Ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο: Ποιες είναι οι διαφορές;

Ο όρος «χωράφι» στα ρωσικά σημαίνει μια πολύ μεγάλη περιοχή ομοιόμορφης σύνθεσης, για παράδειγμα σιτάρι ή πατάτα.

Στη φυσική και την ηλεκτρική μηχανική, χρησιμοποιείται για να περιγράψει διάφορους τύπους ύλης, για παράδειγμα ηλεκτρομαγνητική, που αποτελείται από ηλεκτρικά και μαγνητικά στοιχεία.

Το ηλεκτρικό φορτίο συνδέεται με αυτές τις μορφές ύλης. Όταν είναι ακίνητο, υπάρχει πάντα ένα ηλεκτρικό πεδίο γύρω του, και όταν κινείται, σχηματίζεται επίσης ένα μαγνητικό πεδίο.

Η ιδέα του ανθρώπου για τη φύση του ηλεκτρικού (ακριβέστερα, ηλεκτροστατικού) πεδίου διαμορφώνεται με βάση πειραματικές μελέτες των ιδιοτήτων του, καθώς δεν υπάρχει ακόμη άλλη μέθοδος έρευνας. Με αυτή τη μέθοδο, διαπιστώθηκε ότι δρα σε κινούμενα ή/και ακίνητα ηλεκτρικά φορτία με συγκεκριμένη δύναμη. Με τη μέτρηση της αξίας του, αξιολογούνται τα κύρια λειτουργικά χαρακτηριστικά.

Ηλεκτρικό πεδίο

Σχηματίστηκε:

• γύρω από ηλεκτρικά φορτία (σώματα ή σωματίδια).

• με αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο, όπως συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της κίνησης Ηλεκτρομαγνητικά κύματα. 

Απεικονίζεται με γραμμές δύναμης, οι οποίες συνήθως εμφανίζονται να προέρχονται από θετικά φορτία και να καταλήγουν σε αρνητικά. Τα φορτία είναι επομένως πηγές ηλεκτρικού πεδίου. Ενεργώντας σε αυτά μπορείτε:

• προσδιορισμός της παρουσίας ενός πεδίου·

• εισάγετε μια βαθμονομημένη τιμή για να μετρήσετε την τιμή της.

Για πρακτική χρήση, η χαρακτηριστική ισχύς ονομάζεται τάση, η οποία υπολογίζεται από τη δράση σε μία μόνο φόρτιση με θετικό πρόσημο.

Μαγνητικό πεδίο

Δρα σε:

• ηλεκτρικά σώματα και φορτία σε κίνηση με καθορισμένη προσπάθεια.

• μαγνητικές ροπές χωρίς να ληφθούν υπόψη οι καταστάσεις της κίνησής τους.

Το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται:

• η διέλευση ενός ρεύματος φορτισμένων σωματιδίων.

• αθροίζοντας τις μαγνητικές ροπές των ηλεκτρονίων μέσα σε άτομα ή άλλα σωματίδια.

• με μια προσωρινή αλλαγή στο ηλεκτρικό πεδίο.

Απεικονίζεται επίσης με γραμμές δύναμης, αλλά είναι κλειστές κατά μήκος του περιγράμματος, δεν έχουν αρχή και τέλος, σε αντίθεση με τις ηλεκτρικές.

Αλληλεπίδραση ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων

Η πρώτη θεωρητική και μαθηματική αιτιολόγηση των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο πραγματοποιήθηκε από τον James Clerk Maxwell. Παρουσίασε ένα σύστημα εξισώσεων διαφορικών και ολοκληρωτικών μορφών στο οποίο έδειξε τη σχέση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου με τα ηλεκτρικά φορτία και τα ρεύματα που ρέουν σε συνεχή μέσα ή στο κενό.

Στο έργο του χρησιμοποιεί τους νόμους:

• Αμπέρ, που περιγράφει τη ροή του ρεύματος μέσω ενός σύρματος και τη δημιουργία μαγνητικής επαγωγής γύρω από αυτό.

• Faraday, εξηγώντας την εμφάνιση ηλεκτρικού ρεύματος από τη δράση ενός εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου σε έναν κλειστό αγωγό.

