Коротко
Вихревое электрическое поле — это особый вид электрического поля, которое возникает не из-за неподвижных электрических зарядов, а из-за изменений магнитного поля во времени. Его главная особенность — силовые линии не начинаются и не заканчиваются на зарядах, а замкнуты, образуя вихри. Именно такое поле заставляет электроны двигаться в проводнике, если рядом меняется магнитный поток, например, в трансформаторах или генераторах.
Определение
Вихревое электрическое поле — это электрическое поле, силовые линии которого являются замкнутыми, возникающее вследствие изменения магнитного потока во времени.
Формула
ЭДС индукции = -dФ/dt
- ЭДС индукции — электродвижущая сила индукции
- Ф — магнитный поток
- t — время
Единицы измерения: вольт (В)
Как оно возникает
В отличие от электростатического поля, которое порождается неподвижными электрическими зарядами, вихревое электрическое поле появляется там, где меняется магнитное поле. Например, если вы поднесете магнит к катушке и резко его вдвинете или выдвинете, внутри катушки возникнет вихревое электрическое поле. Чем быстрее меняется магнитное поле (или магнитный поток, пронизывающий контур), тем сильнее будет вихревое электрическое поле. Это явление лежит в основе принципа работы многих электрических машин.
Замкнутые силовые линии
Главное отличие вихревого электрического поля от электростатического — это форма его силовых линий. У электростатического поля силовые линии всегда начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. У вихревого поля силовые линии замкнуты, то есть они не имеют начала и конца, а образуют замкнутые контуры (вихри), как круги или эллипсы. Это означает, что вихревое поле не может быть описано с помощью потенциала, как это делается для электростатического поля.
Где проявляется его действие
Действие вихревого электрического поля мы наблюдаем как явление электромагнитной индукции. Именно это поле заставляет заряды (например, электроны в металлическом проводнике) двигаться по замкнутому контуру, создавая индукционный ток. Это происходит без прямого контакта с источником энергии, а только за счет изменения магнитного поля. Например, когда магнитом двигают внутри катушки, свободные электроны в проводе начинают упорядоченное движение, образуя электрический ток.
Как найти и применять
- Определите область, где изменяется магнитное поле или магнитный поток.
- Представьте замкнутый контур в этой области.
- Направление вихревого электрического поля можно найти по правилу Ленца: оно стремится противодействовать изменению магнитного потока, которое его вызвало.
- Величина поля связана со скоростью изменения магнитного потока через контур.
Разбор задач
Задача 1
Медный проводник длиной 0.5 м движется перпендикулярно линиям индукции однородного магнитного поля со скоростью 10 м/с. Модуль магнитной индукции равен 0.2 Тл. Какова ЭДС индукции, возникающая в проводнике?
В данном случае, хотя проводник движется, это эквивалентно изменению магнитного потока через контур, который можно мысленно образовать. Формула для ЭДС индукции в движущемся проводнике: ЭДС = B * L * v. Подставим значения: ЭДС = 0.2 Тл * 0.5 м * 10 м/с = 1 В.
Ответ: 1 В
Где это встречается
- Электрические генераторы — Вращение катушки в магнитном поле приводит к изменению магнитного потока через нее, что генерирует вихревое электрическое поле и, соответственно, электрический ток.
- Трансформаторы — Переменный ток в первичной обмотке создает переменное магнитное поле, которое пронизывает вторичную обмотку. Это изменяющееся магнитное поле индуцирует вихревое электрическое поле и ЭДС во вторичной обмотке.
- Индукционные плиты — Переменное магнитное поле, создаваемое катушкой плиты, порождает вихревые токи (Фуко) в дне металлической посуды. Эти токи нагревают посуду за счет сопротивления.
- Металлоискатели — Переменное магнитное поле от катушки металлоискателя индуцирует вихревые токи в металлических предметах, создавая вторичное магнитное поле, которое улавливается прибором.
Типичные ошибки
| Неверно | Верно | Почему |
|---|---|---|
| Считать, что вихревое электрическое поле создается зарядами. | Вихревое электрическое поле создается только изменяющимся магнитным полем. | Поле зарядов — это электростатическое поле, которое имеет другие свойства (например, потенциал). |
| Представлять силовые линии вихревого поля как начинающиеся и заканчивающиеся на чем-либо. | Силовые линии вихревого электрического поля всегда замкнуты, они образуют кольца или вихри. | Это фундаментальное свойство вихревого поля, отличающее его от электростатического. |
| Думать, что вихревое поле всегда существует, если есть магнитное поле. | Вихревое электрическое поле возникает только тогда, когда магнитное поле ИЗМЕНЯЕТСЯ во времени. | Постоянное магнитное поле не вызывает индукции электрического поля. |
Не путать
- Электростатическое поле — Электростатическое поле создается неподвижными электрическими зарядами, его силовые линии начинаются и заканчиваются на зарядах. Вихревое поле создается изменяющимся магнитным полем, его силовые линии замкнуты.
- Магнитное поле — Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами или переменным электрическим полем. Вихревое электрическое поле, в свою очередь, создается изменяющимся магнитным полем. Это две стороны одного явления – электромагнетизма.
Откуда взялось понятие
Понятие вихревого электрического поля тесно связано с работами Майкла Фарадея по электромагнитной индукции (1831 год). Джеймс Максвелл математически описал это явление в своих уравнениях (середина 19 века), показав взаимосвязь электрических и магнитных полей.
Как запомнить
Вихревое поле – это электричество от изменяющегося магнита, оно кружит и не имеет начала и конца.
Проверь себя
3 задания-
Какое условие необходимо для возникновения вихревого электрического поля?
Ответ
Изменение магнитного поля (или магнитного потока) во времени. -
Какова форма силовых линий вихревого электрического поля?
Ответ
Силовые линии вихревого электрического поля замкнуты. -
Может ли вихревое электрическое поле быть создано неподвижными электрическими зарядами?
Ответ
Нет, неподвижные электрические заряды создают электростатическое поле.
Частые вопросы
Почему вихревое электрическое поле нельзя описать через потенциал?
Потенциал вводится для полей, где работа поля по замкнутому контуру равна нулю, что характерно для электростатических полей. Для вихревого поля работа по замкнутому контуру не равна нулю (она равна ЭДС индукции), поэтому понятие потенциала для него не применимо.
Как направить вихревое электрическое поле?
Направление вихревого электрического поля тесно связано с правилом Ленца и правилом правой руки (или штопора). Если магнитный поток увеличивается, то вихревое поле создает ток, который направлен так, чтобы создавать магнитное поле, противодействующее этому увеличению. И наоборот.
Всегда ли вихревое электрическое поле порождает ток?
Не всегда. Вихревое электрическое поле порождает ток только в проводящей среде, где есть свободные заряды, которые могут двигаться под его действием. В вакууме или диэлектрике вихревое поле существует, но ток не возникает.
Является ли молния проявлением вихревого электрического поля?
Молния – это проявление электростатического поля, связанного с разделением зарядов в грозовых облаках. Вихревое электрическое поле не является основной причиной молний, хотя сильные электромагнитные импульсы во время разряда могут порождать свои вихревые поля.
Спросить про это понятие
Вихревое электрическое поле
Где это изучается
4 параграфаОдна и та же тема разложена по разным учебникам — можно сравнить формулировки и выбрать более понятную.