Силовые линии электростатического поля не замкнуты: они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.

Это свидетельство того, что источниками электрического поля являются электрические заряды.

Силовые линии электростатического поля не пересекаются.

 

 

На рис. 7 изображены силовые линии электрического поля системы двух зарядов: разноименных и одноименных. Из рисунков видно, что по густоте линий можно судить о напряженности электрического поля.

Электрическое поле называется однородным, если вектор его напряженности одинаков во всех точках пространства. Пример такого поля —электрическое поле между двумя близко расположенными параллельными пластинами, равномерно заряженными по их поверхности разноименными, равными по значению зарядами.

На рис.8 показаны силовые линии такого поля. На рисунке видно, что однородное электрическое поле существует только в пространстве между пластинами.

Важнейшим свойством электрического поля как особого вид_а материи является наличие энергии. Поля, обладающие энергией, называются потенциальными. Электростатическое поле является потенциальным полем. Наличие энергии свидетельствует о том, что при перемещении заряда в однородном электростатическом поле совершается работа, которая не зависит от формы траектории и на замкнутой траектории равна нулю.

Перейдем к представлению магнитного поля. Всякий движущийся заряд создает в окружающем пространстве магнитное иоле, способное действовать на другие движущиеся заряды.

Главное свойство магнитного поля - это способность действовать на движущиеся заряды с определенной силой.

! Создается магнитное поле только движущимися электрическими зарядами (проводниками стоком).

Силовая характеристика магнитного поля, по причинам исторического характера, получила название не напряженность, а индукция. Принято обозначать индукцию магнитного поля буквой В. Обычно эту физическую величину вводят путем рассмотрения действия магнитного поля на маленькую пробную рамку с током. Такая рамка должна иметь малые размеры, чтобы по ее поведению можно было судить о магнитном поле в малой области пространства (в «точке»). Ток в этой рамке должен быть достаточно мал, чтобы его влиянием на источники исследуемого магнитного поля можно было пренебречь. Пробная рамка с током, помещенная в магнитное поле, будет располагаться определенным образом. Силы, действующие на нее со стороны магнитного поля, будут разворачивать рамку. Вращающий момент сил будет максимален, когда рамка ориентированна перпендикулярно магнитным линиям. Отношение максимального вращающего момента М_мах к произведению силы тока I на площадь, ограниченную рамкой, S характеризует магнитное поле в том месте, где расположена рамка. Это отношение и принимают, по определению, за модуль вектора магнитной индукции В.

Модуль вектора магнитной индукции - это физическая величина, численно равная отношению максимального вращающего момента, действующего на рамку с током со стороны магнитного поля, к произведению силы тока в рамке на площадь, ограниченную рамкой:

 

За единицу магнитной индукции в СИ принята единица, которая называется тесла (Тл).

Как и электрическое поле, магнитное поле удовлетворяет принципу суперпозиции: если магнитное поле создается несколькими проводниками с током, то индукция результирующего поля есть векторная сумма индукций полей, создаваемых каждым проводником.

Направление вектора магнитной индукции определяется с помощью правила буравчика или правило винта с правой нарезкой:

 

!Если буравчик с правой резьбой ввинчивать по направлению тока в проводнике, то направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением силовых линий магнитного поля, создаваемого этим током.

Направление магнитных силовых линий в каждой точке совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Как и в случае электрического поля, картину силовых линий магнитного поля можно сделать «видимой». Для этого используют мелкие железные опилки, которые в магнитном поле намагничиваются и, подобно маленьким магнитным стрелкам, ориентируются вдоль силовых линий. Наблюдения за распределением магнитного поля убеждают нас, что силовые линии магнитного поля всегда замкнуты, охватывают проводник с током, который порождает поле. Поля с замкнутыми силовыми линиями являются вихревыми полями. Замкнутость силовых линий магнитного поля свидетельствует о том, что в природе нет магнитных зарядов.

 

1.8. Электромагнитная индукция. Взаимосвязь электрических и магнитных полей.

Электрические и магнитные поля порождаются одними и теми же источниками — электрическими зарядами. Поэтому можно было предположить, что между этими полями существует определенная связь. Это предположение нашло экспериментальное подтверждение.

