתמטית גרידא. גלי זרם סינוסואידיים בלולאה CD(ראה איור 29), יוצרים שדה חשמלי מתחלף במרחב שמסביב, היוצר שדה מגנטי לסירוגין. אבל, כידוע, שדה מגנטי מתחלף יוצר שדה חשמלי מתחלף, וזה בתורו יוצר שדה מגנטי לסירוגין, וכן הלאה. כיצד מתנהגים שדות אלו ב"לחץ" קבוע מצד הזרם הזורם במוליך CD? התשובה כמעט ברורה. הם מתפשטים בחלל ומגיעים לנקודות מרוחקות מאוד מהסליל. CD.שדות אלו מסוגלים להגיע ולפנות EFממוקם הרחק מלולאת התקליטורים.שדה חשמלי מתחלף גורם בסליל EFזרם, אשר, כמו כל זרם, יכול לשמש לכל מטרה. לפיכך, מקסוול קבע כי השדה האלקטרומגנטי, כלומר. שילוב של שדות חשמליים ומגנטיים מתחלפים, מתפשט בחלל.ככל הנראה, פאראדיי חשד במשהו דומה כשניסה להבין מה יקרה אם הסליל EFהתרחק מעט מהסליל CD.אבל את מה שפאראדיי ניחש רק על סמך אינטואיציה פיזית, לא מבין את מנגנון התופעה ולא זיהה את קיומם של זרמי עקירה, קבע מקסוול על בסיס מתמטי מוצק.

כל גל מאופיין באורך גל ותדירות (מספר מחזורים בשנייה). אורך הגל של קרינה אלקטרומגנטית נקבע (אם כי זה אולי לא נראה ישירות) לפי גודל הסליל (מעגל תנודה). כדי שלולאה (או כל מוליך אחר המשמש להעברת גלים אלקטרומגנטיים בחלל) תהיה בגודל סביר, אורך הגל חייב להיות קטן מספיק.

עכשיו בואו נסתכל מקרוב על המאפיינים העיקריים של גלים - אורך גל ותדירות. שקול את גל הסינוס המוצג באיור. 30. מחזור מלא מתאים לקטע של סינוסואיד מ 0 לפני א. מחזור זה חוזר על עצמו פעמים רבות תוך שנייה, ומספר המחזורים הללו בשנייה אחת נקרא התדר. אֹרֶך גַל λ (למבדה) הוא המרחק מ פלפני ש. המרחק שעובר גל בשנייה אחת שווה למכפלת אורך הגל והתדר:

λf = ג .

איפה גהיא מהירות התפשטות הגלים.

גלים אלקטרומגנטיים הם קצת יותר מסובכים. הוא מתפשט, משתנה לפי חוק סינוסואידי, לא רק השדה החשמלי, אלא גם השדה המגנטי. בנוסף, הוקטורים של השדות החשמליים והמגנטיים מאונכים זה לזה ושניהם מאונכים לכיוון התפשטות הגל. על איור. 31 מראה שהווקטורים של חשמל הומגנטי חשדות מתנודדים בשני מישורים מאונכים זה לזה.

