Основы теории Максвелла для электромагнитного поля

В 60-х годах прошлого века (около 1860 г.) Максвелл, основываясь на идеях Фарадея, обобщил законы электростатики и электромагнетизма: теорему Гаусса - Остроградского для электростатического поля и для магнитного поля ; закон полного тока ; закон электромагнитной индукции , и в результате разработал законченную теорию электромагнитного поля.

Теория Максвелла явилась величайшим вкладом в развитие классической физики. Она позволила с единой точки зрения понять широкий крут явлений, начиная от электро­статического поля неподвижных зарядов и заканчивая электромагнитной природой света.

Математическим выражением теории Максвелла служат четыре уравнения Максвелла. которые принято записывать в двух формах: интегральной и дифференциальной. Дифференциальные уравнения получаются из интегральных с помощью двух теорем вектор ного анализа - теоремы Гаусса и теоремы Стокса. Теорема Гаусса:

(1)

(2)

- проекции вектора на оси; V - объем, ограниченный поверхностью S.

Теорема Стокса: . (3)

здесь rot - ротор вектора , который является вектором и выражается в декартовых коор­динатах следующим образом: rot , (4)

S - площадь, ограниченная контуром L.

Уравнения Максвелла в интегральной форме выражают соотношения, справедливые для мысленно проведенных в электромагнитном поле неподвижных замкнутых контуров и поверхностей.

Уравнения Максвелла в дифференциальной форме показывают как связаны между собой характеристики электромагнитного поля и плотности зарядов и токов в каждой точке этого поля.

12.1. Первое уравнение Максвелла

Оно является обобщением закона электромагнитной индукции ,

и в интегральной форме имеет следующий вид (5)

 

и утверждает.что с переменным магнитным полем неразрывно связано вихревое электри­ческое поле , которое не зависит оттого находятся в нем проводники или нет. Из (3) следует, что . (6)

Из сравнения (5) и (6) находим, что (7)

Это и есть первое уравнение Максвелла в дифференциальной форме.

12.2. Ток смешения. Второе уравнение Максвелла

Максвелл обобщил закон полного тока предположив, что переменное электрическое поле, также как и электрический ток, является источником магнитно­го поля. Для количественной характеристики "магнитного действия" переменного электри­ческого поля Максвелл ввел понятие тока смещения.

По теореме Гаусса - Остроградского поток электрического смешения сквозь замкну­тую поверхность

Продифференцировав это выражение по времени, получим для неподвижной и недеформирусмой поверхности S (8)

Левая часть этой формулы имеет размерность тока, который как известно, выражает­ся через вектор плотности тока . (9)

Из сравнения (8) и (9) следует, что имеет размерность плотности тока: А /м². Максвелл предложил назвать плотностью тока смещения:

. (10)

Ток смещения . (11)

Из всех физических свойств, присущих действительному току (току проводимости), связанному с переносом зарядов, ток смешения обдададает лишь одним: способностью соз­давать магнитное поле. При "протекании" тока смещения в вакууме или диэлектрике не вы­деляется тепло. Примером тока смещения может служить переменный ток через конденсатор. В общем случае токи проводимости и смещения не разделены в пространстве и мож­но говорить о полном токе, равном сумме токов проводимости и смещения: (12)

С учетом этого Максвелл обобщил закон полного тока, добавив в правую часть его ток смешения . (13)

Итак, второе уравнение Максвелла в интегральной форме имеет вид:

. (14)

Из (3) следует, что . (15)

Из сравнения (14) и (15) находим, что . (16)

Это и есть второе уравнение Максвелла в дифференциальной форме.

12.3. Третье и четвертое уравнения Максвелла

Максвелл обобщил теорему Гаусса - Остроградского для электростатического поля. Он предположил, что эта теорема справедлива для любого электрического поля, как стационарного, так и переменного. Соответственно, третье уравнение Максвелла в интегральной форме имеет вид: . (I7) или . (18)

где - объемная плотность свободных зарядов, [ ]= Кл / м³

Из (1) следует, что . (19)

Из сравнения (18) и (19) находим,что . (20)

Четвертое уравнение Максвелла в интегральной и дифференциальной формах имеет

следующий вид: , (21) . (22)

12.4. Полная система уравнений Максвелла в дифференциальной форме

. (23)

, .

