Фізика. Рівень стандарту. 11 клас. Бар’яхтар

§ 16. Електромагнітне поле

Електромагнітна взаємодія належить до чотирьох фундаментальних видів взаємодій, що існують у природі. Вона виявляється між частинками, які мають електричний заряд, і визначає структуру речовини (зв'язує електрони та ядра в атомах і атоми в молекулах), хімічні й біологічні процеси. Різні агрегатні стани речовини, сили пружності, тертя тощо так само визначаються електромагнітною взаємодією. Електромагнітна взаємодія здійснюється за допомогою електромагнітного поля.

1. Що таке електромагнітне поле

Електромагнітне поле — вид матерії, за допомогою якого відбувається взаємодія між зарядженими тілами, зарядженими частинками, намагніченими тілами.

Умовно прийнято, що електромагнітне поле має дві складові (дві форми прояву): електричну і магнітну. Згадаємо основні властивості складових електромагнітного поля.

У 1867 р. британський фізик Дж. Максвелл висунув гіпотезу про те, що електричне і магнітне поля не існують окремо, незалежно одне від одного: якщо змінне магнітне поле створює електричне поле, то відповідно до принципу симетрії змінне електричне поле має створювати магнітне поле, тобто в просторі існує єдине електромагнітне поле. Через 21 рік після висунення цієї гіпотези електромагнітне поле було відкрито експериментально (див. § 22).

Електромагнітне поле поширюється в просторі зі скінченною швидкістю, яка у вакуумі становить близько 3 · 108 м/с, тобто дорівнює швидкості поширення світла.

2. У чому відносність електричного і магнітного полів

Дехто з вас може не погодитися з висновком Максвелла про те, що електричне і магнітне поля завжди існуть разом, адже добре знає, що, наприклад, біля нерухомого зарядженого тіла існує тільки електричне поле, а біля нерухомого постійного магніту — тільки магнітне поле. Проте згадайте: рух і спокій залежать від вибору системи відліку.

Уявіть, що ви, тримаючи в руках магніт, ідете від свого товариша. Якби людина мала здатність завжди виявляти електромагнітне поле, то в цьому випадку ви «бачили» б тільки одну його складову — магнітне поле, оскільки відносно вас магніт є нерухомим. Водночас ваш товариш «бачив» би як магнітне поле, так і електричне, тому що відносно нього магніт рухається й магнітне поле змінюється (див. рис. 16.1).

Рис. 16.1. У системі відліку, пов'язаній із дівчинкою, виявляється лише магнітна складова електромагнітного поля. У системі відліку, пов'язаній із хлопчиком, виявляються обидві складові — й електрична, й магнітна

Якщо ваш товариш візьме заряджену кульку і понесе її до вас (див. рис. 16.2), хто з вас «виявить» тільки електричне поле, а хто — і магнітне, й електричне? Обґрунтуйте свою відповідь.

Рис. 16.2. До завдання в § 16

Таким чином, твердження, що в даній точці існує тільки електричне (чи тільки магнітне) поле, не має сенсу, адже не зазначено систему відліку. Разом із тим ми ніколи не знайдемо систему відліку, відносно якої «зникли» б обидві складові електромагнітного поля, адже електромагнітне поле є матеріальним.

Підбиваємо підсумки

• Електромагнітна взаємодія здійснюється через електромагнітне поле. Електромагнітне поле — вид матерії, за допомогою якого здійснюється взаємодія між зарядженими тілами та частинками і намагніченими тілами.

• Умовно прийнято, що електромагнітне поле має дві складові (дві форми прояву) — електричну (електричне поле), яка характеризується впливом поля як на рухомі, так і на нерухомі заряджені частинки, і магнітну (магнітне поле), яка характеризується впливом тільки на рухомі заряджені частинки.

• Електричне і магнітне поля не існують окремо, незалежно одне від одного: магнітне поле, що змінюється, створює електричне поле, а електричне поле, що змінюється, створює магнітне поле.

Контрольні запитання

1. Дайте означення електромагнітного поля, назвіть його складові. 2. Дайте означення електричного поля. Яка фізична величина є його силовою характеристикою? 3. Назвіть джерела електричного поля. Що являють собою лінії напруженості поля, створеного кожним типом джерел? 4. Дайте означення магнітного поля. Яка фізична величина є його силовою характеристикою? 5. Назвіть джерела магнітного поля. Що собою являють лінії магнітної індукції магнітного поля, створеного кожним типом джерел? 6. У чому полягає гіпотеза Дж. Максвелла? 7. Назвіть основні властивості електромагнітного поля.

Вправа № 16

1. Заряд на пластинах повітряного конденсатора (рис. 1) зменшується. Чи існують між пластинами конденсатора і електрична, і магнітна складові електромагнітного поля?

Рис. 1

2. Чи будуть навколо провідника зі струмом у системі відліку, пов’язаній із цим провідником, існувати і електричне, і магнітне поля, якщо: а) сила струму в провіднику не змінюється? б) сила струму в провіднику збільшується?

Рис. 2

4. Коли в металевому провіднику тече постійний електричний струм, вільні електрони рухаються в певному напрямку і тому біля провідника існує магнітне поле. Електричне поле відсутнє, адже в цілому провідник є електрично нейтральним. Тепер уявіть, що ви рухаєтесь уздовж провідника зі швидкістю, яка дорівнює швидкості напрямленого руху електронів у провіднику. Відносно вас електрони не рухаються, а отже, і не створюють магнітне поле. При цьому провідник залишається нейтральним. Виходить, що в пов’язаній із вами системі відліку обидві складові електромагнітного поля зникли! Чи так це? Якщо ні, то де помилка?