לפיכך, התגלית הראשונה והגדולה ביותר של מקסוול הייתה שגלים אלקטרומגנטיים יכולים להתפשט אלפי קילומטרים מהמקור, ואם היה לנו את המכשיר המתאים, ניתן היה לזהות אותם רחוק מספיק מהמקור. מקסוול הוא גם הבעלים של התגלית הסנסציונית השנייה הנוגעת לאור. האור, כתופעה, עניין את היוונים הקדמונים, וניסויים רבים שבוצעו במשך מאות שנים הובילו בסופו של דבר לשתי תיאוריות "מתחרות" על טבעו של האור. אחד מהם טען שהאור מורכב מחלקיקים זעירים בלתי נראים הנעים לאורך קרניים ישרות. לפי תיאוריה אחרת, אור הוא גלים. הועלו הצעות שונות לגבי האופן שבו גלים אלו נוצרים ומתפשטים. שתי התיאוריות הסבירו בצורה מספקת פחות או יותר את ההשפעות של השתקפות ושבירה של אור, כלומר. שינויים בכיוון התפשטות האור בעת מעבר ממדיום אחד למשנהו, למשל, מאוויר למים. אבל אם אנחנו מדברים על עקיפה של אור (אור מתכופף סביב מכשולים, למשל, דיסק אטום), אז כאן ניתן הסבר הגיוני יותר על ידי תיאוריית הגלים. לפי תיאוריה זו, האור מתנהג כמו גלים על פני המים, אשר מסתובבים סביב גוף הספינה ומתכנסים מאחורי ירכתי. בְּ מוקדם XIXב. טיעונים משכנעים בעד תיאוריית הגלים של האור הוצגו על ידי תומס יאנג (1773-1829) ואוגוסטין פרנל (1788-1827). עם זאת, לא זה ולא זה אמר דבר על המדיום שבו מתפשט האור.

10) מאפייני קטע השרשרת:

חוזק נוכחי - , נמדד במד זרם;

מתח - , נמדד עם מד מתח;

התנגדות - , נמדד עם אוהםמטר.

11) חוק אוהם לקטע שרשרת:.

12) שני סוגים של חיבור מוליכים:

סדרתי (ראה איור 4)

אורז. 4. חיבור סדרתי של מוליכים

מקביל (ראה איור 5)

אורז. 5. חיבור מקביל של מוליכים

13) עבודה נוכחית:.

14) הספק נוכחי: .

15) כמות החום המשתחררת כאשר זרם עובר דרך המוליך:.

16) זרם חשמלי בסביבות שונות:

במתכות יש תנועה מכוונת של אלקטרונים חופשיים;

בנוזלים, התנועה המכוונת של יונים חופשיים שנוצרו כתוצאה מ ניתוק אלקטרוליטי. חוק האלקטרוליזה:

בגזים - תנועה מכוונת של יונים חופשיים ואלקטרונים שנוצרו ב

תוֹצָאָה יינון;

- במוליכים למחצה - תנועה מכוונת של אלקטרונים וחורים חופשיים;

17) מגנטים:

אלקטרומגנטים;

קבוע:

טִבעִי;

מְלָאכוּתִי.

18) סביב כל חלקיק טעון, ולכן, סביב מוליך עם זרם, יש שדה מגנטי.

19) שדה מגנטי- צורה מיוחדת של חומר הקיימת סביב חלקיקים או גופים טעונים נעים ופועלת בכוח מסוים על חלקיקים או גופים טעונים אחרים הנעים בשדה זה.

20) קווי שדה מגנטי- קווים מותנים שלאורכם נקבעים צירים של חצים מגנטיים קטנים בשדה מגנטי:

כיוון קווי השדה המגנטי עולה בקנה אחד עם הכיוון המצוין על ידי הקוטב הצפוני של המחט המגנטית (ראה איור 6);

ניתן לקבוע את כיוון קווי השדה המגנטי של מוליך עם זרם באמצעות חוקי יד ימיןאוֹ חוקי גימלט(ראה איור 7);

קווים מגנטיים יוצאים מהקוטב הצפוני ונכנסים לקוטב הדרומי;

קווי שדה מגנטי סגורים תמיד.

21) מוליך נושא זרם בשדה מגנטי פועל כוח אמפר. הכיוון שלו נקבע שלטון יד שמאל(ראה איור 8).

אורז. 7. שלטון יד ימין וכלל גימלט

אורז. 8. שלטון יד שמאל

22) תופעה השראות אלקטרומגנטית- תופעת היצירה במרחב של שדה חשמלי על ידי שדה מגנטי מתחלף.

בשיעור זה נזכרנו בעובדות שונות לגבי תופעות אלקטרומגנטיות שנחקרו קודם לכן, וכן דנו בתמונה האלקטרומגנטית הכללית של העולם.

בפעם הראשונה מחוץ למעבדה, נעשה שימוש בקשת חשמלית ב-1845 באופרה הלאומית של פריז כדי לשחזר את השפעת השמש העולה.

בתאילנד היו בעיות במהלך בניית קווי חשמל. הראשון נגע לעובדה שקופים, מחקים חשמלאים, מטפסים על החוטים לאורך העמודים ומבלבל אותם יוצרים קצר חשמלי. הפילים הציגו בעיה שנייה, כשהם קרעו את התומכים מהאדמה.

השדה המגנטי של כדור הארץ משנה את הקוטביות שלו מעת לעת, מה שגורם הן לתנודות חילוניות הנמשכות 5-10 אלף שנה, והן לכיוון מחדש לחלוטין (הקטבים המגנטיים מחליפים מקום) 2-3 פעמים במהלך מיליון שנה. עדות לכך היא השדה המגנטי ה"קפוא" בסלעי משקע ווולקני של תקופות רחוקות. עם זאת, השדה הגאומגנטי של כדור הארץ אינו מבצע שינויים כאוטיים, אלא מציית ללוח זמנים מסוים.

בארכיונים עתיקים נשתמרו רישומים המעידים על כך שהקיסר נירון, שסבל משגרון, טופל באמבטיות חשמליות. לשם כך הונחו מחליקים חשמליים באמבט עץ עם מים. בהיותו באמבטיה כזו, הקיסר נחשף לפריקות ושדות חשמליים.

במאה האחרונה הומצאה בייביסיטר החשמלית בשוויץ. הממציא הציע להניח שתי רשתות מתכת מבודדות מתחת לחיתולי תינוקות, מופרדות על ידי כרית יבשה. רשתות אלו חוברו למקור זרם במתח נמוך, וכן לפעמון חשמלי. כשהרפידה נרטבת, המעגל נסגר והפעמון אומר לאמא להחליף חיתול.

באותם אזורים של רוסיה שבהם יש כפור חמור בחורף, הבעיה של ניקוז מוצרי נפט ממיכלי רכבת מתעוררת, מכיוון שהצמיגות של מוצרי נפט בטמפרטורות נמוכות גבוהה מדי. מדענים ממכוני המזרח הרחוק פיתחו טכנולוגיה לחימום אינדוקציה חשמלי של מיכלים (ראה איור 9), שיכולה להוזיל משמעותית את עלויות האנרגיה, שכן יש צורך בכ-15 טון דלק לחימום מיכלים בקיטור.

אורז. 9. חימום אינדוקציה חשמלי של מיכלים

ל מצבי חירוםכאשר מערכות חימום ואספקת מים קופאות, פותח כלי אינדוקציה חשמלי ידני המספק חימום מהיר של צינורות ובטיחות עבודה גבוהה.

אפילו על מארזי מחסניות ומחסניות מבוזבזים, יש טביעות אצבעות של מי שהכניס אותן לנשק. ניתן לזהות את ההדפסים הללו בשיטה שפותחה על ידי מומחי מכון משפטי סרטוב. על ידי הנחת שרוול או מחסנית בשדה חשמלי כאלקטרודה, מונחת עליו סרט מתכת דק בוואקום, והדפסים שניתן לזהות נראים עליו.

משימה 1

איזו מהדמויות מציגה בצורה נכונה את הקטבים של המגנטים (ראה איור 10)?

אורז. 10. איור לבעיה

פִּתָרוֹן

קווים מגנטיים למגנט קבוע הם קווים שמתחילים בקוטב המגנטי הצפוני ומסתיימים בדרום, מחוץ למגנט עצמו. בתוך המגנט, קווים אלו סגורים, אך כבר מכוונים מהקוטב הדרומי לקוטב המגנטי הצפוני.