Эту систему уравнений необходимо дополнить материальными уравнениями, характе­ризующими электрические и магнитные свойства среды:

, , . (24)

Итак, после открытия взаимосвязи между электрическими и магнитным полями ста­ло ясно, что эти поля не существуют обособлено, независимо одно от другого. Нельзя соз­дать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно в пространстве не возникло и электрическое поле.

Отметим, что покоящийся в некоторой системе отсчета электрический заряд создает только электростатическое поле в этой системе отсчета, но он будет создавать магнитное поле в системах отсчета, относительно которых он движется. То же самое относится и к неподвижно­му магниту. Заметим также, что уравнения Максвелла инвариантны к преобразованиям Лоренца: причем для инерциальных систем отсчета К и К’ выполняются следующие соотношения: , . (25)

На основании изложенного можно сделать вывод, что электрические и магнитные поля являются проявлением единого поля, которое называют электромагнитным полем. Оно распространяется в виде электромагнитных волн.

 

8) Граничные условия на поверхности раздела сред. Идеальный проводник в электростатическом поле. Поверхностные заряды. Электрическое поле вблизи острия.

Граничные условия на поверхности раздела сред

На поверхности раздела двух диэлектриков с различными абсолютными диэлектрическими проницаемостями e₁ и e₂, равны между собой касательные составляющие напряженности поля

Здесь индекс 1 относится к первому диэлектрику, а индекс 2 – ко второму.

Условия можно представить и в таком виде

Из данных граничных условий можно получить еще одно условие – условие преломления линий поля при переходе их из одного диэлектрика в другой:

,

где

q₁ и q₂ – углы между вектором напряженности (или смещения) и нормалями к границе раздела сред.

При этом, если вектор напряженности перпендикулярен к границе раздела, напряженность поля меняется скачком.

При переходе через границу раздела двух диэлектриков электрический потенциал не претерпевает скачков.

Идеальный проводник в электростатическом поле

Вблизи поверхности заряженного проводника силовые линии перпендикулярны его поверхности, и поэтому работа по перемещению заряда вдоль любой линии на поверхности проводника .

Для электростатических явлений поле внутри проводника равно нулю

 

Поверхностные заряды

Плотность заряда — это количество заряда, приходящееся на единицу длины, площади или объёма.

Если проводнику сообщить избыточный заряд, то этот заряд распределится по поверхности проводника.

Напряженность поля на поверхности проводника должна быть в каждой точке направлена по нормали к поверхности в противном случае появляется составляющая направлена вдоль поверхности, что будет приводить к перемещению зарядов до тех пор пока не пропадет составляющая . Следовательно, в случае равновесия зарядов поверхность проводника будет эквипотенциальной. Если проводящему телу сообщить некоторый заряд q, то он распределится так, чтобы соблюдались условия равновесия. Представим себе произвольную замкнутую поверхность, полностью заключенную в пределах тела. Поскольку при равновесии зарядов поле в каждой точке внутри проводника отсутствует, поток вектора электрического смещения через поверхность равен нулю . Согласно теореме Гаусса алгебраическая сумма зарядов внутри поверхности также будет равна нулю.

Электрическое поле вблизи острия

Линии напряженности вблизи острия сгущаются, во впадинах разряжаются.

 

9) Коэффициенты емкости и взаимной емкости проводников. Конденсаторы. Емкость конденсаторов.

Коэффициенты емкости и взаимной емкости проводников. Конденсаторы

Конденса́тор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля

Емкость конденсаторов

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд.

Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью каждая, расположенных на расстоянии друг от друга, в системе СИ выражается формулой: , где ε — относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами (в вакууме равна единице), ε₀ — электрическая постоянная, численно равная Ф/м

 

10) Энергия взаимодействия электрических зарядов. Энергия системы заряженных проводников. Энергия заряженного конденсатора. Плотность энергии электростатического поля

Энергия взаимодействия электрических зарядов

Два точечных заряда в вакууме действуют друг на друга с силами, которые пропорциональны произведению модулей этих зарядов, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними и направлены вдоль прямой, соединяющей эти заряды. Эти силы называются электростатическими (кулоновскими).

Энергия системы заряженных проводников

Заряженный проводник может быть представлен как совокупность взаимодействующих точечных зарядов . Он обладает одной характерной именно для проводников особенностью – весь объем проводника является эквипотенциальным, т. е. для всех входящих в проводник зарядов имеется один и тот же потенциал . Поэтому для нахождения энергии заряженного проводника можно воспользоваться формулой (5.10)

, (5.11)

где – заряд проводника; – потенциал проводника. Используя определение емкости уединенного проводника, формулу (5.11) можно переписать в виде:

.(5.12)

Из формулы (5.12) следует, что энергия заряженного проводника (независимо от знака заряда) всегда положительна.

Область применения формулы (5.10) с учетом выражения (5.11) может быть изменена: вместо определения энергии взаимодействия точечных зарядов по ней можно рассчитывать энергию взаимодействия заряженных проводников. В этом случае вместо параметров точечных зарядов в (5.10) будут фигурировать параметры заряженных проводников.

Опираясь на полученные выше результаты, можно рассмотреть общую задачу – определение энергии системы заряженных проводников.

Простейшим примером системы заряженных проводников является конденсатор. У конденсатора один проводник (обкладка), на котором находится заряд ,имеет потенциал , а потенциал обкладки, на которой находится заряд , равен . Согласно формуле (5.10) энергия такой системы зарядов определяется как

, (5.13)

где – разность потенциалов между обкладками конденсатора. Используя определение емкости конденсатора (5.3), формулу для энергии заряженного конденсатора можно представить в виде:

 

Энергия заряженного конденсатора

Если на обкладках конденсатора электроемкостью С находятся электрические заряды +q и - q, то согласно формуле (20.1) напряжение между обкладками конденсатора равно

 

Плотность энергии электростатического поля

Это физическая величина, численно равная отношению потенциальной энергии поля, заключенной в элементе объема, к этому объему. Для однородного поля объемная плотность энергии равна . Для плоского конденсатора, объем которого Sd, где S - площадь пластин, d - расстояние между пластинами, имеем

С учетом, что и

 

11) Диэлектрики в электрическом поле. Поляризация диэлектрика. Векторы поляризации и электрической индукции (электрического смешения). Диэлектрические проницаемость и восприимчивость

Диэлектрики в электрическом поле

В отличие от проводников, в диэлектриках нет свободных зарядов. Все заряды являются связанными: электроны принадлежат своим атомам, а ионы твёрдых диэлектриков колеблются

вблизи узлов кристаллической решётки.

Соответственно, при помещении диэлектрика в электрическое поле не возникает направленного движения зарядов. Поэтому для диэлектриков не проходят наши доказательства свойств проводников — ведь все эти рассуждения опирались на возможность появления тока. И действительно, ни одно из четырёх свойств проводников, сформулированных в предыдущей статье, не распространяется на диэлектрики.

1. Напряжённость электрического поля внутри диэлектрика может быть не равна нулю.

2. Объёмная плотность заряда в диэлектрике может быть отличной от нуля.

3. Линии напряжённости могут быть не перпендикулярны поверхности диэлектрика.

4. Различные точки диэлектрика могут иметь разный потенциал. Стало быть, говорить о

«потенциале диэлектрика» не приходится.

Но тем не менее, одно важнейшее общее свойство у диэлектриков имеется, и вам оно известно

(вспомните формулу напряжённости поля точечного заряда в диэлектрике!). Напряжённость

поля уменьшается внутри диэлектрика в некоторое число " раз по сравнению с вакуумом.

Величина " даётся в таблицах и называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика.

Поляризация диэлектрика

Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.

Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации. Физический смысл вектора электрической поляризации — это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.

Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков, и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами. Он применим не только для описания индуцированной поляризации, но и спонтанной поляризации (у сегнетоэлектриков).

Поляризация — состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.

Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.

Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле с напряженностью Е₁, направленное против внешнего поля с напряженностью Е₀. Результирующая напряженность поля Е внутри диэлектрика Е=Е₀-Е₁.

Векторы поляризации и электрической индукции (электрического смешения)

Вектор поляризации — векторная физическая величина, приведённый внешним электрическим полем дипольный момент единице объёма вещества, количественно характеристики диэлектрической поляризации.

Обозначается буквой , в СИ измеряется в В/м.

Электрическая индукция (электрическое смещение) — векторная величина, равная сумме вектора напряжённости электрического поля и вектора поляризации.

В СИ:

Диэлектрические проницаемость и восприимчивость

Абсолю́тная диэлектри́ческая проница́емость — физическая величина, показывающая зависимость электрической индукции от напряжённости электрического поля. В зарубежной литературе обозначается буквой ε, в отечественной (где обычно обозначает относительную диэлектрическую проницаемость) преимущественно используется сочетание , где —электрическая постоянная. В этой статье используется .

Относи́тельная диэлектри́ческая проница́емость среды ε — безразмерная физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды. Связана с эффектом поляризации диэлектриков под действием электрического поля (и с характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды). Величина ε показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8 (для статического поля). Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока — около 80. Велики её значения для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим диполем. Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков составляет десятки и сотни тысяч.

Относительная диэлектрическая проницаемость вещества ε_r может быть определена путем сравнения ёмкости тестового конденсатора с данным диэлектриком (C_x) и ёмкости того же конденсатора в вакууме (C_o):

Диэлектри́ческая восприи́мчивость (или поляризу́емость) вещества — физическая величина, мера способности вещества поляризоваться под действием электрического поля. Диэлектрическая восприимчивость χ _e — коэффициент линейной связи между поляризацией диэлектрика P и внешним электрическим полем E в достаточно малых полях:

В системе СИ:

где ε₀ — электрическая постоянная; произведение ε₀χ _e называется в системе СИ абсолютной диэлектрической восприимчивостью.

В случае вакуума

У диэлектриков, как правило, диэлектрическая восприимчивость положительна. Диэлектрическая восприимчивость является безразмерной величиной.

Поляризуемость связана с диэлектрической проницаемостью ε соотношением:^[1]

ε = 1 + 4πχ (СГС)

ε = 1 + χ (СИ)

 

12)Постоянный электрический ток. Условия существования тока. Сила тока. Плотность тока. Сопротивление. Проводимость. Законы Ома и Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной форме

Постоянный электрический ток.

Электри́ческий ток — упорядоченное нескомпенсированное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах - ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях - электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость). Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. Постоянный ток — ток, направление и величина которого слабо меняется во времени.

Условия существования тока.

Для возникновения и поддержания тока в какой-либо среде необходимо выполнение двух условий:
-наличие в среде свободных электрических зарядов
-создание в среде электрического поля. (наличие источника тока. в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля.)
В разных средах носителями электрического тока являются разные заряженные частицы.

Для поддержания тока в электрической цепи на заряды кроме кулоновских сил должны действовать силы неэлектрической природы (сторонние силы).
Устройство, создающее сторонние силы, поддерживающее разность потенциалов в цепи и преобразующее различные виды энергии в электрическую энергию, называется источником тока.
Для существования электрического тока в замкнутой цепи необходимо включение в нее источника тока.

Сила тока. Плотность тока. Сопротивление. Проводимость.

1. Сила тока — I, единица измерения — 1 А (Ампер).
Силой тока называется величина, равная заряду, протекающему через поперечное сечение проводника за единицу времени.
I = Δq/Δt.
Формула (1) справедлива для постоянного тока, при котором сила тока и его направление не изменяются со временем. Если сила тока и его направление изменяются со временем, то такой ток называется переменным.
Для переменного тока:
I = lim Δq/Δt, (*)
Δt —> 0
т.е. I = q’, где q’ — производная от заряда по времени.

