26. Электромагнитное поле

Определения и обозначения

Электромагнитное поле — единое поле, которое проявляется как электрическое и магнитное и действует на заряженные частицы. Это понятие помогает описывать связь двух полей, а не рассматривать их как совершенно отдельные явления. Именно через электромагнитное поле передаётся электромагнитное взаимодействие.

Электрическое поле — составляющая электромагнитного поля, действующая на электрические заряды. Оно позволяет объяснить, почему заряженные тела притягиваются или отталкиваются и как электрическое воздействие передаётся от одного тела к другому. Поле может быть связано как с зарядами, так и с изменениями магнитного поля.

Магнитное поле — составляющая электромагнитного поля, действующая на движущиеся заряды и электрические токи. Оно возникает, например, вокруг проводника с током, а также связано с изменениями электрического поля. Это понятие нужно, чтобы описывать магнитные действия токов и движущихся зарядов.

Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля. При распространении изменяются связанные друг с другом электрическая и магнитная составляющие. Понятие волны помогает описать перенос электромагнитного воздействия на расстояние, в том числе через вакуум.

Как это устроено

Электрическое и магнитное поля считают проявлениями единого электромагнитного поля, потому что между ними существует причинная связь. В некоторых ситуациях достаточно описывать действие одной составляющей, но при изменениях поля нельзя считать их полностью независимыми. Например, переменное магнитное поле связано с появлением электрического. Значит, физическая картина включает оба поля и их взаимодействие.

Когда магнитное поле меняется со временем, вокруг области изменения возникает электрическое поле. Причина в том, что электрическое действие в таком случае связано не только с наличием неподвижных зарядов: его может вызвать и меняющееся магнитное поле. Это проявляется в электромагнитной индукции. Например, изменение магнитного поля катушки может сопровождаться возникновением электрического поля и индукционного тока в замкнутой цепи.

Связь действует и в обратном направлении: изменяющееся электрическое поле связано с возникновением магнитного поля. Поэтому нельзя представлять распространение возмущения как работу только одной составляющей. Изменения электрического поля сопровождаются магнитными изменениями, а магнитные изменения связаны с электрическими. Такая взаимная связь объясняет, почему электромагнитные явления нужно описывать как единый процесс.

Если изменения электрического и магнитного полей поддерживают друг друга, возмущение может распространяться дальше от места, где оно возникло. Меняющееся поле связано с появлением другого, а изменившееся другое поле — с дальнейшим изменением первого. Так распространяется электромагнитная волна. Для этого не обязательно, чтобы рядом находились заряженные частицы или проводники: важна взаимосвязь самих изменений полей.

Электромагнитное взаимодействие передаётся посредством поля, а не мгновенно. Если источник изменился, воздействие на удалённый объект проявится не сразу: возмущению нужно время, чтобы пройти расстояние между ними. В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью света — приблизительно 3 · 10⁸ м/с. Поэтому скорость света задаёт скорость передачи электромагнитных изменений в вакууме.

Электрическое и магнитное поля как составляющие электромагнитного поля

Сравнивая поля, сначала смотри на то, на какие объекты они действуют, а затем — чем создаются. Строка о взаимной связи показывает, почему при изменениях их нельзя считать изолированными. Примеры помогают соотнести определения с наблюдаемыми явлениями.

Разбор задач

Изменение магнитного поля катушки

Условие. Магнитное поле катушки меняется со временем. Нужно определить, какое поле возникает вокруг неё и какое явление это объясняет. Здесь не требуется вычислений: важно применить связь между изменениями магнитного и электрического полей.

1. Установим, что магнитное поле не остаётся постоянным, а изменяется со временем. Именно изменение, а не просто наличие магнитного поля, является ключевым условием.
2. Вспомним, что изменяющееся магнитное поле связано с возникновением электрического поля. Поэтому вокруг катушки возникает электрическое поле.
3. Свяжем результат с электромагнитной индукцией. Если цепь замкнута, возникшее электрическое поле может вызвать в ней индукционный ток.

Ответ. Вокруг катушки возникает электрическое поле. Эта связь объясняет явление электромагнитной индукции, а в замкнутой цепи может привести к появлению индукционного тока.

Время распространения в вакууме

Условие. Нужно найти время, за которое электромагнитное возмущение пройдёт в вакууме 600 км. Скорость распространения равна 3 · 10⁸ м/с. Искомое время найдём по связи времени, расстояния и скорости: t = s/v.

1. Переведём расстояние в единицы скорости: 600 км = 600 000 м = 6 · 10⁵ м. Так расстояние выражено в метрах, как и требуется для скорости в метрах в секунду.
2. Подставим значения в формулу: t = (6 · 10⁵ м)/(3 · 10⁸ м/с). Метры сокращаются, поэтому результат получится в секундах.
3. Выполним деление: 6/3 = 2, а 10⁵/10⁸ = 10⁻³. Значит, t = 2 · 10⁻³ с.

Ответ. Возмущение пройдёт 600 км за 0,002 с, или 2 мс. Результат очень мал, но время не равно нулю: передача происходит с конечной скоростью.

Изменение электрического поля без зарядов поблизости

Условие. В некоторой области пространства электрическое поле периодически изменяется, хотя рядом нет зарядов и проводников. Нужно определить, может ли это быть связано с магнитным полем и распространением электромагнитного возмущения. Наличие поблизости проводника не является обязательным условием существования распространяющегося поля.

1. Отметим, что электрическое поле изменяется во времени. Взаимосвязь полей означает, что такое изменение связано с магнитным полем.
2. Изменяющееся электрическое поле связано с возникновением магнитного поля, а изменения магнитного поля — с электрическим. Поэтому возмущение может поддерживать распространение связанных изменений в пространстве.
3. Сделаем вывод о возможности электромагнитной волны. Она способна распространяться и там, где нет материальной среды, то есть в вакууме.

Ответ. Да, периодическое изменение электрического поля может быть связано с магнитным полем и распространением электромагнитного возмущения. Отсутствие поблизости зарядов и проводников этому не препятствует.

Типичные ошибки

Ошибка: считать электрическое и магнитное поля совершенно независимыми. Такое представление возникает, если вспоминать только отдельные примеры их действия. Но при изменении одно поле связано с возникновением другого. Проверь себя: можешь ли ты объяснить электромагнитную индукцию без связи магнитного и электрического полей?

Ошибка: путать электромагнитное поле с электромагнитной волной. Слова похожи, поэтому их легко принять за обозначения одного и того же. Поле — общее понятие, а волна — распространяющееся возмущение поля. Для проверки спроси себя, описывается ли в задаче само поле или именно его распространение.

Ошибка: думать, что для электромагнитной волны обязательна материальная среда. Такое заблуждение может возникнуть из-за сравнения волны со звуком, которому нужна среда. Электромагнитные волны распространяются и в вакууме. Проверь себя: указано ли в условии, что среда нужна именно для этого вида волн?

Ошибка: считать передачу электромагнитного взаимодействия мгновенной. На малых расстояниях задержку трудно заметить, поэтому может казаться, что воздействие передаётся сразу. На самом деле изменения поля распространяются с конечной скоростью. При проверке рассчитай время по формуле t = s/v: для ненулевого расстояния оно не будет равно нулю.

Связь с другими темами

Для понимания электромагнитного поля нужно знать, как электрические и магнитные поля действуют на заряды. Также пригодятся понятия электрического тока и магнитного поля тока: они помогают разбираться в источниках магнитного поля.

Тема опирается на электромагнитную индукцию. Она показывает, что изменение магнитного поля связано с возникновением электрического, и служит конкретным примером взаимосвязи полей.

Представление о едином электромагнитном поле пригодится при изучении электромагнитных волн и радиосвязи. Оно также помогает перейти к оптическим явлениям, связанным с распространением света.

Что запомнить

• Электрическое и магнитное поля — взаимосвязанные составляющие электромагнитного поля.
• Изменяющееся магнитное поле связано с возникновением электрического поля.
• Изменяющееся электрическое поле связано с магнитным полем.
• Электромагнитное взаимодействие передаётся посредством поля.
• Электромагнитные волны могут распространяться в вакууме.
• Скорость электромагнитных волн в вакууме равна скорости света.