3. Электрическое поле постоянного тока
К частнымслучаям электромагнитного поля относятсяэлектрическое и магнитное поля постоянноготока. Эти поля являются стационарными,т.е. не зависящими от времени.
Так как магнитноеполе постоянного тока не зависит отвремени, явление электромагнитноеиндукции отсутствует, следовательно,стационарное магнитное поле не оказываетвлияния на электрическое поле постоянноготока, и эти поля можно рассматриватьотдельно.
3.1. Электрическое поле в диэлектрике, окружающем проводники с постоянными токами
Приотсутствии токов в диэлектрике rotE= 0, т.е. E= – grad; D = E; divD = 0.
Вслучае однородной среды, когда = const,эти уравнения дают divE= 0 или divgrad= 0, т.е. потенциал удовлетворяет уравнениюЛапласа.
Такимобразом, в самом диэлектрике такое поленичем не отличается от электростатического.Однако граничные условия на поверхностипроводников уже не соответствуют тем,которые имеют место в электростатике.В случае электростатической задачиповерхность каждого проводника являетсяповерхностью равного потенциала.
Припрохождении по проводнику электрическоготока в проводнике возникает падениепотенциала, и, следовательно, поверхностьпроводника уже не будет равнопотенциальной.Линии напряженности электрическогополя в диэлектрике подходят к поверхностипроводника не под прямым углом, так какна поверхности проводника появляетсякасательная составляющая напряженностиполя в направлении линии тока. На рис.3.
1 показан характер линий напряженностиэлектрического поля около проводовлинии передачи. С принципиальной точкизрения, указанное обстоятельствосущественно осложняет расчет поля,однако практически во многих случаяхего можно не учитывать, так как обычнопадение напряжения вдоль проводниковна длине, сравнимой с расстоянием междупроводниками, ничтожно мало по сравнениюс разностью потенциалов проводников.
https://www.youtube.com/watch?v=ADsP0VJS38Q
Поэтому при рассмотрении электрическогополя в диэлектрике, окружающем проводникис постоянными токами, можно использоватьрешения, полученные при рассмотрениисоответствующих электростатическихзадач.
3.2.Электрическое поле постоянного тока в проводящей среде
Рассмотримэлектрическое поле постоянного тока внеподвижных проводящих средах, илипроводниках.
3.2.1. Уравнения и основные соотношения электрического поля постоянного тока
Рассмотримэлектрическое поле постоянного тока внеподвижных проводящих средах, илипроводниках.
Изполной системы уравнений Максвелла выберем только те уравнения, которыеописывают электрическое поле постоянноготока в проводящей среде:
(1)
Применимк обеим частям первого уравнения системы(1) операцию дивергенции, с учетом получим
.
Тогдауравнения Максвелла для электрическогополя постоянного тока примут вид
(2)
гдесогласно (3.6)
. (3)
Одно изосновных отличий электрического поляпостоянного тока от электростатическогообусловлено наличием внешних источниковэнергии неэлектростатическогопроисхождения, без которых невозможновозникновение тока. В области действияэтих источников, характеризуемых напряженностью , (3) примет вид
. (4)
Выражение(3) представляет собой закон Ома вдифференциальной форме. Соотношение(4) является обобщенным законом Ома, иливторым законом Кирхгофа, в дифференциальнойформе. Второе уравнение системы (2)называют первым законом Кирхгофа вдифференциальной форме.
УсловиеrotE = 0 свидетельствует,что вне источника ЭДС электрическоеполе постоянных токов является так же,как и электростатическое поле, безвихревым.Такое поле является потенциальным,т.е. для характеристики может бытьвведена потенциальная функция φ,причем E = – grad.
Извторого уравнения системы (2) следует,что линии вектора плотности токанепрерывны и замкнуты.
Двауравнения (2) можно объединить в одно,подобное уравнениям Пуассона-Лапласа.
Область,во всех точках которой .
Дляоднородной проводящей среды ()из второго уравнения (2) с учетом (3)получим:
. (5)
Подставляяв (5) выражение ,имеем:
,
т.е.
. (6)
Такимобразом, электрическое поле в однороднойпроводящей среде в области вне источниковэнергии описывается уравнением Лапласа(6), как и электростатическое поле воднородной среде, где нет свободныхзарядов.
Источник: https://studfile.net/preview/5909216/page:19/
Лечебное применение электрического и магнитного полей, УВЧ-терапия, магнитотерапия
Магнитные и электромагнитные поля, то есть электромагнитное излучение, присутствуют везде. Электромагнитные поля оказывают всестороннее влияние на живые организмы. Механизм этого влияния весьма разнообразен и зависит от многих факторов, что может использоваться в различных практических целях.
