Загальні уявлення про електромагнітне поле

Взаємодія електричних зарядів здійснюється на віддалі. Для описування таких явищ використовується поняття силового поля. Розглянемо, наприклад, як трактується взаємодія двох електрично-заряджених частинок. Одна з частинок є джерелом електромагнітного поля, яке вона створює в навколишньому просторі. Інша частинка, потрапивши в це поле, зазнає його впливу.

Виявилось, що електромагнітне поле - це не просто зручний спосіб описування взаємодій на віддалі, а фізична реальність, яка являє собою вид матерії, що переносить дію однієї частинки на іншу.

Електромагнітне поле - це сукупність двох взаємозв'язаних полів: електричного та магнітного. Стан електричного поля повністю характеризується вектором напруженості електричного поля , а стан магнітного поля - вектором магнітної індукції . Однак електричні і магнітні поля взагалі не можна розглядати як незалежні. Вірніше уявляти собі єдине електромагнітне поле.

Відомо, що електромагнітні поля:

1) виникають навколо зарядів та струмів;

2) діють певними силами на заряди та струми, що вносяться в поле;

3) можуть бути локалізовані в деякій області простору (в цьому випадку джерелами електромагнітного поля є нерухомі заряди, або постійні струми, а самі поля не змінюються за часом, тобто є стаціонарними);

4) можуть розповсюджуватись в оточуючому просторі зі швидкістю світла (джерелом таких електромагнітних полів є заряди, що прискорено рухаються (змінні струми), а також змінні електричні та магнітні поля).

В останньому випадку поле здатне існувати при відсутності електричних зарядів і струмів. Поля такого роду називають змінними електромагнітними полями, або електромагнітними хвилями.

Як треба розуміти, що вектори і повністю характеризують електромагнітне поле? Відомо, що на електричний заряд, поміщений в електромагнітне поле, діє сила. Причому можна говорити, що одночасно заряд буде зазнавати дії зі сторони електричного та магнітного полів. В загальному випадку, сила, що діє на заряд (вона отримала назву сили Лоренца), може бути представлена як векторна сума електричної та магнітної складових .

Електричне поле діє на точковий заряд силою яка залежить від напруженості поля у точці, де знаходиться заряд: .

Магнітне поле буде діяти на заряд тільки в тому випадку, коли він буде рухатись в полі з деякою швидкістю . Дія магнітного поля на заряд (магнітна складова сили Лоренца) визначається виразом: , де - векторний добуток векторів і . Таким чином, фундаментальний закон дії сили зі сторони електромагнітного поля на точковий заряд має такий вигляд:

.

Тому, якщо вектори і в кожній точці поля відомі, або відомий закон зміни векторів і , то можна визначити як електромагнітне поле буде діяти на заряджені частинки, якізнаходяться в цьому полі.

Особлива складність полягає в тому, щоб зробити наглядним уявлення поля. Бо поле - це «невидимий» матеріальний об’єкт, який або зосереджений в деякій частині простору, або «подорожує» в вільному просторі зі швидкістю світла м/с, відірвавшись від заряду, який його і «породив».

Істинне розуміння природи та властивостей електромагнітного поля можливе тільки з використанням основних понять і співвідношень векторного аналізу [1,3,4]. Тому ми тут обмежимося лише якісною стороною питання.

Електричне поле може набути «видимих» обрисів, якщо в кожній точці простору уявити собі два вектора і . На рис. 6.1. показані тільки три точки поля: 1, 2, 3.

Рис.6.1

Кожна точка поля як би помічається векторами і . В загальному випадку величини та напрямки векторів і в різних точках поля можуть відрізнятися. Якщо поле змінюється з часом, то це означає, що змінюються з часом величини і напрямки векторів і . Таким чином, вектори і дозволяють кількісно оцінити стан електромагнітного поля в кожній точці простору (визначити силу Лоренца ) і полегшують наглядне сприйняття електромагнітного поля, як матеріального об’єкта.