Что служит источником электромагнитного поля?

Неподвижные заряды

Любые незаряженные тела

Постоянные магниты

Какие утверждения о вихревом электрическом поле верны?

Оно возникает при изменении магнитного поля

Оно существует только внутри проводника

Его линии начинаются на положительных зарядах

Какую роль играет гальванометр в опыте по получению индукционного тока?

Только обнаруживает появившееся электрическое поле

Создаёт электрическое поле

Создаёт магнитное поле

Усиливает магнитный поток

В каких случаях вокруг появляется переменное магнитное поле?

Электрическое поле меняется со временем

Электроны колеблются в антенне

Заряд неподвижно лежит на столе

По проводу течёт постоянный ток

Электромагнитное поле — 9 класс, физика: объяснение, примеры, задачи

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Явление электромагнитной индукции

Коротко о главном

Меняющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, а меняющееся электрическое поле — магнитное. Вместе они образуют единое электромагнитное поле. Его источник — заряды, движущиеся с ускорением.

\text{меняется } \vec{B} \;\Rightarrow\; \text{возникает } \vec{E}, \qquad \text{меняется } \vec{E} \;\Rightarrow\; \text{возникает } \vec{B}

Подробное объяснение

Откуда берётся индукционный ток

Вдвиньте магнит в катушку, подключённую к гальванометру, — стрелка дёрнется. Но ток — это направленное движение зарядов, а заряды сами по себе не начнут двигаться. Их должно толкать электрическое поле. Откуда оно взялось, если к катушке не подключена батарейка?

Ответ дал английский физик Джеймс Максвелл. В 1865 году он создал теорию электромагнитного поля. Главная её мысль такая:

всякое изменение магнитного поля со временем порождает в пространстве переменное электрическое поле;
всякое изменение электрического поля со временем порождает переменное магнитное поле.

Эти два поля не существуют отдельно: одно рождает другое, и вместе они образуют электромагнитное поле.

Вихревое поле и электростатическое

Электрическое поле бывает двух видов.

Электростатическое поле создают неподвижные заряженные тела. Оно не меняется со временем. Его силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.

Вихревое электрическое поле создаёт меняющееся магнитное поле. Его силовые линии замкнуты, как линии магнитной индукции, — у них нет ни начала, ни конца.

Слева положительный и отрицательный заряды, синие силовые линии идут от плюса к минусу. Справа область, где магнитное поле растёт (точки — линии индукции на нас), вокруг неё замкнутые оранжевые кольца силовых линий электрического поля без начала и конца. — Линии электростатического поля начинаются и кончаются на зарядах, линии вихревого поля замкнуты.

Важно: вихревое поле возникает в пространстве само, независимо от того, есть там проводник или нет. Если проводник есть и он замкнут, поле приводит в движение свободные заряды — течёт индукционный ток. Катушка с гальванометром в опыте Фарадея играет роль индикатора: она только показывает, что поле появилось.

Что служит источником

Неподвижный заряд создаёт только электростатическое поле. Заряд, движущийся равномерно (постоянный ток), создаёт постоянное магнитное поле. А вот если заряд движется с ускорением — например, колеблется, — его электрическое поле всё время меняется. Меняющееся электрическое поле порождает меняющееся магнитное, то — снова электрическое, и так далее. Так возникает электромагнитное поле. Если заряд колеблется с частотой $\nu$ , поле рядом с ним меняется с той же частотой и с периодом $T = 1/\nu$ .

Максвелл вычислил, что изменения поля разбегаются в вакууме со скоростью света — около 300 000 км/с. Его теория предсказала электромагнитные волны за 22 года до того, как их обнаружили в опыте. На этом открытии держатся радио, телевидение и мобильная связь.

Величины и единицы

$\vec{E}$ — напряжённость электрического поля, её силовые линии показывают, куда поле толкает положительный заряд.
$\vec{B}$ — магнитная индукция, измеряется в теслах (Тл).
$\nu$ — частота колебаний зарядов и поля, в герцах (Гц); $$T$$ — период, в секундах (с).

