§ 17. Электромагнитное поле

Определения и обозначения

Электромагнитное поле — единое физическое поле, проявлениями которого служат электрическое и магнитное поля. Они не существуют как совершенно независимые сущности: при изменении одно может порождать другое. Это понятие помогает описывать электрические и магнитные взаимодействия как части одного явления.

Вихревое электрическое поле — электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля. Его силовые линии замкнуты, то есть не начинаются и не заканчиваются на зарядах. Такое поле объясняет электромагнитную индукцию и может действовать даже вне проводника.

Ток смещения — введённое Максвеллом представление о вкладе изменяющегося электрического поля в создание магнитного поля. Название не означает, что заряды движутся через пустой промежуток между обкладками конденсатора. Понятие позволяет описать магнитное поле там, где обычного проводящего тока нет.

Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве электромагнитное поле. Её существование связано с взаимным порождением изменяющихся электрического и магнитного полей. Это понятие нужно, чтобы объяснять передачу электромагнитных возмущений, например радиосигналов.

Как это устроено

Закон электромагнитной индукции связывает изменение магнитного потока через контур с возникновением индукционного электрического поля. Если контур замкнут и проводит ток, это поле приводит свободные заряды в движение, поэтому появляется индукционный ток. Само электрическое поле не является следствием движения зарядов в проводнике: оно может существовать и в пространстве вокруг него. Проводник лишь позволяет обнаружить действие поля по возникшему току.

Индукционное электрическое поле называют вихревым, потому что его силовые линии образуют замкнутые контуры. Это отличает его от электростатического поля, чьи линии начинаются и заканчиваются на зарядах. Работа вихревого поля по замкнутому контуру не равна нулю: именно она может поддерживать движение зарядов по этому контуру. Поэтому для описания такого поля недостаточно представления только о неподвижных зарядах.

Максвелл предположил, что связь полей действует и в обратном направлении: изменяющееся электрическое поле создаёт магнитное. Это позволило согласовать описание магнитного поля в ситуациях, где меняется электрическое поле, но нет обычного тока проводимости. Вклад такого изменения и называют током смещения. Речь идёт не о новом потоке частиц, а о роли меняющегося поля в создании магнитного.

Это видно на примере заряжающегося конденсатора. По проводам к его обкладкам движутся заряды, и их количество на обкладках меняется; между обкладками при этом меняется электрическое поле. Через сам зазор проводящий ток не идёт, потому что там нет соединяющего обкладки проводника. Однако изменяющееся электрическое поле связано с магнитным полем, поэтому отсутствие движения зарядов через зазор не означает отсутствия магнитного поля.

Если электрическое поле меняется, оно создаёт магнитное поле; если меняется магнитное — оно создаёт электрическое. Возникшее поле может изменяться в соседней области пространства и порождать следующее поле. Так возмущение передаётся дальше без переноса вещества от источника к наблюдателю. Распространяющаяся таким образом взаимосвязанная система полей представляет собой электромагнитную волну.

Электрическое и магнитное поля в электромагнитном поле

Сравнивайте поля по источнику и способу действия: это помогает не смешивать электрическое воздействие на заряд с магнитным воздействием на движущийся заряд. Строки о взаимной связи показывают, как изменение одного поля связано с появлением другого. Последняя строка помогает увидеть, что в электромагнитной волне поля распространяются совместно.

Разбор задач

Изменение магнитного потока через контур

Магнитный поток через замкнутый проводящий контур изменяется. Нужно объяснить, почему в контуре возникает индукционный ток. Считайте, что контур неподвижен и образует замкнутый путь для зарядов.

1. Изменение магнитного потока означает, что магнитное поле меняется относительно контура. Это изменение порождает вихревое электрическое поле.
2. Силы электрического поля действуют на свободные заряды в проводнике. Поскольку контур замкнут, заряды могут двигаться по нему.
3. Упорядоченное движение зарядов в проводнике и есть электрический ток. Значит, ток возникает благодаря полю, а не потому, что магнитное поле само переносит заряды.

