Вокруг движущихся электрических. Электрическое поле
Создает вокруг себя, является более сложным, чем то, что свойственно заряду, находящемуся в неподвижном состоянии. В эфире, где пространство не возмущено, заряды уравновешиваются. Поэтому он называется магнитно- и электрически нейтральным.
Рассмотрим более подробно поведение такого заряда отдельно, в сравнении с неподвижным, и подумаем о принципе Галилея, а вместе с тем и о теории Эйнштейна: насколько она состоятельна на самом деле?
Различие движущегося и неподвижного зарядов
Одиночный заряд, будучи неподвижным, создает электрическое поле, которое можно назвать результатом деформации эфира. А движущийся электрический заряд создает как электрическое, так и Он обнаруживается только другим зарядом, то есть магнитом. Получается, что покоящийся и движущийся заряды в эфире не эквивалентны друг другу. При равномерном и заряд не будет излучать и не будет терять энергию. Но так как часть ее тратится на создание магнитного поля, то энергии у этого заряда станет меньше.
Пример для облегчения понимания
Это легче представить на примере. Если взять два одинаковых неподвижных заряда и расположить их далеко друг от друга, чтобы поля не могли взаимодействовать, один из них оставят как есть, а другой будут перемещать. Для первоначально неподвижного заряда потребуется ускорение, которое будет создавать магнитное поле. Часть энергии этого поля уйдет на электромагнитное излучение, направленное в бесконечное пространство, которое уже не вернется в качестве самоиндукции при остановке. С помощью другой части зарядной энергии будет создаваться постоянное магнитное поле (при условии постоянной скорости заряда). Это энергия деформации эфира. При магнитное поле сохранится в постоянном виде. Если при этом сравнить два заряда, то у движущегося будет наблюдаться меньшее количество энергии. Всему виной движущегося заряда, на которое ему приходится тратить энергию.
Таким образом, становится понятным, что в обоих зарядах состояние и энергия сильно отличаются. Электрическое поле действует на неподвижные и на движущиеся заряды. Но на последний влияет и магнитное поле. Поэтому и энергия, и потенциал у него меньше.
Движущиеся заряды и принцип Галилея
Состояние обоих зарядов можно также отследить в подвижном и неподвижном физическом теле, которое не имеет движущихся заряженных частиц. И принцип Галилея здесь может быть объективно провозглашен: физическое и нейтральное к электричеству тело, которое двигается равномерно и прямолинейно, неотличимо от того, что находится в покое по отношению к Земле. Получается, что нейтральные к электричеству тела и заряженные проявляют себя по-разному в состоянии покоя и в движении. Принцип Галилея не может использоваться в эфире и не может применяться к подвижным и неподвижным заряженным телам.
Несостоятельность принципа для заряженных тел
Теорий и работ о тех полях, что создает движущийся электрический заряд, сегодня накопилось немало. К примеру, Хэвисайд показал, что электрический вектор, образованный зарядом, является радиальным повсюду. Силовые магнитные линии, которые образованы точечным зарядом при движении, являются кругами, а в их центрах находятся линии движения. Другой ученый, Серл, решил задачу о распределении заряда в сфере, пребывающей в движении. Было выяснено, что оно порождает поле, подобное тому, что и движущийся электрический заряд создает, несмотря на то что последний — не сфера, а сжатый сфероид, в котором полярная ось направлена в сторону движения. Позже Мортон показал, что в наэлектризованной сфере, пребывающей в движении, плотность на поверхности меняться не будет, однако силовые линии уже не будут ее покидать под углом в 90 градусов.
Энергия, окружающая сферу, становится больше при ее движении, чем в то время, когда сфера покоится. Это происходит потому, что кроме электрического поля, вокруг движущейся сферы также появляется магнитное поле, как и в случае с зарядом. Поэтому, чтобы выполнить работу, скорость для заряженной сферы потребуется большая, чем для той, что является нейтральной электрически. Вместе с зарядом возрастет и эффективная масса сферы. Авторы уверены, что это происходит из-за самоиндукции конвекционного тока, который движущийся электрический заряд создает с начала движения. Таким образом, принцип Галилея признается несостоятельным для заряженных электричеством тел.
Идеи Эйнштейна и эфир
Тогда становится понятным и то, почему Эйнштейн не выделял место эфиру в СТО. Ведь сам факт признания наличия эфира уже разрушает принцип, заключающийся в эквивалентности инерциальных и независимых систем отсчета. А он, в свою очередь, и является основой СТО.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Это порождающие друг друга
переменные электрические и магнитные
поля.