באיור הראשון, הקטבים מוצגים בצורה שגויה, שכן הקווים המגנטיים מופנים מהקוטב הדרומי לצפון.

באיור השני, הקטבים מוצגים בצורה שגויה, שכן הקווים המגנטיים מופנים מהקוטב הדרומי לצפון.

באיור השלישי, הקטבים מוצגים בצורה נכונה, שכן הקווים המגנטיים מופנים מהקוטב הצפוני לדרום.

בדמות הרביעית, ככל הנראה, התכוונו לשני קטבים זהים.

תשובה: באיור השלישי, הקטבים מוצגים בצורה נכונה.

נסו לענות על השאלה הזו בעצמכם: באיזו מהנקודות הללו פעולת המגנט היא החזקה ביותר, ובאיזה - הקטנה ביותר (ראה איור 11)?

אורז. 11. איור לבעיה

אתה יכול לפתור בעיה זו על ידי לזכור כיצד קווים מגנטיים מופצים בחלל ליד מגנט קבוע.

1. Gendenstein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. / אד. Orlova V.A., Roizena I.I. פיזיקה 8. - M.: Mnemosyne.
2. פרישקין א.ו. פיזיקה 8. - M.: Bustard, 2010.
3. Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. פיזיקה 8. - מ.: הארה.

1. Class-fizika.narod.ru ().
2. Click.ru ().
3. Click.ru ().

שיעורי בית

1. מה מאשר את קיומו של השדה המגנטי של כדור הארץ?
2. הגדר קווים מגנטיים. מהם קווים מגנטיים של זרם ישר, סלילים עם זרם?
3. מה נתן למדע ליצור תמונה אלקטרומגנטית של העולם?
4. כוח אמפר. שלטון יד שמאל.
5. מתח של 12 mV מופעל על מוליך ברזל באורך 10 מ' ו-2 מ"מ בחתך רוחב. מה עוצמת הזרם הזורם דרך המוליך?
6. מנורות חשמליות בעלות התנגדות של 200 אוהם ו-400 אוהם מחוברות במקביל ומחוברות למקור זרם. איך קשורות כמויות החום? ש 1 ו ש 2 הנפלטים מהמנורות בו זמנית?

בשיעור זה, הנושא שלו הוא: "שדה אלקטרומגנטי", נדון במושג "שדה אלקטרומגנטי", בתכונות הביטוי שלו ובפרמטרים של שדה זה.

אנחנו מדברים על טלפון נייד. כיצד מועבר האות? כיצד מועבר אות מתחנת חלל שטסה למאדים? בתוך הריק? כן, אולי אין חומר, אבל גם זו לא ריקנות, יש משהו אחר שדרכו מועבר האות. למשהו הזה קוראים שדה אלקטרומגנטי. זה לא ניתן לצפייה ישירה, אלא אובייקט אמיתי של הטבע.

אם אות הקול הוא שינוי בפרמטרים של חומר, למשל אוויר (איור 1), אז אות הרדיו הוא שינוי בפרמטרים של שדה ה-EM.

אורז. 1. הפצה גל קולבאוויר

המילים "חשמלי" ו"מגנטי" ברורות לנו, כבר חקרנו בנפרד תופעות חשמליות (איור 2) ותופעות מגנטיות (איור 3), אבל מדוע אם כן מדברים על שדה אלקטרומגנטי? היום נבין את זה.

אורז. 2. שדה חשמלי

אורז. 3. שדה מגנטי

דוגמאות לתופעות אלקטרומגנטיות.

במיקרוגל נוצרים שדות אלקטרומגנטיים חזקים והכי חשוב המשתנים במהירות רבה הפועלים על מטען חשמלי. וכידוע, אטומים ומולקולות של חומרים מכילים מטען חשמלי (איור 4). כאן פועל עליו השדה האלקטרומגנטי ומאלץ את המולקולות לנוע מהר יותר (איור 5) - הטמפרטורה עולה והמזון מתחמם. לקרני רנטגן, לקרני אולטרה סגול, לאור נראה יש את אותו אופי.