Τα έργα του Maxwell προσδιόρισαν τις ακριβείς σχέσεις μεταξύ των εκδηλώσεων ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου ανάλογα με τα φορτία που κατανέμονται στο διάστημα.

Έχει περάσει πολύς καιρός από την έκδοση των έργων του Μάξγουελ. Οι επιστήμονες μελετούν συνεχώς τις εκδηλώσεις πειραματικών γεγονότων μεταξύ ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων, αλλά ακόμη και τώρα είναι δύσκολο να αποδειχθεί η φύση τους. Τα αποτελέσματα περιορίζονται σε καθαρά πρακτικές εφαρμογές των υπό εξέταση φαινομένων.

Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι με το επίπεδο γνώσεών μας μπορούμε να χτίσουμε μόνο υποθέσεις, αφού προς το παρόν μπορούμε μόνο να υποθέσουμε κάτι.Τελικά, η φύση έχει ανεξάντλητες ιδιότητες που πρέπει ακόμα να μελετηθούν πολύ και για πολύ καιρό.

Συγκριτικά χαρακτηριστικά ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων

Πηγές εκπαίδευσης

Η αμοιβαία σχέση μεταξύ των πεδίων του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού βοηθά στην κατανόηση του προφανούς γεγονότος: δεν είναι απομονωμένα, αλλά συνδέονται, αλλά μπορούν να εκδηλωθούν με διαφορετικούς τρόπους, αντιπροσωπεύοντας μια ενιαία οντότητα - ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.

Αν φανταστούμε ότι δημιουργείται ένα ανομοιογενές πεδίο ηλεκτρικού φορτίου από το διάστημα σε κάποιο σημείο, το οποίο είναι ακίνητο σε σχέση με την επιφάνεια της Γης, τότε δεν θα λειτουργήσει ο προσδιορισμός του μαγνητικού πεδίου γύρω του σε ηρεμία.

Εάν ο παρατηρητής αρχίσει να κινείται σε σχέση με αυτό το φορτίο, τότε το πεδίο θα αρχίσει να αλλάζει με τον χρόνο και το ηλεκτρικό στοιχείο θα σχηματίσει ήδη ένα μαγνητικό, το οποίο μπορεί να δει ο μόνιμος ερευνητής με τα όργανα μέτρησής του.

Ομοίως, αυτά τα φαινόμενα θα συμβούν όταν ένας ακίνητος μαγνήτης τοποθετηθεί σε κάποια επιφάνεια, δημιουργώντας ένα μαγνητικό πεδίο. Όταν ο παρατηρητής αρχίσει να κινείται προς αυτό, θα ανιχνεύσει την εμφάνιση ηλεκτρικού ρεύματος.Αυτή η διαδικασία περιγράφει το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.

Επομένως, δεν έχει πολύ νόημα να πούμε ότι στο εξεταζόμενο σημείο του χώρου υπάρχει μόνο ένα από τα δύο πεδία: ηλεκτρικό ή μαγνητικό. Αυτό το ερώτημα πρέπει να τεθεί σε σχέση με το πλαίσιο αναφοράς:

• ακίνητος;

• Κινητός.

Με άλλα λόγια, το πλαίσιο αναφοράς επηρεάζει την εκδήλωση των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων με τον ίδιο τρόπο όπως η θέαση τοπίων μέσω φίλτρων διαφορετικών αποχρώσεων. Η αλλαγή στο χρώμα του γυαλιού επηρεάζει την αντίληψή μας για τη συνολική εικόνα, αλλά ακόμα κι αν λάβουμε ως βάση το φυσικό φως που δημιουργείται από τη διέλευση του ηλιακού φωτός από την ατμόσφαιρα του αέρα, δεν θα δώσει την αληθινή εικόνα στο σύνολό της. θα το διαστρεβλώσει.

Αυτό σημαίνει ότι το πλαίσιο αναφοράς είναι ένας από τους τρόπους μελέτης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, καθιστά δυνατή την αξιολόγηση των ιδιοτήτων, της διαμόρφωσης του. Αλλά αυτό δεν έχει μεγάλη σημασία.

