Електромагнітне поле#
Серед чотирьох фундаментальних видів взаємодій у природі особливе місце займає електромагнітна взаємодія. Вона проявляється у випадках, коли частинки мають електричний заряд, і відіграє ключову роль у формуванні структури речовини. Саме ця взаємодія забезпечує зв'язок електронів із ядрами атомів та об'єднання атомів у молекули. Завдяки електромагнітній взаємодії відбуваються хімічні реакції та біологічні процеси, визначаються фізичні властивості речовин у різних агрегатних станах, функціонують сили пружності та тертя. Механізмом реалізації електромагнітної взаємодії виступає особлива форма матерії - електромагнітне поле.
Електромагнітне поле представляє собою особливу форму матерії, через яку здійснюється взаємодія об'єктів, що мають електричні заряди або магнітні властивості: заряджених тіл, заряджених частинок та намагнічених тіл.
За загальноприйнятою концепцією електромагнітне поле проявляється у двох взаємопов'язаних формах: електричній та магнітній. Розглянемо детальніше основні характеристики та властивості кожної з цих складових електромагнітного поля.
Складові електромагнітного поля#
Електричне поле#
Електричне поле є компонентом електромагнітного поля, головною характеристикою якого виступає здатність впливати як на рухомі, так і на нерухомі заряджені частинки.
Основною величиною, що кількісно характеризує електричне поле, є вектор напруженості \(\vec{E}\).
Електричне поле діє на заряджену частинку з силою \(\vec{F}_{e}\), яка прямо пропорційна величині заряду \(q\) цієї частинки та не залежить від того, рухається частинка чи перебуває у стані спокою: \(\vec{F}_{e} = q\vec{E}\).
Коли заряд частинки позитивний, напрямок сили \(\vec{F}_{e}\) співпадає з напрямком вектора напруженості \(\vec{E}\). У випадку негативного заряду напрямок сили протилежний напрямку вектора \(\vec{E}\).
Електричне (електростатичне) поле породжується зарядженими частинками та тілами, що мають електричний заряд (зауваження: тут необхідно уточнити, що мова йде саме про електростатичне поле, тобто поле нерухомих зарядів; однак електричне поле також може утворюватися при зміні магнітного поля).
Силові лінії напруженості електричного поля, створеного електричними зарядами, беруть початок на позитивно заряджених об'єктах або приходять з нескінченності, а закінчуються на негативно заряджених об'єктах або йдуть у нескінченність.
Додатковим джерелом електричних полів виступають змінні магнітні поля - факт, встановлений М. Фарадеєм у 1831 році. Характерною особливістю силових ліній електричного поля, індукованого змінним магнітним полем, є їхня замкненість, що вказує на вихровий характер такого електричного поля.
Магнітне поле#
Магнітне поле виступає другою складовою електромагнітного поля, визначальною властивістю якої є вплив виключно на заряджені частинки, що перебувають у русі.
Кількісною характеристикою магнітного поля слугує вектор магнітної індукції \(\vec{B}\).
Магнітне поле впливає на заряджену частинку із силою (силою Лоренца \(\vec{F}_{L}\)), величина якої прямо пропорційна модулю заряду \(q\) та швидкості \(v\) руху частинки:
Для визначення напрямку дії сили Лоренца використовують правило лівої руки.
Магнітне поле створюється різноманітними джерелами: зарядженими тілами та частинками під час їхнього руху, провідниками зі струмом, а також тілами, що мають магнітні властивості за рахунок наявності власних магнітних моментів тіл (див. попередній матеріал).
Характерною особливістю магнітного поля є замкненість його силових ліній, що свідчить про вихрову природу поля. Для визначення напрямку ліній магнітної індукції поля, яке створюється провідником зі струмом або рухомим зарядом, застосовують правило правої руки: великий палець спрямовують у напрямку електричного струму в провіднику або в напрямку руху позитивного заряду (протилежно до руху негативного заряду), тоді чотири зігнуті пальці показують напрямок ліній магнітної індукції.
У випадку магнітного поля, створеного намагніченим тілом, силові лінії магнітної індукції виходять із північного магнітного полюса й заходять у південний.
Важливим відкриттям, зробленим Дж. Максвеллом у 1867 році, стало встановлення факту, що змінні електричні поля також є джерелами магнітних полів.
У 1867 році видатний британський фізик Дж. Максвелл сформулював революційну гіпотезу про нерозривний зв'язок електричного та магнітного полів. Він стверджував, що ці поля не існують незалежно одне від одного: якщо змінне магнітне поле породжує електричне поле, то за принципом симетрії змінне електричне поле повинно створювати магнітне поле. Це означає, що в просторі фактично існує єдине електромагнітне поле з двома взаємопов'язаними проявами. Експериментальне підтвердження цієї гіпотези було отримано через 21 рік після її висунення.
Коли заряджена частинка з зарядом \(q\) рухається в електромагнітному полі зі швидкістю \(\vec{v}\), на неї діє результуюча сила, відома як зведена сила Лоренца \(\vec{F}\). Ця сила визначається як векторна сума двох складових: \(\vec{F} = \vec{F}_{e} + \vec{F}_{L}\), де \(\vec{F}_{e} = q\vec{E}\) представляє електричну складову зведеної сили Лоренца, а \(F_{L} = |q|vB\sin\alpha\) - магнітну складову цієї сили.
Важливою характеристикою електромагнітного поля є те, що воно поширюється у просторі з обмеженою швидкістю. У вакуумі ця швидкість складає приблизно \(3 \cdot 10^8\) м/с, що відповідає швидкості розповсюдження світла.
Відео. Поширення електромагнітної хвилі та коливання векторів E та B у фіксованій точці під час такого поширення.
CC BY-SA 3.0, Посилання. Wiki
Рис. 1. Електромагнітна хвиля. Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0, Link
У чому відносність електричного і магнітного полів#
Висновок Максвелла про невіддільність електричного та магнітного полів може викликати сумніви, адже загальновідомо, що біля нерухомого зарядженого тіла спостерігається лише електричне поле, а в околі нерухомого постійного магніту - лише магнітне. Однак ключовим моментом тут є розуміння відносності руху та спокою, які залежать від вибраної системи відліку.
Уявіть експеримент: ви тримаєте в руках магніт і віддаляєтесь від свого товариша. Якби людське око могло безпосередньо сприймати електромагнітне поле, то ви спостерігали б лише магнітну складову, оскільки відносно вас магніт нерухомий. Натомість ваш товариш бачив би як магнітну, так і електричну складові поля, оскільки з його точки зору магніт переміщується, а отже, магнітне поле змінюється в часі.
Розглянемо іншу ситуацію: ваш товариш бере заряджену кульку і несе її у вашому напрямку. Ваш товариш фіксуватиме лише електричне (електростатичне поле), оскільки заряд відносно нього є нерухомим. Але ви будете фіксувати і електричне, і магнітне поле, оскільки заряд рухається до вас.
З цих прикладів випливає важливий висновок: твердження про наявність у конкретній точці простору винятково електричного чи винятково магнітного поля позбавлене фізичного змісту без вказівки на систему відліку, відносно якої проводиться спостереження.