אורז. 4. מולקולת המים היא דיפול

אורז. 5. תנועת מולקולות בעלות מטען חשמלי

במיקרוגל השדה האלקטרומגנטי מעניק אנרגיה לחומר המשמש לחימום, האור הנראה מעניק אנרגיה לקולטני העין המשמשת להפעלת הקולטן (איור 6), האנרגיה של קרניים אולטרה סגולות משמשת להיווצרות מלנין בעור (כוויות שמש, איור 7), ואנרגיית רנטגן גורמת להשחרת הסרט, עליו ניתן לראות תמונה של השלד שלך (איור 8). לשדה האלקטרומגנטי בכל המקרים הללו יש פרמטרים שונים, ולכן יש לו השפעה שונה.

אורז. 6. סכימה מותנית של הפעלה של קולטן העין על ידי אנרגיית האור הנראה

אורז. 7. שיזוף עור

אורז. 8. השחרת הסרט בצילום רנטגן

אז אנחנו נתקלים בשדה האלקטרומגנטי הרבה יותר ממה שהוא נראה, והתרגלנו זה מכבר לתופעות הקשורות אליו.

אז, אנו יודעים ששדה חשמלי נוצר סביב מטענים חשמליים (איור 9). הכל ברור כאן.

אורז. 9. שדה חשמלי סביב מטען חשמלי

אם מטען חשמלי נע, אז סביבו, כפי שחקרנו, נוצר שדה מגנטי (איור 10). כאן כבר נשאלת השאלה: מטען חשמלי נע, יש סביבו שדה חשמלי, מה הקשר לשדה המגנטי? שאלה נוספת: אנחנו אומרים "המטען זז". אבל אחרי הכל, תנועה היא יחסית, והיא יכולה לנוע במסגרת ייחוס אחת, ולנוח במסגרת אחרת (איור 11). אז, במסגרת ייחוס אחת, השדה המגנטי יתקיים, אך לא במסגרת השנייה? אבל השדה לא אמור להתקיים או לא להתקיים, תלוי בבחירת מערכת ההתייחסות.

אורז. 10. שדה מגנטי סביב מטען חשמלי נע

אורז. 11. יחסיות תנועת המטען

העובדה היא שיש שדה אלקטרומגנטי יחיד, ויש לו מקור יחיד - מטען חשמלי. יש לו שני מרכיבים. שדות חשמליים ומגנטיים הם ביטויים נפרדים, מרכיבים נפרדים של שדה אלקטרומגנטי בודד, המתבטאים בצורה שונה במערכות ייחוס שונות (איור 12).

אורז. 12. ביטויים של השדה האלקטרומגנטי

ניתן לבחור מסגרת התייחסות שבה יופיע רק השדה החשמלי, או רק השדה המגנטי, או שניהם בבת אחת. עם זאת, לא ניתן לבחור מסגרת ייחוס שבה הן הרכיבים החשמליים והן המגנטיים יהיו אפסים, כלומר, בה השדה האלקטרומגנטי יחדל להתקיים.

בהתאם למערכת ההתייחסות, אנו רואים רכיב אחד של השדה, או רכיב אחר, או שניהם. זה כמו תנועה של גוף במעגל: אם מסתכלים על גוף כזה מלמעלה, נראה תנועה במעגל (איור 13), אם מהצד, נראה תנודות לאורך הקטע (איור 13). 14). בכל הקרנה על ציר הקואורדינטות, תנועה מעגלית היא תנודות.