Ενδείξεις ηλεκτρομαγνητικού πεδίου

Ηλεκτρικό πεδίο

Τα ηλεκτρικά φορτισμένα σώματα χρησιμοποιούνται ως δείκτες που δείχνουν την παρουσία ενός πεδίου σε μια συγκεκριμένη θέση στο διάστημα. Μπορούν να χρησιμοποιήσουν ηλεκτρισμένα μικρά κομμάτια χαρτιού, μπάλες, μανίκια, «σουλτάνους» για να παρατηρήσουν το ηλεκτρικό εξάρτημα.

Ας εξετάσουμε ένα παράδειγμα όπου δύο μπάλες ένδειξης τοποθετούνται σε ελεύθερη ανάρτηση εκατέρωθεν ενός επίπεδου ηλεκτρισμένου διηλεκτρικού. Θα έλκονται εξίσου στην επιφάνειά του και θα εκτείνονται σε μια γραμμή.

Στο δεύτερο στάδιο, τοποθετούμε μια επίπεδη μεταλλική πλάκα ανάμεσα σε μία από τις μπάλες και ένα ηλεκτρισμένο διηλεκτρικό. Αυτό δεν θα αλλάξει τις δυνάμεις που δρουν στους δείκτες. Οι μπάλες δεν θα αλλάξουν τη θέση τους.

Το τρίτο στάδιο του πειράματος σχετίζεται με τη γείωση του μεταλλικού φύλλου. Μόλις συμβεί αυτό, η σφαίρα ένδειξης που βρίσκεται μεταξύ του ηλεκτρισμένου διηλεκτρικού και του γειωμένου μετάλλου θα αλλάξει θέση, αλλάζοντας την κατεύθυνσή της σε κατακόρυφη. Θα πάψει να έλκεται προς την πλάκα και θα υπόκειται μόνο στις βαρυτικές δυνάμεις της βαρύτητας.

Αυτή η εμπειρία δείχνει ότι οι γειωμένες μεταλλικές ασπίδες εμποδίζουν τη διάδοση των γραμμών ηλεκτρικού πεδίου.

Μαγνητικό πεδίο

Στην περίπτωση αυτή, οι δείκτες μπορεί να είναι:

• ρινίσματα χάλυβα?

• ένας κλειστός βρόχος μέσω του οποίου ρέει ηλεκτρικό ρεύμα.

• μαγνητική βελόνα (παράδειγμα πυξίδας).

Η αρχή της κατανομής των ρινισμάτων χάλυβα κατά μήκος των μαγνητικών γραμμών δύναμης είναι η πιο διαδεδομένη. Περιλαμβάνεται επίσης στη λειτουργία της μαγνητικής βελόνας, η οποία, για να μειώσει την αντίθεση των δυνάμεων τριβής, στερεώνεται σε αιχμηρή αιχμή και έτσι λαμβάνει επιπλέον ελευθερία περιστροφής.

Νόμοι που περιγράφουν τις αλληλεπιδράσεις πεδίων με φορτισμένα σώματα

Ηλεκτρικά πεδία

Η πειραματική εργασία του Coulomb, που πραγματοποιήθηκε με σημειακά φορτία αιωρούμενα σε ένα λεπτό και μακρύ νήμα χαλαζία, χρησίμευσε για να διευκρινίσει την εικόνα των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στα ηλεκτρικά πεδία.

Όταν μια φορτισμένη μπάλα έφτασε κοντά τους, η τελευταία επηρέασε τη θέση τους, αναγκάζοντάς τους να αποκλίνουν κατά ένα ορισμένο ποσό. Αυτή η τιμή καθορίζεται στον επιλογέα ζυγαριάς μιας ειδικά σχεδιασμένης συσκευής.

Με αυτόν τον τρόπο, οι δυνάμεις αμοιβαίας δράσης μεταξύ ηλεκτρικών φορτίων, οι λεγόμενες ηλεκτρική, αλληλεπίδραση Coulomb… Περιγράφονται με μαθηματικούς τύπους που επιτρέπουν προκαταρκτικούς υπολογισμούς των σχεδιασμένων συσκευών.

Μαγνητικά πεδία

Λειτουργεί μια χαρά εδώ Νόμος του Ampere με βάση την αλληλεπίδραση ενός αγωγού που μεταφέρει ρεύμα τοποθετημένο μέσα στις μαγνητικές γραμμές δύναμης.

