Елементи електромагнітної теорії Максвелла в шкільному курсі фізики, страница 4

Це є відображенням того заряду. Поля, які не мають джерел (“зарядів”) називають вихровими на відміну від потенціальних полів (гравітаційного, електростатичного, і  стаціонарного елктричного), які мають джерела. Лінії індукції вихрових полів хавжди замкнуті, лінії індукції потанціальних полів починаються і закінчуються на зарядах (джерелах). Отже, магнітне поле є вихровим.

При розгляді енергії електричного поля ми користувалися конденсатором, в якому електричне поле зосереджене восновному у відомому об'ємі. Для магнітнгого поля  аналогічну роль виконує котушка індуктивності, по якій тече струм. При цьому магнітне поле зосереджене переважно всередині неї. Тому її зручно взяти для визначення енергії магнітного поля.

Знайдемо енергію магнітного поля котушки. Робота електричного струму (а, отже, і енергія магнітного поля) виразиться формулою

,           (1)

де t - час зростання струму.

Але

,   (2) 

.                   (3)

Підствляючи (2) і (3) в (1), отримаємо:

.

Але магнітне поле характеризується вектором . Оскільки індукція магнітного поля залежить від сили струму, то можна вважати, що вона пропорційна В². Теоретичний розрахунок, який у школі не розглядається підтверджує даний висновок.

Формування уявлень про електромагнітне поле

Етапи формування поняття електромагнітного поля

Формування в учнів такого важкого поняття, як електромагнітне поле вимагає довгої і клопіткої роботи. Тут можна виділити декілька етапів:

1.  Пропедевтичний етап.

Дається первинне означення електромагнітного поля на основі окремого розгляду електричного і магнітного полів.

2.  Вивчення статичного і стаціонарного поля.

При цьому вводять основні характеристики електричного і магнітного полів, з’ясовують роль системи відліку в деяких електромагнітних явищах.

3.  Вивчення зміного в часі електромагнітного поля при допомозі явища електромагнітної індукції.

Узагальнюють і систематизують знання про електромагнітне поле. Обгрунтовють відносність понять електричного і магнітного полів і абсолютність електромагнітного поля.

4.  Вивчення електромагнітних коливань і хвиль.

Учні знайомляться з основними ідеями теорії Максвелла і обгрунтовують иатеріальнісьт електромагнітного поля.

5.  Шкала електромагнітних хвиль.

Обгрунтовується електромагнітна природа різних явищ випромінювання ( включаючи оптичні ). Проводиться подальше узагальнення і систематизація знань про електромагнітне поле.

Після узагальнення уявлень про магнітне поле, розгляду проявів цього поля, доказу його матеріальності, треба вже в процесі вивчення елктромагнітних явищ показати учням зв’язок електричного і магнітного полів; заначити, що вони є проявоми більш складного електромагнітного поля.

Магнітне поле нерозривно зв'язане з рухомим електричним зарядом, але оскільки навколо кожного заряду існує й електричне поле, то з рухомим зарядом зв'язані і електричне, і магнітне поля.

Щоб переконати учнів, що із рухомим зарядом зв'язане електромагнітне поле, доцільно розглянути поле цього заряду в різних системах відліку.

                     Z                                                                          z^'

                                                                                                                      К^’

                                            К

                                                   q                                                                         q

                                           +            

                                                                                                                 

                                                                                                                  

                         0                         x                                                0                         x^'

                                                                                                                                           

                y                                                                         y^'   

мал 1.

Якщо в якійсь системі відліку К (див. мал.) заряд q перебуває в спокої, то відносно системи К^’ , яка рухається з певною постійною швидкістю   відносно К, цей заряд рухається зі швидкістю , що дорівнює -. Отже, рух і спокій заряду відносні і залежать від вибру системи відліку: в системі К заряд перебуває в спокої – з ним зв’язане лише електричне поле ; в системі К^’ він рухається – в ній виникає магнітне поле.

Роль системи відліку в електродинаміці найбіьлш повно була розкрита у спеціальній теорії Ейнштейна, де були встановлені слідуючі відношення між векторами  і  вдвох інерціальних системах відліку , що рухаються одна відносно одной зі швидкістю  вздовж осі Х:

, ,

, ,

, .

У цих флрмулах величини без штрихів відносяться до векторів електромагнітного поля внерухомій системі відліку, а величини зі штрихами - до рухомої системи відліку, що рухається відносно першої зі швидкістю  відносно першої в додатньому напрямку осі Х. Через  позначено відношення .

Ці формули претворення полів показують, що електричні і магнітні поля взаємопов'язані. З них видно, що навіть у випадку, коли в одній системі відліку спостерігається тільки електричне поле, то в інших СВ будуть спостерігатися і електричне і магнітне поля, тобто електромагнітне поле. Електричне і магнітне поля є лише частинними випадками єдиного електромагнітного поля, що залежить від системи відліку.

 Таким чином, електричний заряд у всіх системах відліку оточений електромагнітним полем, яке лише в одній системі відліку (відносно якої він перебуває у спокої) виявляється як електричне ; у всіх інших системах навколо нього існує як електричне, так і магнітне поля. Отже, існує єдине електромагнітне поле, поділ якого на електричну і магнітну складові відносний.

Об’єднання електричних і магнітних полів на основі більш глибокого поняття електромагнітного поля виявилося можливим завдяки принципово новим ідеям, висловленим Максвеллом:

а) змінне в часі магнітне поле зумовлює вихрове електричне поле;

б)  змінне в часі електричне поле зумовлює магнітне поле.

Слід зазначити, що коли експериментальним підтвердженням першої гіпотези можна було вважати явище електромагнітної індукції, то дослідного підтвердження другої гіпотези за часів Максвелла не існувало. Лише через 10 років пісгя смерті Максвелла вона дістала блискуче експериментальне підтвердження завдяки відкриттю Г. Герцом  електромагнітних хвиль, сама можливість існування яких є прямим наслідком обох гіпотез Максвелла .