אורז. 13. תנועת הגוף במעגל

אורז. 14. רעידות של גוף לאורך קטע

אורז. 15. הקרנה של תנועות מעגליות על ציר הקואורדינטות

אנלוגיה נוספת היא הקרנה של פירמידה על מישור. ניתן להקרין אותו לתוך משולש או ריבוע. במטוס מדובר בדמויות שונות לחלוטין, אבל כל זה פירמידה, שמסתכלים עליה מצדדים שונים. אבל אין זווית כזו, במבט ממנה תיעלם הפירמידה לחלוטין. זה רק ייראה יותר כמו ריבוע או משולש (איור 16).

אורז. 16. הקרנות של הפירמידה על המטוס

שקול מוליך נושא זרם. בו, מטענים שליליים מפוצים על ידי חיוביים, השדה החשמלי סביבו הוא אפס (איור 17). השדה המגנטי אינו שווה לאפס (איור 18), שקלנו את התרחשות שדה מגנטי סביב מוליך נושא זרם. אנו בוחרים מסגרת ייחוס שבה האלקטרונים היוצרים את הזרם החשמלי יהיו ללא תנועה. אבל במסגרת התייחסות זו ביחס לאלקטרונים, היונים הטעונים חיובית של המוליך ינועו בכיוון ההפוך: עדיין נוצר שדה מגנטי (איור 18).

אורז. 17. מוליך עם זרם, שהשדה החשמלי שלו אפס

אורז. 18. שדה מגנטי סביב מוליך עם זרם

אם האלקטרונים היו בוואקום, במסגרת ייחוס זו היה נוצר סביבם שדה חשמלי, מכיוון שהם אינם מתוגמלים במטענים חיוביים, אך לא היה שדה מגנטי (איור 19).

אורז. 19. שדה חשמלי סביב אלקטרונים בוואקום

הבה נבחן דוגמה נוספת. קח מגנט קבוע. יש לו שדה מגנטי סביבו, אך אין לו שדה חשמלי. אכן, מכיוון שהשדה החשמלי של פרוטונים ואלקטרונים מפוצה (איור 20).

אורז. 20. שדה מגנטי סביב מגנט קבוע

ניקח מסגרת התייחסות בה המגנט נע. שדה חשמלי מערבולת יופיע סביב מגנט קבוע נע (איור 21). איך לזהות אותו? הבה נמקם טבעת מתכת (קבועה במסגרת הייחוס הנתונה) בנתיב המגנט. יופיע בו זרם - זוהי תופעה ידועה של אינדוקציה אלקטרומגנטית: כאשר השטף המגנטי משתנה, נוצר שדה חשמלי המוביל לתנועת מטענים, להופעת זרם (איור 22). במסגרת ייחוס אחת אין שדה חשמלי, אך באחרת הוא מופיע.

אורז. 21. שדה חשמלי וורטקס סביב מגנט קבוע נע

אורז. 22. תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית

שדה מגנטי של מגנט קבוע

בכל חומר אפשר לחשוב על האלקטרונים שמסתובבים סביב הגרעין כעל זרם חשמלי קטן שזורם במעגל (איור 23). זה אומר שיש סביבו שדה מגנטי. אם החומר אינו ממוגנט, אזי מישורי הסיבוב של האלקטרונים מכוונים באופן שרירותי והשדות המגנטיים מאלקטרונים בודדים מפצים זה את זה, מכיוון שהם מכוונים באופן אקראי.

אורז. 23. ייצוג סיבוב האלקטרונים סביב הגרעין

בחומרים מגנטיים, דווקא מישורי הסיבוב של אלקטרונים מכוונים בערך באותו אופן (איור 24). לכן, השדות המגנטיים מכל האלקטרונים מצטברים, ומתקבל שדה מגנטי שאינו אפס בקנה מידה של המגנט כולו.