Когда в 1820 г. Эрстед впервые обнаружил, что магнетизм может быть получен электрическим током, вдохновлённый новизной идеи Майкл Фарадей задумался об обратном процессе — превращении магнетизма в электрический ток. Поставленную задачу превращения магнетизма в электричество Фарадей зафиксировал в своем дневнике в 1821 г. С тех пор он, не переставая, думал об этом.

Как часто бывает в истории науки, новые идеи приходят не только к одному ученому. Так было и с идеей получения электричества с помощью магнетизма. Практически одновременно над проблемой бились Фарадей и другие ученые. Швейцарский физик Жан-Даниэль Колладон (1802-1893 гг.) также пытался получить электрический ток с помощью магнита. При работе он пользовался гальванометром. Чтобы магнит не оказывал непосредственного влияния на стрелку гальванометра, концы катушки, в которую Колладон вдвигал магнит, надеясь получить в ней ток, были выведены в соседнюю комнату. Вдвинув магнит в катушку, Колладон направлялся в комнату, где находился гальванометр, и с огорчением отмечал, что стрелка гальванометра стояла на нуле, т.е. ток в катушке не возникал. Стоило ему все время наблюдать за гальванометром или попросить кого-либо заняться магнитом, замечательное открытие было бы сделано Колладоном. Но этого не случилось. Покоящийся относительно катушки магнит мог лежать преспокойно внутри нее сколь угодно долго, не вызывая в катушке тока.

! Лишь движущийся магнит, создающий изменяющееся магнитное поле, является причиной появления электрического тока.

 

В то же время за океаном другой ученый — американец Джозеф Генри (1799-1878 гг.), родившийся, как и Фарадей, в бедной семье и также вынужденный заниматься самообразованием, экспериментальным путем пришел к открытию нового явления. Случилось это за год до открытия Фарадея, но в силу жизненных обстоятельств результатов своих Генри не опубликовал.

29 августа 1831 г., ничего не зная об открытии Генри, Фарадей фиксирует появление индукционного тока в замкнутом проводнике, помещенном в переменное магнитное поле. Данное явление Фарадей назвал индукцией тока. (По-русски слово «индукция» означает наведение). Первоначально была открыта индукция неподвижных друг относительно друга токов.

 

!В замкнутом контуре возникает индукционный ток при изменении числа силовых линий магнитного поля, пронизывающих площадь, ограниченную этим контуром.

!Чем быстрее меняется число линий магнитного поля, тем больше электрический ток.

Причина изменения силовых линий безразлична: это может быть и изменение силы тока, и сближение катушек, и движение магнита.

Возникающий индукционный ток немедленно начинает взаимодействовать с породившим его током или магнитом. Направление индукционного тока определяется с помощью правила Ленца:

Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через площадь, ограниченную контуром, стремится компенсировать то изменение магнитного потока, которым вызывается данный ток.

Истинный смысл электромагнитной индукции был найден Дж. Максвеллом (1831-1879 гг.). Максвелл развил идеи М. Фарадея, создал теорию электромагнитного поля. Основная часть теории - это уравнения, описывающие законы электромагнетизма, так называемые уравнения Максвелла. Их изучение не входит в рамки нашего курса, следует только заметить, что известные нам законы — Кулона, Ампера являются частными случаями этих уравнений. Уравнения имеют лаконичную форму, на языке высшей математики описывают поведение электрических и магнитных полей. Одно из уравнений имеет такой смысл: изменяясь во времени, переменное магнитное поле порождает вокруг себя электрическое.

Согласно теории Максвелла: переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле; переменное электрическое поле порождает переменное магнитное.

Переменное электрическое и переменное магнитные поля — это две составляющие единого электромагнитного поля. Распространяется электромагнитное поле в пространстве в виде электромагнитных волн со скоростью, равной скорости света в вакууме (3 • 10⁸м/с).

!Источником электромагнитных волн являются электрические заряды, движущиеся с ускорением.

При ускоренном движении возникающее электромагнитное поле «отрывается» от частицы и начинает существовать самостоятельно в виде электромагнитных волн. Электромагнитные волны могут распространяться не только в среде, но и в вакууме. Векторы напря­женности электрического поля и магнитной индукции в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и вектору скорости распространения волны (рис. 9).