Ответ: изменяющееся магнитное поле создаёт вихревое электрическое поле, которое приводит заряды в контуре в движение и вызывает индукционный ток.

Заряжающийся конденсатор в цепи переменного тока

Конденсатор заряжается в цепи переменного тока, и требуется объяснить, почему магнитное поле связано с пространством между обкладками. Важно отличать зазор от проводов цепи. Через зазор заряды не проходят, однако состояние электрического поля там меняется.

1. Переменный ток меняет заряд обкладок во времени. Поэтому меняется и электрическое поле, существующее между ними.
2. Согласно идее Максвелла, изменяющееся электрическое поле создаёт магнитное поле. Этот вклад называют током смещения.
3. Ток смещения не означает движение зарядов через зазор. Он учитывает действие меняющегося поля и позволяет описать магнитное поле между обкладками.

Ответ: магнитное поле связано с изменением электрического поля между обкладками; проводящий ток через зазор для этого не требуется.

Распространение электромагнитного возмущения

Источник создаёт переменное электрическое поле, которое вызывает магнитное поле. Затем это магнитное поле вызывает электрическое поле в соседней области. Нужно объяснить, почему такой процесс может распространяться дальше от источника.

1. Изменяющееся электрическое поле создаёт магнитное поле, а изменение магнитного поля создаёт электрическое. Это две части единого процесса.
2. В соседней области возникшее поле тоже меняется и становится причиной появления другого поля. Значит, возмущение может передаваться от области к области.
3. При распространении меняются оба поля; переносить вещество для передачи такого возмущения не нужно. Их совместное распространение и называют электромагнитной волной.

Ответ: взаимное порождение изменяющихся электрического и магнитного полей передаёт возмущение в пространстве в виде электромагнитной волны.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что электрическое поле бывает только вокруг неподвижных зарядов. Так думают, потому что именно заряды часто приводят как источник электрического поля. Но изменение магнитного поля тоже создаёт электрическое поле, причём оно может существовать без проводника. Проверьте себя: если магнитное поле меняется, нужно учитывать вихревое электрическое поле.

Ошибка — полагать, что между обкладками заряжающегося конденсатора магнитного поля нет, раз заряды через зазор не движутся. Такое рассуждение учитывает только ток проводимости и забывает, что электрическое поле между обкладками меняется. По идее Максвелла, это изменение создаёт магнитное поле. Для проверки разделите два вопроса: есть ли движение зарядов через зазор и меняется ли там электрическое поле.

Ошибка — путать вихревое электрическое поле с электростатическим. Причина — оба поля действуют на электрические заряды, поэтому их легко считать одинаковыми. У вихревого поля силовые линии замкнуты, а у электростатического начинаются и заканчиваются на зарядах. Проверяйте, чем вызвано поле и как устроены его силовые линии.

Ошибка — считать электрическое и магнитное поля совершенно независимыми. Их часто изучают отдельно, но при изменении магнитное поле может создавать электрическое, а изменяющееся электрическое — магнитное. Это не значит, что поля одинаковы: они по-разному действуют на заряды. Чтобы проверить рассуждение, спросите себя, меняется ли одно из полей и какое поле это изменение может породить.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об электрическом и магнитном полях, действии магнитного поля на ток, а также об электромагнитной индукции. Индукция показывает, как изменение магнитного поля вызывает электрическое, а представление о токе смещения дополняет эту связь обратным действием. Единое электромагнитное поле служит основой для изучения электромагнитных волн, радиосвязи и оптики. Поэтому эта тема связывает явления в электрических цепях с распространением излучения.

Что запомнить

• Изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле.
• Вихревое электрическое поле имеет замкнутые силовые линии.
• Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле.
• Между обкладками заряжающегося конденсатора магнитное поле связано с изменением электрического поля.
• Электрическое и магнитное поля — взаимосвязанные проявления единого электромагнитного поля.
• Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве электромагнитное поле.