Понятие об электромагнитной теории Максвелла. Вихревое электрическое поле

Из закона Фарадея следует, что любое изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции приводит к возникновению ЭДС индукции. ЭДС в любой цепи возникает только тогда, когда в этой цепи на носители заряда действуют сторонние силы – силы неэлектрического происхождения. Максвелл высказал гипотезу, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле , которое и является причиной возникновения индукционного тока в контуре. Контур лишь обнаруживает это поле.

Циркуляция электрического поля : . Циркуляция отлична от нуля. Следовательно, электрическое поле, возбуждаемое переменным магнитным полем – вихревое.

Максвелл показал, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле всегда связано с порождаемым им магнитным полем. Таким образом, электрическое и магнитные поля неразрывно связаны друг с другом и образуют единое электромагнитное поле.

Уравнения Максвелла для электромагнитного поля

Максвелл ввел понятие: ток смещения _см, который в отличие от тока проводимости ток протекает, например, по диэлектрику конденсатора. Плотность тока смещения

В конденсаторе _см = ; Направление совпадает с направлением . Ток смещения создает в окружающем пространстве магнитное поле. В диэлектрике ток смещения состоит из двух слагаемых.

, где - поляризованность, - плотность тока смещения в вакууме, - плотность тока поляризации, т.е. тока обусловленного упорядоченным движением электрических зарядов в диэлектрике. Плотность полного тока

Максвелл обобщил теорему о циркуляции вектора :

 

 

В основе теории Максвелла лежат 4 уравнения:

1. Электрическое поле может быть как потенциальным () так и вихревым (). Напряженность суммарного поля: .

Циркуляция : - показывает, что источником электрического поля может быть переменное магнитное поле.

 

2. Обобщенная теорема о циркуляции вектора . Уравнение показывает, что магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися зарядами (), либо переменным электрическим полем.

3. Теорема Гаусса для поля : , или для распределенного по объему заряда , где r - объемная плотность заряда.

4. Теорема Гаусса для поля : . В этих уравнениях ; ; , где g - удельная проводимость вещества.

Из уравнения Максвелла вытекает, что источником электрического поля может быть либо электрические заряды, либо переменное магнитные поля, а источником магнитного поля могут быть движущиеся электрические заряды либо переменное электрическое поле.

Для стационарных полей уравнения Максвелла примут вид: ; ; ; .

Источником напряженности электрического поля Е может быть только заряд q, а источником напряженности магнитного поля Н – только ток I.

Система уравнений Максвелла в дифференциальной форме, характеризующей поле в каждой точке пространства:

Интегральная форма уравнений Максвелла является более общей (если имеются поверхности разрыва – свойства среды меняются скачкообразно). Уравнения Максвелла играют в электромагнетизме такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле всегда связано с порождаемым им магнитным полем. Таким образом, электрическое и магнитные поля неразрывно связаны друг с другом и образуют единое электромагнитное поле.

Уравнения Максвелла инвариантны относительно преобразований Лоренца. Их вид не меняется при переходе от одной ИСО к другой, хотя величина и в них преобразуются по определенным правилам.

 

Контрольные вопросы

1. Изложите опыты Фарадея и закон Фарадея.

2. Сформулируйте правило Ленца.

3. Расскажите о получении электрической энергии при вращении рамки в магнитном поле.

4. Что Вы знаете о вихревых токах?

5. Расскажите об электромагнитной теории Максвелла.

Магнитная запись информации

К настоящему времени широко разработаны способы и средства магнитной записи информации, представленной в аналоговом и цифровом виде. Магнитная запись основана на свойстве ферромагнетиков сохранять остаточную намагниченность после окончания действия магнитных полей.

Наиболее распространенной аналоговой информацией является звуковая и видео информация. Для записи звуковой информации

Рисунок 28. Микрофон

необходимо сначала превратить акустические колебания воздуха в электрические колебания. Эту задачу выполняет микрофон (рисунок 28). В электродинамическом микрофоне (рисунок 28) к тонкой гибкой мембране 1 приклеена

 

легкая проволочная катушка 2. Катушка расположена в зазоре постоянного магнита 3. Звуковые колебания воздуха вызывают колебания мембраны и катушки. В катушке наводится Э.Д.С. индукции, пропорциональная амплитуде колебаний воздуха. Таким образом, происходит преобразование звуковых колебаний в электрические колебания. Полученные электрические колебания могут быть записаны на магнитном носителе.

Рисунок 29. Структурная схема записи аналоговой информации

Электрические колебания, несущие звуковую информацию от микрофона, усиливаются в усилителе записи УЗ и в виде переменного тока звуковой частоты поступают в обмотку кольцевого электромагнита

 

 

головки записи ГЗ (рисунок 29). При движении магнитной ленты вдоль зазора головки различные участки ленты намагничиваются в соответствии с изменениями силы тока в обмотке ГЗ. Полоса на ленте, намагниченная в процессе записи, называется дорожкой записи.

Для воспроизведения записи магнитная лента протягивается перед зазором кольцевого электромагнита головки воспроизведения ГВ с той же скоростью, с которой она потягивалась при записи. При движении ленты в зазоре головки воспроизведения меняется магнитное поле и в обмотке головки возникает переменная Э.Д.С. индукции, которая усиливается с помощью усилителя воспроизведения УВ.

Усиленное напряжение звуковой частоты подводится к катушке громкоговорителя Гр (рисунок 30).

 

 

 

Рисунок 30. Устройство громкоговорителя

 

Переменный ток в катушке 2 Гр вызывает колебания катушки в магнитном поле магнита 1 под действие силы Ампера. Прикрепленный к катушке диффузор 3 колеблется и тем самым воспроизводит звук.

Для стирания информации служит магнитная головка стирания ГС. К ее обмотке подводится переменное затухающее напряжение от генератора ультразвуковой частоты ГУЗЧ. В бытовых магнитофонах при записи и воспроизведении используется одна и та же универсальная головка и один усилитель.

Видеозапись производится аналогично. На магнитную ленту записывается информация аналоговая информация о яркости изображении и звуковое сопровождение.

Запись цифровой информации

Так как в вычислительной технике применяется двоичный код, то на магнитном носителе цифровая информация может быть записана в виде чередующихся участков с различной полярностью намагничивания.

Рисунок 31. Запись цифровой информации на диск

 

В персональном компьютере для магнитной записи информации используется тонкий пластиковый диск, покрытый слоем ферромагнитного материала.

Запись и считывание производится с помощью головки, перемещающейся над поверхностью диска по его радиусу (рисунок 31). Диск вращается со скоростью более300 об/мин. Запись производится на концентрических дорожках. Продольная плотность записи достигает 275 бит/мм, поперечная плотность записи – до 60 дорожек на 1 мм по радиусу. Кроме дисковой памяти существует большое количество различных видов магнитных запоминающих устройств, нашедших применение в отдельных областях науки и техники.

Контрольные вопросы

1. Расскажите об устройстве микрофона и громкоговорителя.

2. Как происходит запись, считывание и стирание аналоговой информации на магнитной ленте?

3. Что Вы знаете о записи цифровой информации на диск?