אורז. 24. סיבוב אלקטרונים בחומרים מגנטיים

מסביב למגנט קבוע יש שדה מגנטי, או ליתר דיוק המרכיב המגנטי של השדה האלקטרומגנטי (איור 25). האם נוכל למצוא מסגרת התייחסות כזו שבה הרכיב המגנטי מתבטל והמגנט מאבד את תכונותיו? עדיין לא. ואכן, האלקטרונים מסתובבים באותו מישור (ראה איור 24), בכל רגע בזמן, מהירויות האלקטרונים אינן מכוונות לאותו כיוון (איור 26). אז אי אפשר למצוא מסגרת התייחסות שבה כולם קופאים והשדה המגנטי נעלם.

אורז. 25. שדה מגנטי סביב מגנט קבוע

לפיכך, שדות חשמליים ומגנטיים הם ביטויים שונים של שדה אלקטרומגנטי יחיד. אי אפשר לומר שבנקודה מסוימת בחלל יש רק שדה מגנטי או רק שדה חשמלי. יכול להיות שיש כזה או אחר. הכל תלוי במסגרת ההתייחסות שממנה אנו רואים נקודה זו.

מדוע דיברנו בעבר על שדות חשמליים ומגנטיים בנפרד? ראשית, זה קרה היסטורית: אנשים יודעים זמן רב על המגנט, אנשים צפו זמן רב בפרווה מחושמלת נגד ענבר, ואף אחד לא ניחש שלתופעות אלה יש אותו אופי. ושנית, זה דגם נוח. בבעיות שבהן איננו מעוניינים ביחס בין הרכיבים החשמליים והמגנטיים, נוח לשקול אותם בנפרד. שני מטענים במנוחה במסגרת ייחוס נתונה מקיימים אינטראקציה דרך שדה חשמלי - אנו מיישמים עליהם את חוק קולומב, איננו מעוניינים בעובדה שאותם אלקטרונים יכולים לנוע בתוך מסגרת ייחוס כלשהי וליצור שדה מגנטי, ואנו מצליחים לפתור את הבעיה (איור 27).

אורז. 27. חוק קולומב

פעולתו של שדה מגנטי על מטען נע נחשבת במודל אחר, והיא גם, במסגרת ישימותו, פועלת היטב בפתרון מספר בעיות (איור 28).

אורז. 28. שלטון יד שמאל

בואו ננסה להבין כיצד מרכיבי השדה האלקטרומגנטי מחוברים זה לזה.

יש לציין שהקשר המדויק הוא די מסובך. הוא פותח על ידי הפיזיקאי הבריטי ג'יימס מקסוול. הוא הסיק את 4 משוואות מקסוול המפורסמות (איור 29), שנלמדות באוניברסיטאות ודורשות ידע במתמטיקה גבוהה יותר. כמובן, לא נלמד אותם, אלא בכמה מילים פשוטותבואו נבין למה הם מתכוונים.

אורז. 29. משוואות מקסוול

מקסוול הסתמך על עבודתו של פיזיקאי אחר - פאראדיי (איור 30), שפשוט תיאר בצורה איכותית את כל התופעות. הוא עשה רישומים (איור 31), הערות שעזרו מאוד למקסוול.

אורז. 31. רישומים מאת מייקל פאראדיי מחשמל (1852)

פאראדיי גילה את תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית (איור 32). בואו נזכור מה זה. שדה מגנטי מתחלף יוצר EMF של אינדוקציה במוליך. במילים אחרות, שדה מגנטי מתחלף (כן, במקרה זה, לא מטען חשמלי) יוצר שדה חשמלי. שדה חשמלי זה הוא מערבולת, כלומר הקווים שלו סגורים (איור 33).

אורז. 32. ציורים של מייקל פאראדיי לניסוי

אורז. 33. אינדוקציה EMF במוליך

בנוסף, אנו יודעים ששדה מגנטי נוצר על ידי תנועה מטען חשמלי. נכון יותר יהיה לומר שהוא נוצר על ידי שדה חשמלי מתחלף. כאשר מטען זז, השדה החשמלי בכל נקודה משתנה, ושינוי זה יוצר שדה מגנטי (איור 34).