Первоначально существование электромагнитных волн было предсказано теоретически. Примерно через полтора десятка лет немецкий физик Г. Герц (1857-1894 гг.) экспериментально доказал существование электромагнитных волн. Началось изучение свойств электромагнитных волн. Ещё через десяток лет нашлись первые пути их практического применения: была осуществлена беспроводная радиосвязь.

1.9. Биологическое действие электромагнитных излучений.

У Земли существует естественный электромагнитный фон. В процессе эволюции человек приспособился к естественному электромагнитному полю. Но в настоящее время появилось огромное количество искусственно созданных источников электромагнитного излучения. К основным источникам электромагнитного излучения можно отнести:

1. Электротранспорт: трамваи, троллейбусы, электропоезда;

 

2. Линии высоковольтной передачи;

 

3. Бытовые электроприборы;

 

4. Транслирующие антенны теле-, радиостанций, сотовой и спутниковой связи;

 

5. Радары;

 

6. Персональные компьютеры.

 

Электрические и магнитные поля являются очень сильными факторами влияния на состояния всех биологических объектов, попадающих в зону их воздействия. Наприме р, у насекомых, ко торые попа ли в зону электр омагнитног о излучения, по являются измене ния в поведении: у пчел фиксируется повышенная агрессивность, беспокойство, снижение работоспособности и продуктивности, склонность к потере маток; у жуков, бабочек и других летающих насекомых наблюдается изменение поведенческих реакций, в том числе изменение направления движения в сторону с уменьшением уровня поля.

У растений, помещенных в электромагнитные поля, распространены аномалии развития — часто меняются формы и размеры цветков, листьев, стеблей, появляются лишние лепестки.

Наблюдения показывают, что электромагнитные поля большой интенсивности негативно влияют на здоровье человека.

Люди, попадающие в зону мощного электромагнитного излучения, часто жалуются на плохое самочувствие, у них отмечается нарушение нервной, сердечно-сосудистой, эндокринной и других систем. Страдают от отрицательного воздействия электромагнитного излучения не только люди, чья деятельность непосредственно связана с источниками мощного излучения но и простые обыватели. В нашу жизнь входят все новые электробытовые приборы, которые, казалось бы, облегчают нашу жизнь с одной стороны, создают комфорт. Но с другой стороны, неразумное их использование приносит большой вред нашему организму. Например, стремительно вошедшие в нашу жизнь мобильные телефоны, ком п ьютеры, микров о лновые п ечи. Использование этой и подобной техники требует от нас разумного использования.

Вопрос о воздействии излучения мобильного телефона на организм человека до сих пор остаётся открытым. Многочисленные исследования на добровольцах, проведенные учеными многих стран, включая Россию, привели к неоднозначным, а иногда и противоречащим друг другу результатам. Неоспоримым остаётся тот факт, что организм человека «откликается» на наличие излучения сотового телефона.

 

Не пользуйтесь мобильным телефоном без необходимости: длительность вашего разговора не должна превышать 5-6 минут.

Одним из наиболее распространенных источников влияния электромагнитного излучения являются компьютеры. В современном мире они получили широчайшее применение. Но работая за компьютером, нужно помнить, что на экране монитора накапливается электростатический заряд, создающий электростатическое поле. Заметный вклад в общее электростатическое поле вносят электризующиеся от трения поверхности клавиатуры и мыши. Обобщенные данные показывают, что у работающих за монитором от 2 до 6 часов в сутки наблюдаются функциональные нарушения центральной нервной системы, развиваются болезни сердечно-сосудистой системы, страдают верхние дыхательные пути, опорно-двигательный

 

 

1.10. Электромагнитные взаимодействия в природе

Процесс протекания электрического тока через газ называют газовым разрядом.

Выделяют несколько видов газовых разрядов: искровой, коронный, тлеющий, дуговой.