Ένας κανόνας που χρησιμοποιεί τη διάταξη των δακτύλων του αριστερού χεριού ισχύει για την κατεύθυνση της δύναμης που ασκεί το σύρμα που μεταφέρει ρεύμα. Τα τέσσερα δάχτυλα που ενώνονται μεταξύ τους πρέπει να είναι τοποθετημένα προς την κατεύθυνση του ρεύματος και οι γραμμές δύναμης του μαγνητικού πεδίου πρέπει να εισέρχονται στην παλάμη. Τότε ο αντίχειρας που προεξέχει θα δείξει την κατεύθυνση της επιθυμητής δύναμης.

Γραφικά πτήσης

Οι γραμμές δύναμης χρησιμοποιούνται για να τις υποδείξουν στο επίπεδο του σχεδίου.

Ηλεκτρικά πεδία

Για να υποδείξει τις γραμμές τάσης σε αυτήν την κατάσταση, χρησιμοποιείται ένα δυναμικό πεδίο όταν υπάρχουν σταθερά φορτία. Η γραμμή δύναμης βγαίνει από το θετικό φορτίο και πηγαίνει στο αρνητικό.

Ένα παράδειγμα μοντελοποίησης ηλεκτρικού πεδίου είναι μια παραλλαγή της τοποθέτησης κρυστάλλων κινίνης σε λάδι. Μια πιο σύγχρονη μέθοδος είναι η χρήση προγραμμάτων ηλεκτρονικών υπολογιστών γραφιστών.

Σας επιτρέπουν να δημιουργείτε εικόνες ισοδυναμικών επιφανειών, να υπολογίζετε την αριθμητική τιμή του ηλεκτρικού πεδίου και να αναλύετε διαφορετικές καταστάσεις.

Μαγνητικά πεδία

Για μεγαλύτερη ευκρίνεια της οθόνης, χρησιμοποιούν γραμμές χαρακτηριστικές ενός πεδίου στροβιλισμού όταν κλείνουν με βρόχο. Το παραπάνω παράδειγμα με λίμες από χάλυβα δείχνει ξεκάθαρα αυτό το φαινόμενο.

Χαρακτηριστικά ισχύος

Είναι σύνηθες να εκφράζονται ως διανυσματικά μεγέθη που έχουν:

• μια συγκεκριμένη πορεία δράσης?

• τιμή δύναμης που υπολογίζεται με τον αντίστοιχο τύπο.

Ηλεκτρικά πεδία

Το διάνυσμα έντασης ηλεκτρικού πεδίου σε μονάδα φορτίου μπορεί να αναπαρασταθεί με τη μορφή τρισδιάστατης εικόνας.

Το μέγεθός του:

• κατευθύνεται μακριά από το κέντρο φόρτισης.

• έχει μια διάσταση που εξαρτάται από τη μέθοδο υπολογισμού.

• καθορίζεται από δράση χωρίς επαφή, δηλαδή σε απόσταση, ως ο λόγος της ενεργού δύναμης προς το φορτίο.

Μαγνητικά πεδία

Η τάση που προκύπτει στο πηνίο μπορεί να φανεί ως παράδειγμα στην παρακάτω εικόνα.

Οι μαγνητικές γραμμές δύναμης σε αυτό από κάθε στροφή προς τα έξω έχουν την ίδια κατεύθυνση και αθροίζονται. Μέσα στο χώρο στροφής προς στροφή κατευθύνονται αντίθετα. Εξαιτίας αυτού, το εσωτερικό πεδίο αποδυναμώνεται.

Το μέγεθος της τάσης επηρεάζεται από:

• η ισχύς του ρεύματος που διέρχεται από το πηνίο.

• ο αριθμός και η πυκνότητα των περιελίξεων, που καθορίζουν το αξονικό μήκος του πηνίου.

Τα υψηλότερα ρεύματα αυξάνουν τη μαγνητοκινητική δύναμη. Επίσης, σε δύο πηνία με τον ίδιο αριθμό στροφών αλλά διαφορετικές πυκνότητες περιελίξεων, όταν ρέει το ίδιο ρεύμα, αυτή η δύναμη θα είναι μεγαλύτερη όπου οι στροφές είναι πιο κοντά.

Έτσι, τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία έχουν σαφείς διαφορές, αλλά είναι αλληλένδετα συστατικά ενός κοινού πράγματος, του ηλεκτρομαγνητικού.