Физическая сущность действия электромагнитного поля на организм человека заключается в том, что оно оказывает влияние на движущиеся в теле электрически заряженные частицы, воздействуя, таким образом, на физико-химические и биохимические процессы.
Современная медицина с успехом применяет электромагнитное излучение для лечения и профилактики различных заболеваний.
УВЧ-терапия
Метод электролечения, основанный на воздействии на организм больного преимущественно ультравысокочастотного электромагнитного поля.
УВЧ оказывает противовоспалительное действие за счет улучшения крово- и лимфообращения, дегидратации тканей и уменьшения экссудации, активирует функции соединительной ткани, стимулирует процессы клеточной пролиферации, что создает возможность ограничивать воспалительный очаг плотной соединительной капсулой.
УВЧ оказывает антиспастическое действие на гладкую мускулатуру желудка, кишечника, желчного пузыря, ускоряет регенерацию нервной ткани, усиливает проводимость импульсов по нервному волокну, понижает чувствительность концевых нервных рецепторов, следовательно, способствует обезболиванию, уменьшает тонус капилляров, понижает артериальное давление, вызывает брадикардию.
Этот метод лечения применяют при различных острых и хронических воспалительных процессах внутренних органов (бронхиты, холециститы, пневмонии), опорно-двигательного аппарата, уха, горла, носа (ангины, отиты), периферической нервной системы (невриты), женской половой сферы, дистрофических процессах и острых нагноениях (фурункулы, карбункулы, абсцессы, флегмоны).
Показания:
- острые и подострые воспалительные процессы, в том числе и гнойные, если есть пути оттока гноя (заболевания органов дыхания, желудочно-кишечного тракта, мочеполовой системы, опорно-двигательного аппарата);
- травмы нервной системы;
- невралгии;
- болезнь Рейно;
- облитерирующие заболевания сосудов;
- обморожения.
Противопоказания:
- наличие металлических инородных тел в зоне воздействия;
- отсутствие путей оттока гноя;
- выраженная гипотензия;
- злокачественные новообразования;
- сердечная недостаточность 3 степени;
- инфаркт миокарда.
Магнитотерапия
Это сравнительно новое направление физиотерапии, основанное на воздействии переменного магнитного поля низкой частоты на весь организм или его часть. Ткани организма под влиянием магнитного поля не намагничиваются, однако многим составным элементам тканей (например, воде, форменным элементам крови) могут в магнитном поле передаваться магнитные свойства.
Магнитотерапия имеет широкий спектр действия и отсутствие противопоказаний. Это объясняются тем, что магнитотерапевтические методы действуют на организм на субмолекулярном, молекулярном и субклеточном уровнях.
Очень чувствительна к магнитному полю сердечно-сосудистая система и при лечении заболеваний сердца улучшается коронарное кровообращение, снижается потребность миокарда в кислороде, повышается устойчивость организма к физической нагрузке.
При воздействии на сосуды достигается их расширение, в крови понижается вязкость, снижается способность тромбоцитов образовывать тромбы в сосудах, улучшается местное кровообращение и доставка к тканям и органам кислорода. Таким образом, магнитные поля оказывают противовоспалительное, противоотечное, седативное, болеутоляющее действие.
цель использования магнитотерапии — борьба с болью. Кроме того у пациентов облегчается боль от тяжелых травм или болей, связанными с артритом. Успешно применяется магнитотерапия для рассасывания гематом и снятия воспалений. Магнитотерапия является универсальным и безопасным средством, ускоряющим регенерирующие процессы в организме. Магнитотерапия хорошо переносят ослабленные больные и больных пожилого возраста.
Магнитотерапевтические эффекты:
- улучшение общего самочувствия, сна;
- ослабление либо исчезновение боли;
- улучшение показателей крови;
- уменьшение лимфатических узлов;
- увеличение подвижности суставов;
- снижение артериального давления;
- восстановление функции периферических нервов;
- рассасывание инфильтративной ткани;
- нормализация температуры;
- снижение уровня сахара крови;
- безболезненное очищение мочевыводящих путей от конкрементов.
Показания к применению:
- заболевания сердечно-сосудистой системы;
- заболевания органов дыхания;
- заболевания желудочно-кишечного тракта;
- заболевания мочеполовой системы;
- заболевания опорно-двигательного аппарата;
- заболевания мягких тканей;
- гнойно-воспалительные заболевания;
- заболевания нервной системы;
- токсикомания, алкоголизм.
Источник: http://www.pomc.ru/extended_care/physiotherapy/magnetic_fields
Чем магнитное поле отличается от электрического?
