Елементи електромагнітної теорії Максвелла в шкільному курсі фізики, страница 3

Давши означення потенціалу як фізичної величини, що дорівнює відношенню потенціальної енергії позитивного заряду, вміщеного в цю точку, до значення самого заряду, треба зазнаачити, що потенціал характеризує не заряд q , а точку простору, в яку він вміщений, тобто характеризує електричне поле, створюване в даній точці зарядом Q.

Набуття провідником певного потенціалу не зв’язане з якимись змінами у стані самого провідника, а лише зі змінами в електричному полі поза провідником. По суті поняття потенціалу провідника стосується не провідника, а місця в електричному полі, яке займає провідникє

Часто в учнів створюється уявлення, ніби електричне поле, в яке внесено провідник, не проникає в нього. Насправді ж саме завдяки тому, що зовнішнє електростатичне поле проникає в середину провідника, на його поверхні з’являються заряди (в цьому суть електростатичної індукції), електричне поле яких і компесує проникле всередину провідника зовнішнє  поле. Всередині провідника нулю дорівнює напруженість саме результуючого поля. Треба наголосити на тому, що заряд може розміщуватися лише на пооверхні провіднника (це стосується як індукованих зарядів, так і зарядів наданих провідникові). Інакше всередині провідника існувало б поле і, отже, не рівна нулю різниця потенціалів, чого в провідникові бути не може.

Поле будь-якого вектора є потенціальним, якщо церкуляція вектора по будь-якому замкнутому контуру рівна нулю

.

При цьому фізичний смисл інтегралу визначається смислом вектора .

Так, вектор напруженості електричного поля має смисл сили, що стосується одиниці заряду, тому циркуляція вектора  виражає роботу поля по переміщенню одиниці заряду по замкнутому контуру, тому, як відомо:

.

Порівінюючи диференціальні рівняння для постійних електричних і магнітних полів, можна намітити основну методичну лінію формування відповідних понять. Для електричного поля

, ,

а для магнітного

, ,

де  - вектор густини струму.

Електростатичне поле є безвихровим. Його ліниї напруженості не є замкнутими. Вони  або починаються на електричних зарядах, або закінчуються на них.

З'ясувавши з учнями потенціальний характер електростатичного поля необхідно ввести поняття потенціалу.

Якщо для векторного поля  в будь-яких точках постору виконується рівність , то існує скалярна функція координат , така що

.

Функція  і є потенціалом векторного поля.

Потенціал може бути знайдений, якщо відомий розподіл зарядів у просторі. Фізичний смисл потенціалу визначається змістом вектора . Якщо - силова характеристика поля, то потенціал  є енергетичною характеристикою.

Для формування правильних матеріалістичних уявлень про електромагнітне поле треба розглянути питання про його енергію. Електричне поле завжди діє з певною механічною силою на заряджені тіла, отже, електричне поле має енергію. На ряді дослідів це можна показати учням.

Наявність енергії електричного поля, зміна її під час руху заряджених тіл, а також скінченна швидкість поширення змін електричного поля є найбільш серйозним доказом матерільності цього поля.

Цілком закономірно постають запитання: де ж зосереджена енергія? Що є її носієм – електричні заряди чи поле? У межах вивчення електростатики, яка розглядає сталі в часі електричні поля нерухомих зарядів, відповідь на ці запитання дати неможливо. Справді, постійні електричні поля і електричні заряди, що їх створюють, не існують незалежно один від одного. Так само, як нерухоме заряджене тіло не може існувати без постійного електричного поля, так і джерелом постійного електричного поля є заряджене нерухоме тіло. По даній проблемі  у школі виводиться лише формула енергії електричного поля зарядженого конденсатора у слідуючому вигляді:

,

де V-об’єм простору між пластинами плоского конденсатора.

Звідси дістають формулу для обчислення густини енергії:

.

Дана формула справедлива для будь-яких елекктричних полів. це означає, що будь-який об’єкт, який створює електричне поле, має енергію. Важливо звернути увагу, що дана формула вказуєй на те, що можна говорити про електричну енргію одиничного нерухомого заряду навіть тоді, коли йому немає з чим взаємодіяти. Енрегію поля, створеного одиничним зарядом, називають власною енргією електирчного заряду.

Магнітне поле у шкільному курсі. Його вихровий характер

Під час вивчення електростатики й законів постійного струму розглядають одну сторону електромагнітних взаємодій – властивості стаціонарного електричного поля, потім переходять до розгляду друго прояву цих взаємодій – магнітного поля. При цьому важливо, щоб учні зрозуміли:коли електричне поле існує навколо заряду, незалежно від того, рухається він чи перебуває у спокої, магнітне поле заріду виникає лише під час його руху. “Джерелом” магнітного поля є не конкретна частинка  (магнітних зарядів у природі не виявлено), а рух електричного заряду. Це - невід’ємна ознака рухомих зоряджених частинок: магнітне поле виникає, коли є рух зарядів.

Введення поняття індукції магнітного поля доцільно провести на слідуючих міркуваннях. Дослідно встановлюють справедливість виразу для обчислення сили Ампера

,

де  - кут між напрямком струму і напрямком магнітного поля.

З спостережень робиться висновок, що В є силовою характеристикою поля (подібно напруженості  електричного поля Е, яка є силовою характеристикою електричного поля). Учням говорять, що ця величина отримала назву магнітної індукції. Отже, магнітна індукція - це фізична величина, що характеризує  силу, з якою діє магнітне поле на провідник одиничної довжини, що розміщений перпендикулярно до ліній поля, і по якому тече струм в 1А.

З формули видно, що

.

Звідси можна встановити одиниці виміру магнітної індукції

.

Далі учням пояснюють, що магнітна індукція є векторною величиною, і знайомлять з правилом лівої руки: індукція перпендикулярна площині, утвореній напрямом струму і напрямом сили Ампера.

Оскільки магнітне поле є одним з проявів електромагнітного поля, для якого справедливим є принцип суперпозиції полів, то природньо, що й для магнітного поля цей принцип теж справедливий, тобто магнітна індукція результуючого магнітного поля струмів є векторною сумою індукцій магнітних полів окремих струмів:

++...+.

Важливою особливістю магнітного поля є те, що лінії магнітної індукції є замкнутими. В даному випадку циркуляція вектора  по замкнутому контуру не рівна нулю:

.

Але циркуляція вектора  не є роботою. Це видно із розмірності правої частини приведеної формули. Таким чином, непотенціальний характер магнітного поля означає, що лінії індукції мають замкнутий характер, а походження поля пов'язане з електричним струмом.