Теория электромагнитного поля создана Джеймсом Максвеллом
в 1865 г.
Он теоретически доказал, что:
любое изменение
со временем магнитного поля приводит к возникновению
изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем
электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле.
Если электрические заряды движутся с ускорением,
то создаваемое
ими электрическое поле периодически меняется и само создает в
пространстве переменное магнитное поле и т.д.
Источниками
электромагнитного поля могут быть:
- движущийся магнит;
- электрический заряд, движущийся с ускорением или колеблющийся
(в отличие от заряда движущегося с постоянной скоростью, например,
в случае постоянного тока в проводнике, здесь создается постоянное
магнитное поле).
Электрическое
поле существует всегда вокруг электрического заряда,
в любой системе отсчета, магнитное
– в той, относительно которой электрические заряды движутся,
электромагнитное
– в системе отсчета, относительно которой электрические заряды движутся с ускорением.
ПОПРОБУЙ РЕШИ!
Кусок янтаря потёрли о ткань, и он зарядился статическим электричеством. Какое поле можно обнаружить вокруг неподвижного янтаря? Вокруг движущегося ?
Заряженное тело покоится относительно поверхности земли. Автомобиль равномерно и прямолинейно движется относительно поверхности земли. Можно ли обнаружить постоянное магнитное поле в системе отсчета, связанной с автомобилем?
Какое поле возникает вокруг электрона , если он: покоится; движется с постоянной скоростью; движется с ускорением?
В кинескопе создаётся поток равномерно движущихся
электронов.
Можно ли обнаружить магнитное поле
в системе отсчёта, связанной с одним из
движущихся электронов?
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
Это электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве
с конечной скоростью,
зависящей от свойств среды.
Свойства электромагнитных волн:
-распространяются не только в веществе, но и в вакууме;
- распространяются в вакууме со скоростью света (С = 300 000
км/c);
- это поперечные волны;
- это бегущие волны (переносят энергию).
Источником
электромагнитных волн
являются ускоренно движущиеся
электрические заряды.
Колебания электрических зарядов сопровождаются
электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний
зарядов.
Магнитное поле движущегося заряда может возникать вокруг проводника с током. Так как в нем движутся электроны, обладающие элементарным электрическим зарядом. Также его можно наблюдать и при движении других носителей зарядов. Например, ионов в газах или жидкостях. Это упорядоченное движение носителей зарядов, как известно, вызывает в окружающем пространстве возникновение магнитного поля. Таким образом, можно предположить, что магнитное поле независимо от природы тока его вызывающего возникает и вокруг одного заряда находящегося в движении.
Общее же поле в окружающей среде формируется из суммы полей создаваемых отдельными зарядами. Этот вывод можно сделать исходя из принципа суперпозиции. На основании различных опытов был получен закон, который определяет магнитную индукцию для точечного заряда. Это заряд свободно перемещается в среде с постоянной скоростью.
Формула 1 — закон электромагнитной индукции для движущегося точечного заряда
Где r радиус-вектор, идущий от заряда к точке наблюдения
Q заряд
V вектор скорости движения заряда
Формула 2 — модуль вектора индукции
Где альфа это угол между вектором скорости и радиус вектором
Эти формулы определяют магнитную индукцию для положительного заряда. Если ее необходимо рассчитать для отрицательного заряда то нужно подставить заряд со знаком минус. Скорость движения заряда определяется относительно точки наблюдения.
Чтобы обнаружить магнитное поле при перемещении заряда можно провести опыт. При этом заряд не обязательно должен двигаться под действием электрических сил. Первая часть опыта состоит в том, что по проводнику круговой формы проходит электрический ток. Следовательно, вокруг него образуется магнитное поле. Действие, которого можно наблюдать при отклонении магнитной стрелки находящейся рядом с витком.
Рисунок 1 — круговой виток с током воздействует на магнитную стрелку
На рисунке изображён виток с током, слева показана плоскость витка справа плоскость перпендикулярная ей.
Во второй части опыта мы возьмем сплошной металлический диск, закрепленный на оси от которой он изолирован. При этом диску сообщен электрический заряд, и он способен быстро вращаться вокруг своей оси. Над диском закреплена магнитная стрелка. Если раскрутить диск с зарядом, то можно обнаружить что стрелка вращается. Причем это движение стрелки будет таким же, как при движении тока по кольцу. Если при этом изменить заряд диска или направление вращения, то и стрелка будет отклоняться в другую сторону.
Каждый проводник с током создает в окружающем пространстве магнитное поле. Электрический же ток представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов. Поэтому можно сказать, что любой движущийся в вакууме или среде заряд создает вокруг себя магнитное поле. В результате обобщения опытных данных
был установлен закон, определяющий поле В точечного заряда Q , свободно движущегося с нерелятивистской скоростью v. Под свободным движением заряда понимается его движение с постоянной скоростью. Этот закон выражается формулой
где r - радиус-вектор, проведенный от заряда Q к точке наблюдения М (рис. 168). Согласно выражению (113.1), вектор В направлен перпендикулярно плоскости, в которой расположены векторы v и г, а именно: его направление совпадает с направлением поступательного движения правого винта при его вращении от v к г. Модуль магнитной индукции (113.1) вычисляется по формуле
где а - угол между векторами v и r .
Сравнивая выражения (110.1) и (113.1), видим, что движущийся заряд по своим магнитным свойствам эквивалентен элементу тока:
I dl =Qv .
Приведенные
закономерности (113.1) и (113.2) справедливы
лишь при малых скоростях (v< Формула
(113.1) определяет магнитную индукцию
положительного заряда, движущегося со
скоростью v.
Если
движется отрицательный заряд, то Q
надо
заменить на -Q.
Скорость
v
-
относи- тельная
скорость, т. е. скорость относительно
наблюдателя. Вектор В
в рассматриваемой системе отсчета
зависит как от времени, так и от положения
точки М
наблюдения.
Поэтому следует подчеркнуть относительный
характер магнитного поля движущегося
заряда. Впервые поле
движущегося заряда удалось обнаружить
американскому физику Г. Роуланду
(1848-1901). Окончательно этот факт был
установлен профессором Московского
университета А. А. Эйхенвальдом
(1863-1944), изучившим магнитное поле
конвекционного тока, а также магнитное
поле связанных зарядов поляризованного
диэлектрика. Магнитное поле свободно
движущихся зарядов было измерено
академиком А. Ф. Иоффе, доказавшим
эквивалентность, в смысле возбуждения
магнитного поля, электронного пучка и
тока проводимости. Опыт
показывает, что магнитное поле действует
не только на проводники с током (см.
§111), но и на отдельные заряды, движущиеся
в магнитном поле. Сила, действующая на
электрический заряд Q
,
движущийся
в магнитном поле со скоростью v,
называется
силой
Лоренца
и
выражается формулой F
=Q
[vB
],
(114.1)
где В - индукция магнитного поля, в
котором заряд движется. Направление
силы Лоренца определяется с помощью
правила
левой руки:
если
ладонь левой руки расположить так, чтобы
в нее входил вектор В, а четыре вытянутых
пальца направить вдоль вектора v
(для
Q>
0
направления I
и v
совпадают,
для Q
<0-противоположны),
то отогнутый большой палец покажет
направление силы, действующей на
положительный
заряд.
На
рис. 169 показана взаимная ориентация
векторов v,
В
(поле направлено к нам, на рисунке
показано точками) и F
для
положительного заряда. На отрицательный
заряд сила действует в противоположном
направлении. Модуль силы Лоренца
(см. (114.1)) равен F=QvB
sin, где
- угол между v
и
В
. Отметим
еще раз (см. § 109), что магнитное поле не
действует на покоящийся электрический
заряд.
В
этом существенное отличие магнитного
поля от электрического. Магнитное
поле действует только на движущиеся в
нем заряды.
Так как по действию
силы Лоренца можно определить модуль
и направление вектора В, то выражение
для силы Лоренца может быть использовано
(наравне с другими, см. § 109) для определения
вектора магнитной индукции В. Сила Лоренца всегда
перпендикулярна скорости движения
заряженной частицы, поэтому она изменяет
только направление этой скорости, не
изменяя ее модуля. Следовательно, сила
Лоренца работы не совершает. Иными
словами, постоянное магнитное поле не
совершает работы над движущейся в нем
заряженной частицей и кинетическая
энергия этой частицы при движении в
магнитном поле не изменяется. Если
на движущийся электрический заряд
помимо магнитного поля с индукцией В
действует и электрическое поле с
напряженностью Е
,
то результирующая сила F
,
приложенная
к заряду, равна векторной сумме сил -
силы, действующей со стороны электрического
поля, и силы Лоренца: F
=Q
E
+ Q
[vB
]. Это
выражение называется формулой
Лоренца.
Скорость
v
в
этой формуле есть скорость заряда
относительно магнитного поля.§114. Действие магнитного поля на движущийся заряд
