§ 22. Электромагнитное поле

Определения и обозначения

Электромагнитное поле — особая форма материи, посредством которой электрические заряды и токи взаимодействуют. Оно включает электрическое и магнитное поля: при изменениях они могут порождать друг друга. Это понятие нужно, чтобы описывать электромагнитные явления как связанные, а не как два независимых процесса.

Переменное магнитное поле — магнитное поле, изменяющееся со временем. Такое изменение создаёт электрическое поле вокруг области, где меняется магнитное поле. Поэтому переменное магнитное поле важно не только для описания действия магнита, но и для объяснения возникновения электрического воздействия.

Вихревое электрическое поле — поле, возникающее при изменении магнитного поля. В отличие от электростатического поля, которое создают электрические заряды, вихревое поле связано с изменением магнитного поля и может существовать там, где нет проводника. Это различие помогает понять, почему индукция возможна и в пустом пространстве.

Переменное электрическое поле — электрическое поле, изменяющееся со временем. Согласно идее Максвелла, его изменение связано с возникновением магнитного поля. Это понятие дополняет связь полей: оно позволяет объяснить, почему электрические изменения могут сопровождаться магнитными явлениями.

Как это устроено

Электромагнитная индукция обнаруживается, когда магнитное поле в области проводящего контура меняется: в контуре возникает электрический ток. Но ток — это лишь способ заметить действие электрического поля с помощью зарядов, способных перемещаться по проводнику. Если убрать проводник, исчезнет измеряемый ток, однако поле, созданное изменением магнитного поля, не исчезнет вместе с ним. Значит, источником электрического поля является не сам провод, а изменение магнитного поля.

Поле, возникающее при изменении магнитного поля, называют вихревым, потому что его линии не начинаются на положительных зарядах и не заканчиваются на отрицательных, как линии электростатического поля. Они замкнуты вокруг области изменяющегося магнитного поля. Для сравнения: электростатическое поле создаётся зарядами, поэтому его линии связаны с ними. Различие в источнике и форме линий помогает не путать два вида электрического поля.

Максвелл предположил, что связь действует и в обратном направлении: меняющееся электрическое поле связано с появлением магнитного. Например, во время зарядки конденсатора электрическое поле между его обкладками изменяется, хотя ток через промежуток между ними не проходит. Если бы магнитное поле возникало только из-за движущихся зарядов, описание этого участка цепи было бы неполным. Идея Максвелла позволяет учесть изменение электрического поля и объяснить магнитное действие в этой области.

Так возникает взаимная связь: меняющееся магнитное поле создаёт электрическое, а меняющееся электрическое связано с возникновением магнитного. Нельзя считать, что в такой ситуации существует только одно из полей: изменение одного сопровождается появлением другого. Электромагнитное поле — общее описание этих взаимосвязанных электрических и магнитных проявлений. Оно особенно важно, когда поля изменяются со временем.

Электрические заряды и токи взаимодействуют не только при непосредственном соприкосновении тел. Поле может существовать в пространстве между ними и передавать воздействие от одного тела к другому. Поэтому электромагнитное взаимодействие не требует контакта: тело влияет на поле вокруг себя, а поле действует на другие заряды. Такой взгляд помогает перейти от изучения отдельных зарядов и магнитов к изучению распространения электромагнитных волн.

Электрическое и магнитное поля в электромагнитном поле

Сравнивайте поля по источнику и по тому, как именно они связаны с изменениями друг друга. В первой строке перечислены возможные источники: для электрического поля важно отличать заряды от изменения магнитного поля. Такая таблица помогает увидеть не только различия, но и взаимную связь полей.

Разбор задач

Задача 1. Магнитное поле катушки изменяется, но проводника рядом нет. Возникает ли в окружающем пространстве электрическое поле?

1. Выясним, что меняется: магнитное поле со временем не остаётся постоянным.
2. Применим связь полей: изменение магнитного поля создаёт вихревое электрическое поле.
3. Наличие проводника не является условием возникновения поля. Без проводника просто не появится ток, который можно было бы измерить.

Ответ: да, электрическое поле возникает в окружающем пространстве, даже если проводника рядом нет.

Задача 2. Электрическое поле между обкладками конденсатора меняется при зарядке. Какую связь между полями следует учитывать?

1. При зарядке меняется заряд на обкладках, поэтому меняется и электрическое поле между ними.
2. По идее Максвелла, изменяющееся электрическое поле связано с возникновением магнитного поля.
3. Следовательно, при описании области между обкладками нужно учитывать магнитное поле, связанное с изменением электрического, даже если через промежуток не движутся заряды.

Ответ: изменение электрического поля при зарядке конденсатора связано с возникновением магнитного поля.

Задача 3. Изменяющееся магнитное поле создаёт электрическое поле, которое также меняется. Почему этот процесс считают проявлением единого электромагнитного поля?

1. Сначала магнитное поле изменяется и вызывает появление электрического поля.
2. Возникшее электрическое поле тоже изменяется, поэтому по идее Максвелла оно связано с появлением магнитного поля.
3. В процессе участвуют оба поля, и их изменения взаимно связаны. Описывать происходящее как действие только одного поля недостаточно.

Ответ: это проявление единого электромагнитного поля, потому что изменения электрического и магнитного полей связаны между собой.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что электрическое поле при изменении магнитного появляется только внутри проводника. Её допускают, потому что индукционный ток обычно обнаруживают именно в замкнутом контуре. Проверьте себя: мысленно уберите проводник — поле всё равно возникает, хотя измеряемого тока не будет.

Ошибка: отождествлять вихревое электрическое поле с электростатическим. Путаница возникает из-за того, что оба поля действуют на электрические заряды. Чтобы проверить ответ, спросите, чем создано поле: зарядами или изменением магнитного поля; в первом случае речь об электростатическом поле.

Ошибка: полагать, что магнитное поле создают только движущиеся заряды. Такое представление связано с примерами тока в проводнике, но оно не учитывает идею Максвелла. Проверьте себя на примере заряжающегося конденсатора: изменяющееся электрическое поле также связано с появлением магнитного.

Ошибка: рассматривать электрическое и магнитное поля как полностью независимые. Кажется, что это разные явления, потому что их можно изучать по отдельности. Но при изменениях одно поле связано с возникновением другого, поэтому проверяйте, не меняется ли одно из полей во времени.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о том, что электрическое поле действует на заряды, а магнитное поле связано с токами и движущимися зарядами. Также следует знать электромагнитную индукцию: изменение магнитного потока вызывает ЭДС в контуре. Эти знания позволяют перейти от наблюдения тока к выводу о существовании электрического поля.

Представление о взаимосвязанных полях подготавливает изучение электромагнитных волн. В волне изменения электрического и магнитного полей распространяются через пространство, перенося энергию. Так тема связывает знакомые явления индукции с распространением электромагнитного взаимодействия.

Что запомнить

• Электрическое и магнитное поля — взаимосвязанные проявления электромагнитного поля.
• Изменяющееся магнитное поле создаёт электрическое поле.
• Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, является вихревым.
• Изменяющееся электрическое поле связано с возникновением магнитного поля.
• Для возникновения вихревого электрического поля проводник не обязателен.
• Электромагнитное взаимодействие может передаваться через пространство.