2. Плотность тока — j, единица измерения — 1 А/м2.
Плотностью тока называется величина, равная силе тока, протекающего через единичное поперечное сечение проводника:
j = I/S.

3. Электродвижущая сила источника тока — э.д.с. (ε), единица измерения — 1 В (Вольт). Э.д.с.- физическая величина, равная работе, совершаемой сторонними силами при перемещении по электрической цепи единичного положительного заряда:
ε = Аст./q.

4. Сопротивление проводника — R, единица измерения — 1 Ом.
Под действием электрического поля в вакууме свободные заряды двигались бы ускоренно. В веществе они движутся в среднем равномерно, т.к. часть энергии отдают частицам вещества при столкновениях.

Теория утверждает, что энергия упорядоченного движения зарядов рассеивается на искажениях кристаллической решетки. Исходя из природы электрического сопротивления, следует, что
R = ρ*l/S,
где
l — длина проводника,
S — площадь поперечного сечения,
ρ — коэффициент пропорциональности, названный удельным сопротивлением материала.
Эта формула хорошо подтверждается на опыте.
Взаимодействие частиц проводника с движущимися в токе зарядами зависит от хаотического движения частиц, т.е. от температуры проводника. Известно, что
ρ = ρ0(1 + Δ t),
R = R0(1 + Δ t)

Коэффициент k называется температурным коэффициентом сопротивления:
k = (R — R0)/R0*t.

Для химически чистых металлов K > 0 и равно 1/273 К-1. Для сплавов температурные коэффициенты имеют меньшее значение. Зависимость r(t) для металлов линейная:

В 1911 году открыто явление сверхпроводимости, заключающееся в том, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, сопротивление некоторых металлов падает скачком до нуля.

У некоторых веществ (например, у электролитов и полупроводников) удельное сопротивление с ростом температуры уменьшается, что объясняется ростом концентрации свободных зарядов.
Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной электрической проводимостью G
G = 1/ρ.

Законы Ома и Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной форме

Однородный участок цепи (e = 0):

Наблюдения показывают, что сила тока на участке цепи прямопропорциональна напряжению (I ~ U) и обратнопропорциональна сопротивлению (I ~ 1/R). Следовательно,

I = U/R. (10)

Формула (10) представляет собой закон Ома для однородного участка цепи.

Вольтамперная характеристика имеет вид, изображенный на графике:

Из формулы (10) следует, что U = I*R. Произведение I*R называют падением напряжения.

 

При написании уравнений для постоянного тока в металлах следует, все производные по времени в уравнениях Максвелла положить равными нулю. Таким образом, в качестве основных уравнений для постоянного тока в металлах принимаются следующие уравнения:

(16.3)

. (16.4)

Первое уравнение показывает, что поле является потенциальным и

. (16.5)

Система уравнений (16.3) и (16.4) является неопределенной, так как четыре уравнения содержат шесть неизвестных. Для того чтобы система стала определенной, ее необходимо дополнить уравнением связи между неизвестными величинами и .

, (16.6)

где величина называется проводимостью. Для однородного проводника . Уравнение связи (16.6) называется законом Ома в дифференциальной форме. Этот закон имеет достаточно широкую применимость, но не является фундаментальным, т.к. заведомо носит приближенный характер.

 

Закон Джоуля — Ленца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцом.

Математически может быть выражен в следующей форме:

где w — мощность выделения тепла в единице объёма, — плотность электрического тока, — напряжённость электрического поля, σ — проводимость среды.

Закон также может быть сформулирован в интегральной форме для случая протекания токов в тонких проводах^[3]:

Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивлению участка

В математической форме этот закон имеет вид

где dQ — количество теплоты, выделяемое за промежуток времени dt, I — сила тока, R — сопротивление, Q — полное количество теплоты, выделенное за промежуток времени от t₁ до t₂. В случае постоянных силы тока и сопротивления: