§ 43 Электромагнитное поле

Определения и обозначения

Электромагнитное поле — единое физическое поле, включающее электрическую и магнитную составляющие и создаваемое движущимися зарядами. Это понятие нужно, чтобы описывать связанные изменения двух полей, а не рассматривать их как совершенно независимые явления.

Электрическое поле — составляющая электромагнитного поля, действующая на электрические заряды. Оно может существовать и вокруг неподвижного заряда, поэтому помогает объяснить взаимодействие зарядов без их непосредственного соприкосновения.

Магнитное поле — составляющая, возникающая при движении электрических зарядов и действующая на движущиеся заряды и токи. Это определение позволяет понять, почему ток в проводнике обнаруживается по магнитному действию.

Переменное поле — электрическое или магнитное поле, изменяющееся со временем и способное порождать другую составляющую электромагнитного поля. Термин нужен для описания индукции, работы колебательных систем и распространения электромагнитных волн.

Как это устроено

Неподвижный электрический заряд создаёт электрическое поле, потому что его действие обнаруживается на любом другом заряде, помещённом рядом. При движении заряд уже изменяет распределение поля в пространстве. Такое движение является причиной появления магнитной составляющей, поэтому движущийся заряд создаёт оба поля.

Электрический ток можно представить как упорядоченное движение большого числа зарядов. Каждый движущийся заряд создаёт магнитное поле, а совместное действие зарядов образует поле вокруг всего проводника. Чем организованнее движение зарядов, тем заметнее его магнитное действие при прочих равных условиях.

Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле, поскольку само изменение электрического состояния пространства становится источником магнитного действия. Для этого не обязательно, чтобы заряды проходили через каждую точку пространства. Поэтому между обкладками заряжающегося конденсатора магнитное поле может существовать без проводящего тока.

Изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле. Возникающее поле может заставить свободные заряды двигаться в замкнутом проводнике, и тогда появляется индукционный ток. Именно так изменение тока в одной катушке способно вызвать ток в другой, расположенной рядом.

Электрическое и магнитное поля при изменениях во времени образуют единое электромагнитное поле. Изменение одной составляющей создаёт другую, а та, в свою очередь, влияет на первую. Цепочка таких изменений может распространяться в пространстве, перенося энергию без переноса вещества.

Источники электрического, магнитного и электромагнитного полей

Пользуйтесь таблицей как алгоритмом: сначала определите, неподвижен ли заряд, движется ли он или изменяется уже существующее поле. Затем выберите строку и проверьте, какая составляющая появляется. Если обе составляющие меняются и связаны между собой, речь идёт об электромагнитном поле.

Разбор задач

Поля вокруг зарядов

Условие. Определите, какие поля существуют вокруг неподвижного электрического заряда и вокруг движущегося заряда. Нужно сравнить не величину полей, а сам факт движения источника. Это позволяет применить основные определения.

1. Неподвижный заряд действует на другие заряды, поэтому вокруг него есть электрическое поле.
2. Движущийся заряд сохраняет электрическое действие и дополнительно создаёт магнитное поле.
3. Следовательно, у движущегося заряда нужно указать сразу две составляющие.

Ответ. Вокруг неподвижного заряда существует электрическое поле. Вокруг движущегося заряда существуют электрическое и магнитное поля.

Взаимная индукция катушек

Условие. Объясните, почему при изменении тока в одной катушке возникает ток в соседней замкнутой катушке. Катушки не соединены проводом, поэтому обычный перенос зарядов между ними невозможен. Причину нужно искать в изменении поля.

1. Изменение тока в первой катушке изменяет создаваемое ею магнитное поле.
2. Изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле вокруг второй катушки.
3. Это поле действует на свободные заряды в замкнутой катушке и приводит их в направленное движение.

Ответ. В соседней катушке возникает индукционный ток. Цепочка объяснения такова: изменение тока, изменение магнитного поля, возникновение электрического поля, движение зарядов.

Конденсатор и магнитное действие

Условие. Объясните, почему в пространстве между обкладками заряжающегося конденсатора возникает магнитное действие. Между обкладками нет проводящего соединения, поэтому ток проводимости там отсутствует. Однако электрическое поле в этом промежутке изменяется.

1. При зарядке конденсатора увеличивается электрическое поле между его обкладками.
2. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле.
3. Поэтому магнитное действие наблюдается и в промежутке, где нет движения зарядов по проводнику.

Ответ. Магнитное действие возникает из-за изменения электрического поля. Наличие проводящего тока между обкладками для этого не требуется.

Типичные ошибки

Ошибка: магнитное поле создаёт только постоянный магнит. Так думают из-за привычных опытов с магнитами, но движущиеся заряды и электрический ток тоже являются источниками магнитного поля. Проверка: вспомните магнитное действие проводника с током.

Ошибка: электрическое поле и электрический ток — одно и то же. Поле может существовать возле неподвижного заряда, тогда как ток означает упорядоченное движение зарядов. Проверка: спросите себя, обязательно ли зарядам перемещаться, чтобы обнаружить их электрическое действие.

Ошибка: изменяющееся магнитное поле создаёт магнитное поле. Результатом такого изменения становится электрическое поле, которое может вызвать индукционный ток. Проверка: восстановите цепочку магнитное изменение — электрическое поле — ток.

Ошибка: электрическое и магнитное поля полностью независимы. Такое представление не объясняет индукцию и магнитное действие изменяющегося электрического поля. Проверка: вспомните, способны ли изменения одной составляющей породить другую.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны понятия электрического заряда, электрического поля, электрического тока и магнитного поля. Заряд служит источником электрического действия, а его движение связывает электрические явления с магнитными. Поэтому новые выводы опираются на уже изученные свойства тока и полей.

Тема непосредственно связана с электромагнитной индукцией. При изменении магнитного поля возникает электрическое поле, которое в замкнутом контуре вызывает индукционный ток. Это объясняет действие генераторов и взаимное влияние катушек.

Дальше понятие электромагнитного поля понадобится при изучении электромагнитных волн, радиосвязи и света. В волне изменения электрического и магнитного полей распространяются в пространстве. Так связь полей переходит от опытов с проводниками к передаче энергии и сигналов.

Что запомнить

• Неподвижный заряд создаёт электрическое поле.
• Движущийся заряд создаёт электрическое и магнитное поля.
• Электрический ток является источником магнитного поля.
• Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле.
• Изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле.
• Электрическое и магнитное поля являются взаимосвязанными составляющими электромагнитного поля.