§ 43. Вихревое электрическое поле

Определения и обозначения

Вихревое электрическое поле — поле, возникающее при изменении магнитного поля и действующее на электрические заряды. Оно сообщает зарядам силу и может появиться даже в пустом пространстве, где нет провода. Это понятие объясняет, откуда берётся действие на заряды при электромагнитной индукции.

Силовые линии вихревого электрического поля — замкнутые линии, направление которых показывает, куда направлена сила, действующая на положительный заряд. Такие линии помогают наглядно представить направление поля вокруг области, где меняется магнитное поле. Замкнутость показывает, что линии не начинаются и не заканчиваются на электрических зарядах.

Индуцированный ток — ток, возникающий в замкнутом проводнике под действием вихревого электрического поля. Поле приводит в движение свободные заряды проводника, и они начинают упорядоченно перемещаться по цепи. Термин нужен, чтобы отличать этот ток от тока, который создаёт батарейка.

Электродвижущая сила индукции характеризует действие вихревого электрического поля на заряды в цепи. Она показывает, насколько поле способно перемещать заряды по замкнутому контуру. Это не сила, действующая на один заряд, а характеристика действия поля во всей цепи.

Как это устроено

Магнитное поле может меняться, например, если магнит движется относительно катушки или меняется сила самого поля. Такое изменение не просто влияет на уже находящиеся рядом заряды, а создаёт электрическое поле в окружающем пространстве. Поэтому электрическое действие обнаруживается даже до того, как туда поместили проводник. Проводник не создаёт это поле, а лишь позволяет заметить его действие по движению зарядов.

В металле есть свободные заряды, которые могут перемещаться. Когда проводник оказывается в вихревом электрическом поле, поле действует на эти заряды и заставляет их двигаться направленно. Если проводник образует замкнутую цепь, движение зарядов не прерывается на концах и возникает ток. В разомкнутой цепи поле тоже может действовать на заряды, но устойчивого тока по всему контуру не будет.

У электростатического поля есть электрические заряды-источники: силовые линии выходят из положительных зарядов и входят в отрицательные. Вихревое поле имеет другую причину — изменение магнитного поля, поэтому его линии не могут начинаться или заканчиваться на таких источниках. Они образуют замкнутые контуры. Это свойство называют вихревым характером поля: направление силы на заряд прослеживается по замкнутой линии.

Направление вихревого поля связано с тем, как меняется магнитное поле. Если направление изменения поменять на противоположное, поменяется и направление действия поля на положительный заряд, а в замкнутой катушке — направление индуцированного тока. Ток создаёт собственное магнитное поле, которое противодействует изменению, вызвавшему ток. Поэтому при разборе опыта нужно учитывать не только наличие магнитного поля, но и то, усиливается оно или ослабевает.

Для возникновения вихревого поля не нужны электрические заряды, которые создавали бы электростатическое поле. Его причиной служит изменение магнитного поля, а не разделение зарядов. Поэтому поле может существовать вокруг катушки или магнита и в пространстве, где нет проводника. Если проводник туда поместить, поле начнёт действовать на его свободные заряды, но само поле появляется независимо от этого.

Сравнение электростатического и вихревого электрических полей

Сравнивай поля прежде всего по причине возникновения и форме силовых линий: эти признаки отличают их друг от друга. Последняя строка показывает общее условие для появления тока: проводник должен образовывать замкнутую цепь. Наличие поля само по себе ещё не означает, что в цепи обязательно течёт ток.

Разбор задач

Задача 1. В замкнутую проводящую катушку вдвигают магнит. Почему возникает ток? Нужно проследить не за магнитом самим по себе, а за тем, что происходит с магнитным полем в области катушки. Затем можно связать это изменение с движением зарядов.

1. При вдвигании магнита магнитное поле через катушку изменяется: меняются его величина и распределение.
2. Из-за этого изменения вокруг возникает вихревое электрическое поле. Оно действует на свободные заряды проводника.
3. Катушка замкнута, поэтому заряды могут двигаться по всему контуру. Их упорядоченное движение и есть индуцированный ток.

Ответ: ток возникает потому, что изменяющееся магнитное поле создаёт вихревое электрическое поле, которое приводит в движение заряды в замкнутой катушке.

Задача 2. Магнит неподвижен, а катушку отодвигают от него. Возникнет ли ток? Для ответа важно проверить, меняется ли магнитное поле, проходящее через катушку, а не выяснять, движется ли именно магнит.

1. При удалении катушки от магнита меняется взаимное расположение катушки и магнита.
2. Из-за этого магнитное поле через катушку становится другим, хотя магнит остаётся неподвижным.
3. Изменение поля создаёт вихревое электрическое поле, которое действует на заряды. Поскольку катушка замкнута, заряды движутся по цепи.

Ответ: ток возникнет, если при удалении катушки магнитное поле через неё изменяется. Двигаться может магнит, катушка или и то и другое — решающим является изменение поля.

Задача 3. Магнитное поле через замкнутую катушку изменяется быстрее, чем прежде. Как изменятся действие вихревого поля и ток? Сначала сравним изменение поля, а затем учтём, что ток зависит не только от самого поля.

1. Более быстрое изменение магнитного поля означает более сильное индукционное действие.
2. Поэтому действие вихревого электрического поля на заряды становится сильнее, а электродвижущая сила индукции возрастает.
3. Если сопротивление катушки и остальные условия не меняются, индуцированный ток будет больше. При изменении свойств цепи величина тока может измениться иначе.

Ответ: при более быстром изменении магнитного поля индукционное действие усиливается. Ток обычно становится больше при неизменных свойствах цепи, но зависит также от её сопротивления.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что поле возникает только при движении магнита. Так думают, потому что в опытах часто перемещают магнит относительно катушки, но важен не сам факт движения. Проверь себя вопросом: меняется ли магнитное поле в рассматриваемой области? Оно может меняться и при неподвижном магните, например когда движется катушка.

Ошибка — помещать вихревое электрическое поле только внутрь проводника. Проводник нужен для появления тока, поэтому эти два явления легко перепутать. Чтобы проверить рассуждение, мысленно убери проводник: если магнитное поле продолжает изменяться, вихревое поле всё равно существует в пространстве.

Ошибка — изображать силовые линии вихревого поля незамкнутыми, как линии электростатического поля. Причина обычно в том, что свойства двух электрических полей смешивают. Сверься с причиной: линии электростатического поля связаны с зарядами-источниками, а линии вихревого поля замыкаются вокруг области изменения магнитного поля.

Ошибка — считать, что появление поля и появление тока означают одно и то же. Ток возникает только тогда, когда поле действует на заряды в проводнике, образующем замкнутую цепь. Проверь себя: сначала установи, меняется ли магнитное поле, а потом выясни, есть ли замкнутый проводник. Если его нет, поле может быть, а тока в проводнике не будет.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об электрическом и магнитном полях, электрическом токе и силовых линиях магнитного поля. Вихревое электрическое поле объясняет электромагнитную индукцию — появление тока в опытах с магнитом и катушкой. Тот же принцип используют генераторы, в которых изменяющееся магнитное поле помогает получать электрический ток. Представление о вихревом поле также помогает разобраться в самоиндукции, когда изменение тока в цепи влияет на поле и вызывает индукционное действие в этой же цепи.

Что запомнить

• Изменение магнитного поля вызывает вихревое электрическое поле.
• Вихревое поле действует на электрические заряды.
• Силовые линии вихревого электрического поля замкнуты.
• Вихревое электрическое поле может существовать без проводника.
• В замкнутой цепи действие поля может вызвать индуцированный ток.
• Для возникновения поля важно изменение магнитного поля, а не само по себе наличие магнита.