Как решать задачи

Выясните, что меняется со временем: магнитное поле, электрическое или ничего.
Если меняется магнитное поле — значит, возникает вихревое электрическое поле с замкнутыми линиями. Проводник для этого не нужен.
Если вопрос про ток — проверьте, есть ли замкнутый проводник со свободными зарядами.
Если спрашивают об источнике поля — посмотрите, движется ли заряд с ускорением.
В расчётных задачах используйте $T = 1/\nu$ и $$t = s/v$$ , переводя единицы в СИ.

Разобранные примеры

База

Что создаёт заряд

Условие

Есть три одинаково заряженные бусинки: первая лежит на столе, вторая скользит по гладкой спице с постоянной скоростью, третья колеблется на пружинке. Какая из них служит источником электромагнитного поля?

Решение

Первая бусинка неподвижна — вокруг неё только электростатическое поле. Вторая движется равномерно: вокруг неё есть и магнитное поле, но ускорения нет, поэтому источником электромагнитного поля в смысле теории Максвелла она не служит. Третья колеблется — её скорость всё время меняется, то есть она движется с ускорением. Её электрическое поле периодически меняется и порождает переменное магнитное поле.

Ответ: Третья, колеблющаяся бусинка.

Средний

Период изменения поля

Условие

Заряды в антенне радиомикрофона колеблются с частотой 200 МГц. С каким периодом меняется электрическое поле рядом с антенной?

Дано

$\nu = 200$ МГц $= 2 \cdot 10^8$ Гц

Найти

$$T$$

Решение

Поле меняется в такт с колебаниями зарядов:

T = \frac{1}{\nu} = \frac{1}{2 \cdot 10^8} = 5 \cdot 10^{-9} \text{ с}

Ответ: $5 \cdot 10^{-9}$ с (5 наносекунд).

Сложный

Электромагнит и кольцо рядом

Условие

Рядом с электромагнитом лежит медное кольцо. Электромагнит включают, он работает минуту, потом его выключают. В какие моменты вокруг кольца есть вихревое электрическое поле и когда по кольцу течёт ток?

Решение

При включении ток в обмотке растёт, магнитное поле усиливается — возникает вихревое электрическое поле, и по кольцу идёт кратковременный ток. Пока электромагнит работает, ток в обмотке постоянный, магнитное поле не меняется — вихревого поля нет, тока в кольце нет. При выключении магнитное поле исчезает, то есть снова меняется — вихревое поле появляется опять, в кольце снова короткий ток, но в обратную сторону.

Ответ: Поле и ток — только в моменты включения и выключения; пока электромагнит работает, их нет.

Типичные ошибки

Думают, что электрическое поле появляется только в проводнике

Почему неверно

Кажется, что раз ток возникает в катушке, то и поле рождается внутри провода. Но по теории Максвелла вихревое поле создаёт меняющееся магнитное поле в любой точке пространства — в воздухе и даже в вакууме.

Как правильно

Поле существует независимо от проводника. Замкнутый проводник лишь позволяет зарядам двигаться, и мы видим ток.

Путают линии вихревого и электростатического поля

Почему неверно

По привычке рисуют линии любого электрического поля от «плюса» к «минусу». Но у вихревого поля нет зарядов, на которых линии могли бы начинаться.

Как правильно

Линии электростатического поля начинаются и кончаются на зарядах. Линии вихревого поля замкнуты, как линии магнитной индукции.

Считают источником любой движущийся заряд

Почему неверно

Равномерно движущийся заряд, например в постоянном токе, создаёт постоянное магнитное поле, которое не меняется со временем.

Как правильно

Переменное электромагнитное поле создают заряды, движущиеся с ускорением: колеблющиеся, разгоняющиеся, тормозящие.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Заряженный шарик неподвижно висит на нити. Какое поле существует вокруг него — электростатическое или вихревое? Есть ли вокруг него магнитное поле?

Подсказка

Подумайте, меняется ли что-нибудь со временем.

Решение

Шарик и его заряд неподвижны, поле со временем не меняется. Это электростатическое поле, его линии начинаются на заряде шарика. Магнитного поля неподвижный заряд не создаёт, вихревого электрического поля тоже нет.

Ответ

Только электростатическое; магнитного поля нет

База Задача 2

Электроны в проводе антенны колеблются с частотой 500 Гц. С каким периодом меняется электрическое поле, которое они создают? Ответ дайте в миллисекундах.

Подсказка

Поле меняется в такт с колебаниями зарядов, период — величина, обратная частоте.

Решение

Поле повторяет колебания зарядов, поэтому его период $T = \dfrac{1}{\nu} = \dfrac{1}{500} = 0{,}002$ с $$= 2$$ мс.

Ответ

2 мс

Средний Задача 3

В кольцо из пластмассы быстро вдвигают магнит. Возникает ли в пространстве, где находится кольцо, вихревое электрическое поле? Потечёт ли по кольцу ток?

Подсказка

Вихревое поле рождается изменением магнитного поля, а для тока нужны свободные заряды.

Решение

Магнитное поле внутри кольца меняется, значит, по теории Максвелла вокруг возникает вихревое электрическое поле — оно существует независимо от того, есть ли там проводник. Но пластмасса — диэлектрик, свободных зарядов в ней почти нет, поэтому тока не будет.

Ответ

Поле возникает, тока нет

Средний Задача 4

Изменение электромагнитного поля распространяется со скоростью 300 000 км/с. Через сколько секунд до Луны дойдёт изменение поля, возникшее на Земле? Расстояние до Луны примите равным 384 000 км.

Подсказка

Время равно расстоянию, делённому на скорость.

Решение

$t = \dfrac{s}{c} = \dfrac{384\,000}{300\,000} = 1{,}28$ с.

Ответ

1,28 с

Сложный Задача 5

Заряды в передающей антенне колеблются с частотой 2 МГц. Сколько полных циклов изменения электрического поля произойдёт возле антенны за 0,5 мс?

Подсказка

Частота — это число колебаний за одну секунду.

Решение

Поле меняется с той же частотой, что и заряды. Число колебаний $N = \nu t = 2 \cdot 10^6 \cdot 0{,}5 \cdot 10^{-3} = 1000$ .

Ответ

1000

Сложный Задача 6

Магнит падает сквозь два одинаковых медных кольца по очереди — целое и разрезанное. Где при этом возникает вихревое электрическое поле и в каком кольце течёт ток?

Подсказка

Разделите два вопроса — существует ли поле и может ли оно создать ток.

Решение

Магнитное поле внутри обоих колец меняется, поэтому вихревое электрическое поле возникает в обоих случаях — в пространстве вокруг падающего магнита. Оно действует на свободные электроны меди. В целом кольце электроны могут двигаться по замкнутому пути — течёт ток. В разрезанном кольце пути нет — заряды лишь немного сместятся к краям разреза, и тока не будет.

Ответ

Поле — в обоих случаях; ток — только в целом кольце

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Вспомните цепочку домино: одна костяшка роняет другую. Так и здесь — меняющееся магнитное поле «роняет» электрическое, оно — снова магнитное. Покажите, как магнит, поднесённый к катушке от старого наушника или динамика с подключённым мультиметром, даёт скачок показаний только в движении: пока магнит стоит, ничего нет. Главное — изменение, а не само поле.

Вопросы для проверки понимания: 1) Чем отличаются силовые линии вихревого и электростатического поля? 2) Появится ли электрическое поле, если рядом с меняющимся магнитным полем нет никакого провода? 3) Какой заряд создаёт электромагнитное поле — неподвижный или колеблющийся?

На что обратить внимание. Ребёнок должен различать «поле возникло» и «пошёл ток»: поле рождается изменением магнитного поля всегда, а ток — только если есть замкнутый проводник.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Физика. 9 класс (Перышкин, Гутник)	§ 43	40