Электричество в атмосфере. Как уже упоминалось, поверхность Земли заряжена отрицательно. Над поверхностью Земли существует электрическое поле. Измерения показывают, что с увеличением высоты над поверхностью Земли поле становится слабее. На высоте примерно 50 км поле едва заметно. Примерно на этой высоте расположена проводящая оболочка Земли, состоящая из положительно заряженных ионов, — ионосфера. Разность потенциалов между поверхностью Земли и верхом атмосферы равна около 400 кВ. Под действием электрического поля к Земле все время течет слабый электрический ток. Плотность электрического тока мала — через каждый квадратный метр параллельно земной поверхности проходит около 10^-12А. Носителем заряда атмосферного электрического тока являются ионы, которые обеспечивают проводимость. Ионы образуются из электрически нейтральных молекул воздуха вокруг Земли. Источником ионов является радиоактивность некоторых элементов, которые имеются в земной коре. Кроме того, большая часть проводящих ионов возникает благодаря действию космического излучения. Ионизация нейтральных молекул воздуха возникает также под влиянием Солнца. Количество ионов в различных местах разное, поэтому проводимость воздуха переменчива. Она растет с высотой, так как с высотой растет ионизация воздуха космическими лучами.

Электрический ток, достигающий земной поверхности, несет положительный заряд. Таким образом, отрицательный заряд Земли должен бы уменьшаться, но этого не происходит. Отрицательный заряд Земли поддерживается молниями.

!Молния — гигантский искровой разряд. Он сопровождается звуковыми явлениями - громом. На Земле каждые сутки гремит около 300 гроз.

Верхушка грозового облака заряжена положительно, а нижняя часть отрицательно. Заряда нижней части хватает на то, чтобы создать между ней и поверхностью земли разность потенциалов в 20, 30 и даже 100 миллион вольт. Эти огромные напряжения пробивают воздух и создают гигантский разряд. При пробое отрицательный заряд с нижней части тучи переносится зигзагами молнии на Землю. Молния бьет между одной частью тучи и другой, или между одной тучей и другой, или между тучей и Землей. Таким образом, поддерживается отрицательный заряд поверхности Земли.

Магнитное поле Земли. Со времен Гильберта стало известно, что Земля представляет собой гигантский магнит. Согласно современным представлениям магнитное поле Земли создается конвективными движениями электропроводящего вещества в ее жидком металлическом ядре.

Южный магнитный полюс Земли находится в северном полушарии. Северный магнитный полюс находится в южном полушарии. Географические полюса не совпадают с ее геомагнитными по­люсами. Магнитная ось наклонена к оси вращения земли на11,5°. Средняя магнитная индукция вблизи земной поверхности составляет 5 10^-5 Тл. На магнитных полюсах она больше, а на экваторе меньше.

!Магнитосфера — область околоземного пространства, в которой со­средоточено магнитное поле Земли.

Магнитное поле Земли не остается постоянным, оно испытывает медленные изменения во времени. Через достаточно большие промежутки времени могут происходить изменения расположения магнитных полюсов на противоположные (инверсии). За последние 30 млн. лет среднее время между инверсиями составляет около 150 тысяч лет. Она защищает нашу планету от губительных для живых opганизмов космических излучений, представляющих собой потоки электронов, протонов и других заряженных частиц. Эти частицы захватываются геомагнитным полем и движутся по спиральным траекториям вдоль его силовых линий.

Эти потоки заряженных частиц образуют радиационные пояса, окружающие нашу планету. Многие из этих частиц имеют солнечное происхождение: разреженные внешние плазменные слои атмосферы Солнца, расширяясь в межпланетное пространство, образуют солнечный ветер. Во время увеличения солнечной активности интенсивность солнечного ветра возрастает. При этом частицы солнечного ветра ионизируют верхние слои атмосферы в северных широтах и вызывают там свечения — полярные сияния. Под действием усиленного солнечного ветра возникают значительные изменения магнитного поля Земли — магнитные бури. Магнитные бури продолжаются обычно от 6 до 12 часов, а затем характеристики магнитного поля Земли восстанавливаются.

 

 

Магнитные бури оказывают негативное влияние на человека. Ещё в 1928 г. А. Л. Чижевский (1897-1964 гг.) указывал на то, что солнечная активность влияет на возникновение несчастных случаев, увеличивается травматизм на транспорте и производстве. Молодой и здоровый организм легко адаптируется и хорошо переносит магнитные бури, но у части населения магнитные бури не редко сопровождаются головными болями, бессонницей, плохим самочувствием, пониженным жизненным тонусом, перепадами давления и другими проявлениями.