Магнитное и электрическое поля часто рассматриваются вместе, являясь, так сказать, двумя сторонами одной медали. Оба этих поля имеют много общего. Например, их обоих создают электрические заряды. На любые электрически заряженные тела действует кулоновская сила.
Её ещё называют силой электростатического взаимодействия. Она прямо пропорциональна произведению модулей зарядов (знаки зарядов определяют лишь направление действия силы: притяжение или отталкивание) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между этими телами.
В случае сфер или шаров считается квадрат расстояния из центров тел.
Электрическое поле
Если мы возьмём заряженное тело и условно назовём его центром, а второе заряженное тело будем перемещать вокруг центра, то кулоновскую силу можно записать как заряд, умноженный на напряжённость электрического поля. В значение напряжённости входят и значение заряда-центра, и квадрат расстояния от центра до второго заряда в данной точке пространства. То есть мы просто взяли обычную кулоновскую силу и всё, кроме значения одного из зарядов, назвали напряжённостью электрического поля.
В каждой точке этого поля своё значение и направление кулоновской силы. Такое поле называется векторным, ведь в каждой точке свои модуль и направление вектора, проведённого из начала координат (из заряда-центра) к этой точке.
Магнитное поле
Магнитное поле, как и электрическое, является векторным. Если электрическое поле создаётся любыми заряженными телами, то магнитное поле создаётся только движущимися зарядами.
Таким зарядом может быть имеющая скорость частица, которая нередко встречается в задачах по физике, ток, ведь ток – это направленное движение заряженных частиц, металлическое тело, движущееся со скоростью. В этом случае в роли зарядов будут электроны, которые движутся вместе с самим телом.
Напряжённость магнитного поля прямо пропорциональна скорости заряда и его значению. Как только заряд будет остановлен, магнитное поле исчезнет.
Магнитное поле соленоида и постоянного магнита
Примеры магнитных полей
Электромагнит состоит из провода, обмотанного вокруг ферромагнетика. При прохождении через провод тока, появляется магнитное поле. Ферромагнетик – такое вещество, которое может вести себя как магнит ниже определённой температуры, называемой температурой Кюри.
В обычных условиях ферромагнетики ведут себя как магниты только при наличии магнитного поля. В электромагните поле создаётся электрическим током, и ферромагнетик начинает вести себя как магнит. Также интересным примером является магнитное поле Земли.
Магнитное поле Земли
В центре нашей планеты, как считают учёные, находится ядро, состоящее из жидкого железа. Железо – металл, и в нём свободно перемещаются электроны. Это ядро не статично, то есть оно движется, в связи с этим движутся электроны и создают магнитное поле. Если бы земное ядро начало останавливаться, как это было в фильме Джона Эмиела «Ядро Земли», земное магнитное поле действительно бы исчезло, что привело бы к катастрофическим последствиям.
И электрическое, и магнитное поля являются силовыми. Это значит, что в каждой точке пространства, где действует это поле, на заряд действует определённая для этой точки сила. В другой точке эта сила будет другой. Электромагнитное поле действует на заряженные тела и частицы, но при этом электрическое поле действует на все заряды, а магнитное – только на движущиеся.
Есть вещества, взаимодействующие с магнитным полем, хотя и не содержащие в себе движущихся зарядов, например, упомянутые выше ферромагнетики. Аналогичных веществ для электрического поля нет. У магнитов, природных или намагниченных тел (как стрелка компаса, например), есть два полюса, которые называются северным и южным.
Обычные электрические заряды более-менее однородны и полюсов не содержат. Однако электрические заряды бывают двух типов: положительные и отрицательные. Знак заряда влияет на направление кулоновской силы и, следовательно, на взаимодействие двух заряженных частиц. Знак заряда не будет влиять на взаимодействие других зарядов с магнитным полем, он лишь поменяет полюса местами.
Источник: https://vchemraznica.ru/chem-magnitnoe-pole-otlichaetsya-ot-elektricheskogo/
Представление о магнитном поле
Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем. Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током.
То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.
За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении.
Электрический ток обозначается буквой I.
В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо. Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток. Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке. Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке. Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке. Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле. Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса. Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля. Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд: Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик). Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов. А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток. Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика. Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке: При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.
Модель магнитного поля движущегося заряда
Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой.
Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда. Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.
Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда. Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.
А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх.
Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения. Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу. Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.
Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе». Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита. И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.
Спин
У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться). Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома.
А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так: Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются.
Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга. Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ. Эта статья — отрывок из книги об азах химии.
Сама книга здесь:
sites.google.com/site/kontrudar13/himia
UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.
Источник: https://habr.com/ru/post/444790/