אורז. 34. הופעת שדה מגנטי

ניתן להבחין בהופעת שדה מגנטי בין לוחות הקבלים. כאשר הוא נטען או נפרק, נוצר שדה חשמלי מתחלף בין הלוחות, אשר בתורו יוצר שדה מגנטי. במקרה זה, קווי השדה המגנטי יהיו במישור המאונך לקווי השדה החשמלי (איור 35).

אורז. 35. הופעת שדה מגנטי בין הלוחות של הקבל

ועכשיו בואו נסתכל על משוואות מקסוול (איור 29), להלן לצורך היכרות ניתן פענוח קטן שלהן.

האייקון - divergence - הוא אופרטור מתמטי, הוא מדגיש את הרכיב של השדה שיש לו מקור, כלומר, קווי השדה מתחילים ונגמרים במשהו. תסתכל על המשוואה השנייה: המרכיב הזה של השדה המגנטי הוא אפסי: קווי השדה המגנטי לא מתחילים או מסתיימים בשום דבר, אין מטען מגנטי. תסתכל על המשוואה הראשונה: מרכיב זה של השדה החשמלי פרופורציונלי לצפיפות המטען. שדה חשמלי נוצר ממטען חשמלי.

המעניינות ביותר הן שתי המשוואות הבאות. הסמל - רוטור - הוא אופרטור מתמטי המדגיש את מרכיב המערבולת של השדה. המשוואה השלישית פירושה ששדה חשמלי מערבולת נוצר על ידי שדה מגנטי משתנה בזמן (היא הנגזרת, שמשמעותה, כפי שאתה יודע מהמתמטיקה, קצב השינוי של השדה המגנטי). כלומר, אנחנו מדברים על אינדוקציה אלקטרומגנטית.

המשוואה הרביעית מראה, אם לא שמים לב למקדמי המידתיות: שדה מגנטי מערבולת נוצר על ידי שדה חשמלי משתנה, וגם התחשמלות( - צפיפות נוכחית). אנחנו מדברים על מה שאנחנו יודעים היטב: שדה מגנטי נוצר על ידי מטען חשמלי נע ו.

כפי שניתן לראות, שדה מגנטי מתחלף יכול ליצור שדה חשמלי מתחלף, ושדה חשמלי מתחלף, בתורו, יוצר שדה מגנטי לסירוגין, וכן הלאה (איור 36).

אורז. 36. שדה מגנטי מתחלף יכול ליצור שדה חשמלי מתחלף, ולהיפך

כתוצאה מכך יכול להיווצר גל אלקטרומגנטי בחלל (איור 37). לגלים הללו יש ביטויים שונים – אלו הם גלי רדיו, ואור נראה, אולטרה סגול וכו'. נדבר על כך בשיעורים הבאים.

אורז. 37. גל אלקטרומגנטי

בִּיבּלִיוֹגְרָפִיָה

1. Kasyanov V.A. פיזיקה. כיתה יא: פרוק. לחינוך כללי מוסדות. - M.: Bustard, 2005.
2. מיאקישב ג.יא. פיזיקה: פרוק. עבור 11 תאים. חינוך כללי מוסדות. - מ.: חינוך, 2010.

1. פורטל האינטרנט "studopedia.su" ()
2. פורטל האינטרנט "worldofschool.ru" ()

שיעורי בית

1. האם ניתן לזהות שדה מגנטי במסגרת הייחוס הקשורה לאחד האלקטרונים הנעים באופן אחיד בזרם שנוצר בקינסקופ של הטלוויזיה?
2. איזה שדה מתעורר סביב אלקטרון שנע במסגרת ייחוס נתונה במהירות קבועה?
3. איזה שדה ניתן למצוא סביב ענבר לא נייד טעון בחשמל סטטי? מסביב לנוע? נמק תשובות.