ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

По аналогии с прохождением электрического тока в электролитах и плазме полагали, что и в твердых телах направленное перемещение заряженных частиц образует электрический ток. Носителями зарядов в твердых телах могут быть только электроны, так как положительные ионы образуют кристаллическую структуру и поэтому не могут участвовать в переносе электрического заряда. Чтобы электроны могли участвовать в переносе электрического заряда они должны быть свободными, как это имеет место в электролитах и в плазме. Ранее полагали, что в проводниках действительно существуют свободные электроны и поэтому они являются носителями электрического тока в проводниках. Однако это не так. Свободных электронов в твердых телах нет. Они завязаны каждый в поле своего атома, молекулы или кластера. Явление протекания электрического тока не сводится к простому механическому движению электрических зарядов. С движущимися зарядами связано и электрическое и магнитное поле, которые обладают немеханической природой. Никола Тесла считал, что электрический ток формируется электромагнитным полем, распространяющегося вдоль проводника, т.е. происходит перенос энергии бегущими электромагнитными волнами внутри проводника как по волноводу. Распространяющиеся в электрических цепях электромагнитные волны, подчиняются своим законам. Рассмотрим эти законы.

9.1. Электромагнитные волны, скорость
распространения электромагнитных волн

Электромагнитное поле, возникнув в одном месте пространства, не остается локализованным в этом месте, а распространяется с конечной скоростью в виде электромагнитной волны. Другими словами электромагнитное поле существует только в виде электромагнитных волн.

В общем случае с учетом относительной диэлектрической и магнитной проницаемостей в соответствии с (5.19) скорость распространения электромагнитной волны определится следующим образом:

, (9.1)

где - относительная диэлектрическая проницаемость среды; - относительная магнитная проницаемость среды. Если электромагнитная волна распространяется в вакууме (в воздухе), то = 1 и скорость распространения волны будет равна:

Это скорость распространения света в вакууме.

Получается, что электромагнитная волна распространяется в вакууме с такой же скоростью, с какой распространяется в вакууме свет. Отсюда следует чрезвычайно важный вывод о том, что свет представляет собой электромагнитные волны.

. (9.2)

На основании (5.22) и определения напряженности магнитного поля связь между напряженностями электрического и магнитного полей дается следующим уравнением: . (9.3)

С учетом (9.1) уравнение (9.3) преобразуется к виду

Полученное равенство отражает четкую взаимосвязь между векторами напряженности электрического поля и напряженности магнитного поля в электромагнитной волне. На основании равенства (9.4) уравнение (9.3) имеет вид:

В электромагнитной волне реализуется строгая симметрия между электрическим и магнитным полями. Из такой симметрии следует, что векторы Е_э, Н и v образуют правую тройку векторов, то есть взаимно перпендикулярны. А это означает, что электромагнитные волны - поперечные. С учетом этих соображений «мгновенная фотография» электромагнитной волны должна иметь вид, изображенный на рис. 104. Получается, что в бегущей электромагнитной волне колебания электрического и магнитного полей происходят в фазе.

Когда вектора _э и находятся в противофазе, то они образуют стоячую электромагнитную волну. Это происходит вследствие того, что при отражении электромагнитной волны один из векторов Е_э или Н меняет фазу на π. Если линия, вдоль которой распространяется электромагнитная волна, на конце разомкнута (граничит с диэлектриком), то амплитуда тока на границе разделаравна нулю и, значит, на конце линии будет узел магнитного поля Н и пучность электрического Е_э. Для замкнутой цепи, в которой присутствует электролит или плазма, на их границах имеет место пучность магнитного поля Н и узел электрического Е_э. Следовательно, в стоячей электромагнитной волне узлы Е_э совпадают с пучностями Н и наоборот. Эта ситуация особенно четко проявляется в замкнутом LC -контуре, когда на пластинах конденсатора возникает пучность для электрического поля, а для магнитного поля имеет место узел.

9.2. Энергия электромагнитных волн.
Плотность потока энергии

Электромагнитные волны переносят энергию. Поскольку перенос энергии - общее свойство бегущей волны, то рассмотрение этого вопроса применительно к электромагнитным волнам аналогично решению подобной задачи для волн в упругой среде. Как и в случае упругих волн, количественной мерой переноса энергии электромагнитной волной служит векторная величина, называемая плотностью потока энергии (иногда ее называют потоком энергии). Она численно равна энергии, переносимой волной в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны.

Плотность потока энергии для упругих волн была получена Умовым и равна произведению плотности энергии w на скорость распространения волны v, а именно: .

Полученная Умовым формула имеет самое общее значение: она определяет величину плотности потока любой энергии. Специфика скрыта в величине w. В случае распространения электромагнитной волны плотность энергии электромагнитного поля w слагается из плотности энергии электрического поля и плотности энергии магнитного поля:

. ( 9.7 )

Связь между напряженностями электрического и магнитного полей дается уравнением (9.4). Тогда

, (9.8)

то есть плотности энергии электрического и магнитного полей равны друг другу.

Умножив плотность энергии w на скорость электромагнитной волны v [согласно формуле (9.1)], получим плотность потока энергии:

, (9.9)

т.е. величина плотности потока энергии электромагнитной волны численно равна произведению напряженностей электрического и магнитного полей.

В векторном виде выражение (9.9) запишется так:

. (9.10)

Направление вектора перпендикулярно к _э и , т.е. совпадает с направлением скорости распространения волны v.

Таким образом, перенос энергии электромагнитной волной можно охарактеризовать при помощи вектора плотности потока энергии . Направление вектора плотности потока энергии совпадает со скоростью распространения электромагнитной волны.

Понятие вектора потока энергии было введено в работах Умова о движении энергии в упругих средах, а применительно к электромагнитным волнам выражение (9.10) было получено Пойнтингом. Поэтому вектор плотности потока электромагнитной энергии следует называть вектором Умова-Пойнтинга.

Рассмотрим в качестве примера, как осуществляется поток энергии внутрь и вдоль проводника с током.

Поиск по сайту: