Электромагнитное поле как особый вид материи
Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле. Линии этого поля замкнуты, оно существует независимо от электрических зарядов и только до тех пор, пока происходит изменение магнитного поля. На электрические заряды оно действует так же, как электростатическое поле, что следует из явления электромагнитной индукции.
Изучая взаимосвязь между электрическим и магнитным полями, Д. Максвелл создал теорию электромагнитного поля на основе двух постулатов (утверждений):
1) переменное магнитное поле создает в окружающем его пространстве вихревое электрическое поле;
2) переменное электрическое поле создает в окружающем его пространстве вихревое магнитное поле.
Когда конденсатор включен в цепь переменного тока, то между его обкладками имеется переменное электрическое поле, а это означает, что в том же пространстве должно быть магнитное поле. Таким образом, изменяющееся электрическое поле по его магнитному действию можно рассматривать как своеобразный электрический ток без зарядов.
В отличие от тока проводимости Максвелл стал называть его током смещения. Итак, применяя термин «электрический ток» в широком смысле слова, т. е. включая в него и ток проводимости и ток смещения, можно утверждать, что магнитное поле создается только электрическим током и действует только на движущиеся заряды электрическое же поле создается электрическими зарядами и переменным магнитным полем и действует на любые электрические заряды.
Описанное выше изменение электрического поля в конденсаторе создает в близлежащих точках окружающего пространства изменяющееся магнитное поле, которое в свою очередь создает в соседних точках электрическое поле, и т. д. Таким образом, во всем пространстве, где происходят изменения полей, одновременно существуют вихревые электрическое и магнитное поля, взаимно порождающие и поддерживающие друг друга. Поскольку эти поля неразрывно связаны, их общее поле условились называть электромагнитным полем.
Из сказанного выше следует, что если в какой-либо малой области пространства периодически изменять электрическое и магнитное поля, то эти изменения должны периодически повторяться и во всех других точках пространства, причем в каждой последующей точке несколько позже, чем в предыдущей.
Иными словами, если создать электромагнитные колебания в какой-либо небольшой области, то от нее должны распространяться во все стороны электромагнитные волны с определенной скоростью. Итак, из постулатов Максвелла следует, что в природе должны существовать электромагнитные волны.
С помощью созданной теории Максвелл доказал, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости света c:
c ≈ 3*108 м/с = 300 000 км/с
Поскольку электрическое и магнитное поля обладают энергией, то в пространстве, где распространяются волны, имеется определенное количество электрической и магнитной энергии, которое переносится волнами от точки к точке в сторону их распространения.
Опыты и дальнейшее развитие теории Максвелла подтвердили справедливость приведенных выше постулатов Максвелла.
Электромагнитные явления подчиняются своим закономерностям, характеризующим особую форму движения материи — электромагнитную, которая отлична от механической формы движения.
Выясним теперь, как с помощью колебательного контура можно создавать электромагнитные волны.
Метки: егэзномагнитная энергиямагнитное полеМаксвеллматерияпомощьпостулатыпостулаты МаксвеллаработаСкорость светатеория Максвеллатеория электромагнитного поляток проводимостиэкзаменэлектрическая энергияЭлектрическое полеэлектромагнитное колебанияэлектромагнитное полеЭлектромагнитное поле как особый вид материиЭлектромагнитные волныэнергия
ОглавлениеВВЕДЕНИЕ§ 1.2. Физика и техника. § 1.3. Понятие о величине и измерении. Физические величины. § 1.4. Прямое и косвенное измерения. § 1.5. Звездное небо и его видимое вращение. § 1.6. Угловые измерения на небе. § 1.7. Определение расстояний до небесных тел на основе измерения параллаксов. § 1.8. Основные единицы времени и их связь с движением Земли. § 1.9. Правило вывода единиц физических величин из формул. Международная система единиц СИ.  § 1.10. Плотность вещества. Раздел I. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕПЛОТА § 2.2. Диффузия. § 2.3. Силы молекулярного взаимодействия. § 2.4. Кинетическая и потенциальная энергия молекул. § 2.5. Агрегатное состояние вещества. § 2.6. Понятие о температуре и внутренней энергии тела. Глава 3. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ГАЗООБРАЗНОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА § 3.2. Броуновское движение. § 3.3. Измерение скорости движения молекул газа. Опыт Штерна. § 3.4. Распределение молекул по скоростям их хаотического движения. § 3.5. Размеры и массы молекул и атомов. § 3.6. Постоянная Авогадро и постоянная Лошмидта. § 3.7. Число столкновений и длина свободного пробега молекул в газе. § 3.9. Понятие вакуума. § 3.10. Межзвездный газ. Глава 4. ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ. АБСОЛЮТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА И ЕЕ СВЯЗЬ С ЭНЕРГИЕЙ МОЛЕКУЛ ГАЗА § 4.2. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов.  § 4.3. Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме. § 4.4. Абсолютный нуль. § 4.5. Термодинамическая шкала температур. Абсолютная температура. § 4.6. Связь между температурой и кинетической энергией молекул газа. Постоянная Больцмана. Глава 5. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА § 5.2. Объединенный газовый закон. Приведение объема газа к нормальным условиям. § 5.4. Уравнение Клапейрона — Менделеева. Плотность газа. § 5.5. Зависимость средней квадратичной скорости молекул газа от температуры. § 5.6. Изохорический процесс. § 5.7. Изобарический процесс. § 5.8. Изотермический процесс. § 5.9. Внутренняя энергия идеального газа. § 5.10. Работа газа при изменении его объема. Физический смысл молярной газовой постоянной. Глава 6. ИЗМЕНЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ § 6.2. Теплообмен. § 6.  § 6.4. Изменение внутренней энергии при нагревании и охлаждении. § 6.5. Уравнение теплового баланса при теплообмене. § 6.6. Подсчет теплоты, выделяемой при сжигании топлива. К. п. д. нагревателя. § 6.7. Изменение внутренней энергии при выполнении механической работы. Опыт Джоуля. § 6.8. Закон сохранения и превращения энергии в механике. § 6.9. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах. § 6.10. Первое начало термодинамики. § 6.11. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам в идеальном газе. § 6.12. Адиабатный процесс. § 6.13. Понятие о строении Солнца и звезд. Глава 7. ПЕРЕХОД ВЕЩЕСТВА ИЗ ЖИДКОГО СОСТОЯНИЯ В ГАЗООБРАЗНОЕ И ОБРАТНО § 7.3. Теплота парообразования. Глава 8. СВОЙСТВА ПАРОВ. КИПЕНИЕ. КРИТИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА § 8.2. Свойства паров, насыщающих пространство. § 8.3. Свойства паров, не насыщающих пространство. § 8.4. Процесс кипения жидкости.  § 8.5. Зависимость температуры кипения жидкости от внешнего давления. Точка кипения. § 8.6. Уравнение теплового баланса при парообразовании и конденсации. § 8.7. Перегретый пар и его использование в технике. § 8.8. Критическое состояние вещества. § 8.9. Сжижение газов и использование жидких газов в технике. § 9.2. Абсолютная и относительная влажность воздуха. Точка росы. § 9.3. Приборы для определения влажности воздуха. § 9.4. Понятие об атмосферах планет. Глава 10. СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ § 10.2. Поверхностный слой жидкости. § 10.3. Энергия поверхностного слоя жидкости. Поверхностное натяжение. § 10.4. Сила поверхностного натяжения. § 10.5. Смачивание. Краевой угол. § 10.6. Мениск. Давление, создаваемое искривленной поверхностью жидкости. § 10.7. Капиллярность. Капиллярные явления в природе и технике. § 10.8. Понятие о вязкости среды. Ламинарное течение жидкости. § 10.9. Закон Ньютона для внутреннего трения.  § 10.10. Аморфные вещества. Глава 11. СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ. ДЕФОРМАЦИИ § 11.2. Анизотропия кристаллов. Пространственная решетка и ее дефекты. § 11.3. Виды кристаллических структур. § 11.4. Виды деформаций. § 11.5. Механическое напряжение. § 11.6. Упругость, пластичность, хрупкость и твердость. § 11.7. Закон Гука. Модуль упругости. § 11.8. Энергия упруго деформированного тела. Глава 12. ПЛАВЛЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ. СУБЛИМАЦИЯ. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЙ ВЕЩЕСТВА § 12.2. Удельная теплота плавления. § 12.3. Изменение объема и плотности вещества при плавлении и отвердевании. § 12.5. Уравнение теплового баланса при плавлении и кристаллизации. § 12.6. Растворы и сплавы. Охлаждающие смеси. § 12.7. Испарение твердых тел (сублимация). § 12.8. Диаграмма состоянии вещества. Тройная точка. Глава 13. ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ ТЕЛ § 13.  2. Линейное расширение твердых тел при нагревании.§ 13.3. Объемное расширение тел при нагревании. Зависимость плотности вещества от температуры. § 13.4. Особенности теплового расширения твердых тел. § 13.5. Некоторые особенности теплового расширения жидкостей. Раздел II. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ Глава 14. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ. ЗАКОН КУЛОНА § 14.2. Явления, подтверждающие сложное строение атома. § 14.3. Опыты Резерфорда. Ядерная модель строения атома. § 14.4. Понятие о строении атомов различных химических элементов. § 14.5. Электризация при соприкосновении незаряженных тел. § 14.6. Сила взаимодействия электрических зарядов. Закон Кулона. § 14.7. Диэлектрическая проницаемость среды. § 14.8. Международная система единиц СИ в электричестве. Электрическая постоянная. § 14.9. Электроскоп. Глава 15. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ § 15.2. Напряженность электрического поля.  3. Линии напряженности электрического поля.§ 15.4. Однородное поле. Поверхностная плотность заряда. § 15.5. Работа электрического поля при перемещении заряда. Потенциальная энергия заряда. § 15.6. Потенциал. Разность потенциалов и напряжение. Эквипотенциальные поверхности. § 15.7. Связь между напряженностью поля и напряжением. Градиент потенциала. § 15.8. Проводник в электрическом поле. § 15.9. Электрометр. § 15.10. Диэлектрик в электрическом поле. Поляризация диэлектрика. § 15.11. Понятие о сегнетоэлектриках. § 15.12. Пьезоэлектрический эффект. § 15.13. Электроемкость проводника. § 15.15. Конденсаторы. § 15.16. Соединение конденсаторов в батарею. § 15.17. Энергия заряженного конденсатора. Плотность энергии электрического поля. § 15.18. Опыт Милликена. Глава 16. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ. ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА § 16.2. Сила тока и плотность тока в проводнике.  § 16.3. Замкнутая электрическая цепь. § 16.4. Электродвижущая сила источника электрической энергии. § 16.5. Внешняя и внутренняя части цепи. § 16.6. Закон Ома для участка цепи без э. д. с. Сопротивление проводника. Падение напряжения. § 16.8. Зависимость сопротивления от температуры. § 16.9. Сверхпроводимость. § 16.10. Эквивалентное сопротивление. § 16.11. Последовательное соединение потребителей энергии тока. § 16.12. Параллельное соединение потребителей энергии тока § 16.13. Закон Ома для всей цепи. § 16.14. Соединение одинаковых источников электрической энергии в батарею. § 16.15. Закон Ома для участка цепи с э. д. с. и для всей цепи при нескольких э. д. с. Глава 17. РАБОТА, МОЩНОСТЬ И ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА § 17.2. Мощность электрического тока. § 17.3. Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля — Ленца.  § 17.4. Короткое замыкание. Практическое применение теплового действия тока. Глава 18. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ § 18.2. Контактная разность потенциалов. § 18.3. Термоэлектродвижущая сила. § 18.4. Явление Пельтье. § 18.5. Применение термоэлектрических явлений в науке и технике. Глава 19. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ § 19.2. Электролиз. § 19.3. Электролиз, сопровождающийся растворением анода. § 19.4. Количество вещества, выделяющегося при электролизе. Первый закон Фарадея. § 19.5. Второй закон Фарадея. Определение заряда иона. § 19.6. Использование электролиза в технике. § 19.7. Гальванические элементы. § 19.8. Аккумуляторы. § 19.9. Применение гальванических элементов и аккумуляторов в технике. Явление электрокоррозии. Глава 20. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ И В ВАКУУМЕ § 20.2. Зависимость силы тока в газе от напряжения. § 20.3. Электрический разряд в газе при атмосферном давлении. § 20.4. Электрический разряд в разреженных газах.  Газосветные трубки и лампы дневного света.§ 20.5. Излучение и поглощение энергии атомом. § 20.6. Катодные лучи. § 20.7. Понятие о плазме. § 20.8. Электрический ток в вакууме. § 20.9. Двухэлектродная лампа (диод). § 20.10. Трехэлектродная лампа (триод). § 20.11. Электронно-лучевая трубка. Глава 21. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ § 21.2. Чистые (беспримесные) полупроводники. Термисторы. § 21.3. Примесные полупроводники. § 21.4. Электронно-дырочный переход. § 21.5. Полупроводниковый диод. § 21.6. Полупроводниковый триод (транзистор). Глава 22. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ § 22.2. Магнитное поле как особый вид материи. § 22.3. Магниты. § 22.4. Линии магнитной индукции. Понятие о вихревом поле. § 22.5. Магнитное поле прямолинейного тока, кругового тока и соленоида. § 22.6. Сравнение магнитных свойств соленоида и постоянного магнита. § 22.7. Сила взаимодействия параллельных токов. Магнитная проницаемость среды. § 22.  8. Определение ампера. Магнитная постоянная.§ 22.9. Действие магнитного поля на прямолинейный проводник с током. § 22.10. Однородное магнитное поле. § 22.11. Магнитный момент контура с током. § 22.12. Работа при перемещении проводника с током в магнитном поле. Магнитный поток. § 22.13. Индукция магнитного поля, создаваемая в веществе проводниками с током различной формы. § 22.14. Напряженность магнитного поля и ее связь с индукцией и магнитной проницаемостью среды. § 22.15. Парамагнитные, диамагнитные и ферромагнитные вещества. § 22.16. Намагничивание ферромагнетиков. Электромагнит. § 22.17. Работа и устройство амперметра и вольтметра. § 22.18. Сила Лоренца. Движение заряда в магнитном поле. § 22.19. Постоянное и переменное магнитные поля. Глава 23. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ § 23.2. Явление электромагнитной индукции. § 23.3. Э. д. с. индукции, возникающая в прямолинейном проводнике при его движении в магнитном поле. Правило правой руки.  § 23.4. Опыты Фарадея. § 23.5. Закон Ленца для электромагнитной индукции. Объяснение диамагнитных явлений. § 23.6. Величина э. д. с. индукции. § 23.7. Вихревое электрическое поле и его связь с магнитным полем. § 23.8. Вихревые токи. § 23.9. Роль магнитных полей в явлениях, происходящих на Солнце и в космосе. § 23.10. Явление самоиндукции. Э. д. с. самоиндукции. § 23.11. Энергия магнитного поля. Раздел III. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ Глава 24. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ § 24.2. Условия возникновения колебаний. § 24.3. Классификация колебательных движений тела в зависимости от действующей на него силы. § 24.4. Параметры колебательного движения. § 24.5. Величины, характеризующие мгновенное состояние колеблющейся точки. § 24.6. Гармоническое колебание. § 24.7. Уравнение гармонического колебания и его график. § 24.8. Математический маятник. § 24.9. Законы колебания математического маятника. Формула маятника. § 24.10. Физический маятник.  § 24.11. Практические применения маятников. § 24.12. Упругие колебания. Превращение энергии при колебательном движении. § 24.13. Распространение колебательного движения в упругой среде. § 24.14. Перенос энергии бегущей волной. § 24.15. Поперечные и продольные волны. § 24.16. Волна и луч. Длина волны. § 24.17. Скорость распространения волн и ее связь с длиной волны и периодом (частотой) колебаний. § 24.18. Сложение колебаний, происходящих по одной прямой. § 24.19. Отражение волн. § 24.20. Стоячие волны. § 24.21. Интерференция волн. § 24.22. Сложение колебаний с кратными частотами. Разложение сложного колебания на гармонические составляющие. § 24.23. Вынужденные колебания. Механический резонанс и его роль в технике. Глава 25. ЗВУК И УЛЬТРАЗВУК § 25.3. Громкость и интенсивность звука. § 25.4. Высота тона и тембр звука. § 25.5. Интерференция звуковых волн. § 25.6. Отражение и поглощение звука. § 25.7. Звуковой резонанс.  § 25.8. Ультразвук и его применение в технике. Глава 26. ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК § 26.2. Понятие об устройстве индукционных генераторов. § 26.3. Действующие значения э. д. с., напряжения и силы переменного тока. § 26.4. Индуктивность и емкость в цепи переменного тока. § 26.5. Преобразование переменного тока. Трансформатор. § 26.6. Индукционная катушка. § 26.7. Трехфазный ток. § 26.8. Получение, передача и распределение электрической энергии в народном хозяйстве СССР. Глава 27. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ § 27.2. Затухающие электромагнитные колебания. Электрический резонанс. § 27.3. Получение незатухающих колебаний с помощью лампового генератора. § 27.4. Токи высокой частоты и их применение. § 27.5. Электромагнитное поле как особый вид материи. § 27.6. Открытый колебательный контур. Излучение. § 27.7. Электромагнитные волны. Скорость их распространения. § 27.8. Опыты Герца. § 27.9. Изобретение радио А С. Поповым. Радиотелеграфная связь.  § 27.10. Радиотелефонная связь. Амплитудная модуляция. § 27.11. Устройство простейшего лампового радиоприемника с усилителем низкой частоты. § 27.12. Понятие о радиолокации. Раздел IV. ОПТИКА. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ Глава 28. ПРИРОДА СВЕТА. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА § 28.2. Понятие об электромагнитной теории света. Диапазон световых волн. § 28.3. Понятие о квантовой теории света. Постоянная Планка. § 28.4. Источники света. § 28.5. Принцип Гюйгенса. Световые лучи. § 28.6. Скорость распространения света в вакууме. Опыт Майкельсона. § 28.7. Скорость распространения света в различных средах. Глава 29. ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА § 29.2. Законы отражения света. § 29.3. Зеркальное и диффузное отражение. Плоское зеркало. § 29.4. Сферические зеркала. § 29.5. Построение изображений, получаемых с помощью сферических зеркал. Формула сферического зеркала. § 29.6. Законы преломления света. § 29.7. Абсолютный показатель преломления и его связь с относительным показателем преломления.  § 29.8. Полное отражение света. Предельный угол. § 29.9. Прохождение света через пластинку с параллельными гранями и через трехгранную призму. Призма с полным отражением. Глава 30. ЛИНЗЫ. ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ЛИНЗ § 30.2. Главные фокусы и фокальные плоскости линзы. § 30.3. Оптическая сила линзы. § 30.4. Построение изображения светящейся точки, расположенной на главной оптической оси линзы. § 30.5. Вывод формулы для сопряжеппых точек тонкой линзы. § 30.6. Построение изображения светящейся точки, расположенной на побочной оптической оси линзы. § 30.7. Построение изображений предмета, создаваемых линзой. § 30.8. Линейное увеличение, полученное с помощью линзы. § 30.9. Недостатки линз. Выясним, какие существенные недостатки встречаются у линз. Глава 31. ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ. ГЛАЗ § 31.2. Фотографический аппарат. § 31.3. Глаз как оптическая система. § 31.4, Длительность зрительного ощущения. § 31.5. Угол зрения. § 31.  6. Расстояние наилучшего зрения. Оптические дефекты глаза.§ 31.7. Увеличение оптического прибора. Лупа. § 31.8. Микроскоп. § 31.9. Труба Кеплера. Телескопы. § 31.10. Труба Галилея. Бинокль. Глава 32. ЯВЛЕНИЯ, ОБЪЯСНЯЕМЫЕ ВОЛНОВЫМИ СВОЙСТВАМИ СВЕТА § 32.2. Цвета тонких пленок. § 32.3. Интерференция в клинообразной пленке. Кольца Ньютона. § 32.4. Интерференция света в природе и технике. § 32.5. Дифракция света. § 32.6. Дифракционная решетка и дифракционный спектр. Измерение длины световой волны. § 32.7. Поляризация волн. § 32.8. Поляризация света. Поляроиды. § 32.9. Поляризация при отражении и преломлении света. Глава 33. ФОТОМЕТРИЯ § 33.2. Световой поток. § 33.3. Сила света. Единицы силы света и светового потока. § 33.4. Освещенность. § 33.5. Яркость. § 33.6. Законы освещенности. § 33.7. Сравнение силы света двух источников. Фотометр. Люксметр. Глава 34. ИЗЛУЧЕНИЕ И СПЕКТРЫ. РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ § 34.2.  Разложение белого света призмой. Сплошной спектр.§ 34.3. Сложение спектральных цветов. Дополнительные цвета. § 34.4. Цвета тел. § 34.5. Ультрафиолетовая и инфракрасная части спектра. § 34.6. Роль ультрафиолетовых и инфракрасных лучей в природе. Их применение в технике. § 34.7. Приборы для получения и исследования спектров. § 34.8. Виды спектров. § 34.9. Спектры поглощения газов. Опыты Кирхгофа. § 34.10. Закон теплового излучения Кирхгофа. § 34.11. Законы теплового излучения Стефана — Больцмана, Вина, Планка. § 34.12. Спектры Солнца и звезд. Их связь с температурой. § 34.13. Спектральный анализ. § 34.14. Понятие о принципе Доплера. § 34.15. Рентгеновские лучи и их практическое применение. § 34.16. Шкала электромагнитных волн. § 34.17. Виды космического излучения. Глава 35. ЯВЛЕНИЯ, ОБЪЯСНЯЕМЫЕ КВАНТОВЫМИ СВОЙСТВАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ § 35.2. Давление световых лучей. Опыты П. Н. Лебедева. § 35.3. Тепловое действие света. § 35.  4. Химическое действие света.§ 35.5. Использование химического действия света при фотографировании. Понятие о квантовой природе химического действия излучения. § 35.6. Внешний фотоэлектрический эффект. Опыты Столетова. § 35.7. Законы внешнего фотоэффекта. § 35.8. Объяснение фотоэффекта на основе квантовой теории. § 35.9. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом. § 35.10. Внутренний фотоэффект. § 35.11. Фотосопротивления. § 35.12. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом. § 35.13. Использование фотоэлементов в науке и технике. § 35.14. Понятие о телевидении. § 35.15. Понятие о теории Бора. Строение атома водорода. § 35.16. Излучение и поглощение энергии атомами. § 35.17. Явление люминесценции. § 35.18. Понятие о квантовых генераторах. Глава 36. ОСНОВЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ § 36.2. Экспериментальные основы специальной теории относительности Эйнштейна. Постулаты Эйнштейна. § 36.3. Понятие одновременности. § 36.4.  Относительность понятий длины и промежутка времени§ 36.5. Теорема сложения скоростей Эйнштейна. § 36.6. Масса и импульс в специальной теории относительности. § 36.7. Связь между массой и энергией. Уравнение Эйнштейна. § 36.8. Связь между импульсом и энергией. Импульс и энергия фотонов. Раздел V. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА Глава 37. СТРОЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА § 37.2. Радиоактивность. § 37.3. Понятие о превращении химических элементов. § 37.4. Понятие об энергии и проникающей способности радиоактивного излучения. § 37.5. Эффект Вавилова — Черенкова. § 37.6. Открытие искусственного превращения атомных ядер. § 37.7. Открытие нейтрона. § 37.8. Состав атомного ядра. Запись ядерных реакций. § 37.9. Изотопы. § 37.10. Понятие о ядерных силах. § 37.11. Дефект массы атомных ядер. Энергия связи. Глава 38. КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ § 38.2. Открытие позитрона. § 38.3. Нейтрино. § 38.4. Открытие новых элементарных частиц.  § 38.5. Классификация элементарных частиц. § 38.6. Античастицы. Взаимные превращения вещества и поля. § 38.7. Гипотеза кварков. Глава 39. АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ § 39.2. Деление тяжелых атомных ядер. § 39.3. Цепная реакция деления. Ядерный взрыв. § 39.4. Ядерный реактор. § 39.5. Развитие ядерной энергетики в СССР. § 39.6. Понятие о термоядерной реакции. Энергия Солнца и звезд. § 39.7. Понятие об управляемой термоядерной реакции. § 39.8. Получение радиоактивных изотопов и их применение. Раздел VI. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО АСТРОНОМИИ Глава 40. СТРОЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ВСЕЛЕННОЙ § 40.2. Происхождение и развитие небесных тел. § 40.3. Понятие о космологии. |
Изложение материала ведется на основе Международной системы единиц (СИ). В полном соответствии с содержанием курса составлен «Сборник задач и упражнений по физике для средних специальных учебных заведений», под редакцией Р. А. Гладковой (6-е изд. 1983 г.).
Откуда у Вселенной появилось магнитное поле | MIT News
Когда мы смотрим в космос, все астрофизические объекты, которые мы видим, окружены магнитными полями. Это верно не только в окрестностях звезд и планет, но и в глубоком космосе между галактиками и галактическими скоплениями.
Эти поля слабы — обычно намного слабее, чем у магнита холодильника, — но они имеют динамическое значение в том смысле, что оказывают глубокое влияние на динамику Вселенной. Несмотря на десятилетия интенсивного интереса и исследований, происхождение этих космических магнитных полей остается одной из самых глубоких загадок в космологии.
В ходе предыдущих исследований ученые пришли к пониманию того, как турбулентность, вихревое движение, характерное для жидкостей всех типов, может усиливать ранее существовавшие магнитные поля посредством так называемого динамо-процесса. Но это замечательное открытие только углубило тайну еще на один шаг. Если турбулентное динамо могло только усиливать существующее поле, то откуда взялось «зародышевое» магнитное поле?
У нас не будет полного и непротиворечивого ответа на вопрос о происхождении астрофизических магнитных полей, пока мы не поймем, как возникают затравочные поля. Новая работа, проведенная аспирантом Массачусетского технологического института Муни Чжоу, ее советником Нуно Лоурейро, профессором ядерной науки и техники в Массачусетском технологическом институте, и коллегами из Принстонского университета и Университета Колорадо в Боулдере, дает ответ, который показывает основные процессы, которые генерируют поле.
от полностью ненамагниченного состояния до точки, где оно достаточно сильное, чтобы динамо-механизм взял на себя управление и усилил поле до величин, которые мы наблюдаем.
Магнитные поля повсюду
Естественные магнитные поля наблюдаются повсюду во Вселенной. Впервые они были обнаружены на Земле тысячи лет назад благодаря их взаимодействию с намагниченными минералами, такими как магнитный камень, и использовались для навигации задолго до того, как люди поняли их природу или происхождение. Магнетизм Солнца был открыт в начале 20 века благодаря его влиянию на спектр света, излучаемого Солнцем. С тех пор более мощные телескопы, смотревшие вглубь космоса, обнаружили, что поля были вездесущи.
И хотя ученые уже давно научились изготавливать и использовать постоянные магниты и электромагниты, которые имели множество практических применений, естественное происхождение магнитных полей во Вселенной оставалось загадкой. Недавняя работа дала часть ответа, но многие аспекты этого вопроса все еще обсуждаются.
Усиление магнитных полей — динамо-эффект
Ученые начали задумываться над этой проблемой, рассматривая способ создания электрических и магнитных полей в лаборатории. Когда проводники, такие как медная проволока, движутся в магнитных полях, создаются электрические поля. Эти поля или напряжения могут затем управлять электрическими токами. Так вырабатывается электричество, которое мы используем каждый день. Благодаря этому процессу индукции большие генераторы или «динамо-машины» преобразуют механическую энергию в электромагнитную энергию, питающую наши дома и офисы. Ключевой особенностью динамо-машин является то, что для работы им необходимы магнитные поля.
Но во Вселенной нет очевидных проводов или больших стальных конструкций, так как же возникают поля? Прогресс в решении этой проблемы начался около века назад, когда ученые задумались над источником магнитного поля Земли. К тому времени исследования распространения сейсмических волн показали, что большая часть Земли под более холодными поверхностными слоями мантии была жидкой и что существовало ядро, состоящее из расплавленного никеля и железа.
Исследователи предположили, что конвективное движение этой горячей электропроводящей жидкости и вращение Земли каким-то образом объединяются для создания земного поля.
В конце концов появились модели, показывающие, как конвективное движение может усиливать существующее поле. Это пример «самоорганизации» — свойства, часто наблюдаемого в сложных динамических системах, — где крупномасштабные структуры спонтанно вырастают из мелкомасштабной динамики. Но, как и на электростанции, вам нужно было магнитное поле, чтобы создать магнитное поле.
Подобный процесс происходит во всей вселенной. Однако в звездах и галактиках и в пространстве между ними электропроводящей жидкостью является не расплавленный металл, а плазма — состояние вещества, существующее при чрезвычайно высоких температурах, когда электроны отрываются от их атомов. На Земле плазму можно увидеть в молнии или неоновом свете. В такой среде динамо-эффект может усиливать существующее магнитное поле, если оно начинается на каком-то минимальном уровне.
Создание первых магнитных полей
Откуда взялось это семенное поле? Вот тут-то и появляется недавняя работа Чжоу и ее коллег, опубликованная 5 мая в PNAS, . Чжоу разработала основную теорию и провела численное моделирование на мощных суперкомпьютерах, которые показывают, как может быть создано затравочное поле и какие фундаментальные процессы здесь работают. . Важным аспектом плазмы, существующей между звездами и галактиками, является то, что она необычайно рассеяна — обычно около одной частицы на кубический метр. Это совсем другая ситуация, чем внутри звезд, где плотность частиц примерно на 30 порядков выше. Низкие плотности означают, что частицы в космологической плазме никогда не сталкиваются, что оказывает важное влияние на их поведение, которое необходимо было включить в модель, которую разрабатывали эти исследователи.
Расчеты, выполненные исследователями Массачусетского технологического института, следовали за динамикой в этой плазме, которая развивалась из хорошо упорядоченных волн, но становилась турбулентной по мере роста амплитуды, и взаимодействия становились сильно нелинейными.
Включив детальное влияние динамики плазмы в малых масштабах на макроскопические астрофизические процессы, они продемонстрировали, что первые магнитные поля могут спонтанно создаваться посредством общих крупномасштабных движений, таких простых, как сдвиговые потоки. Как и в земных примерах, механическая энергия преобразовывалась в магнитную энергию.
Важным результатом их вычислений была амплитуда ожидаемого спонтанно генерируемого магнитного поля. Это показало, что амплитуда поля может возрастать от нуля до уровня, при котором плазма «намагничена», то есть когда присутствие поля сильно влияет на динамику плазмы. В этот момент традиционный динамо-механизм может вступить во владение и поднять поля до наблюдаемых уровней. Таким образом, их работа представляет собой самосогласованную модель генерации магнитных полей в космологическом масштабе.
Профессор Эллен Цвайбель из Университета Висконсина в Мэдисоне отмечает, что «несмотря на десятилетия замечательного прогресса в космологии, происхождение магнитных полей во Вселенной остается неизвестным.
Замечательно видеть, что современная теория физики плазмы и численное моделирование используются для решения этой фундаментальной проблемы».
Чжоу и его коллеги будут продолжать совершенствовать свою модель и изучать переход от генерации исходного поля к фазе усиления динамо-машины. Важной частью их будущих исследований будет определение того, может ли этот процесс работать в масштабе времени, согласующемся с астрономическими наблюдениями. Цитируя исследователей: «Эта работа представляет собой первый шаг в построении новой парадигмы для понимания магнитогенеза во Вселенной».
Эта работа финансировалась премией Национального научного фонда CAREER Award и грантом Future Investigators of Earth and Space Science Technology (FINESST).
Что такое магнитные поля и как они формируют Вселенную?
Вы его не видите, но он всегда рядом и вокруг вас. Защитить вас от вредного космического излучения и не дать нашей атмосфере унести солнечные ветры — это магнитное поле Земли.
Для большинства из нас это почти никогда не привлекает внимания. В наблюдательной астрономии магнитные полюса Земли имеют гораздо меньшее значение, чем географические полюса, на которые мы полагаемся, чтобы выровнять наши экваториально установленные телескопы.
Подробнее у Люси Грин:
- Понимание нашего Солнца: наука о солнечном цикле
- Что вызывает северное сияние?
Задумайтесь, однако: магнитное поле Земли, вероятно, сделало возможной жизнь на этой планете, в то время как более отдаленные космические магнитные поля являются причиной того, что пульсары действуют как радиомаяки, а огромные облака электропроводящего газа превращаются в странные и необычные формы.
Что касается магнитных полей, то земное — это то, с чем мы больше всего знакомы, и его происхождение связано с электрическими токами, которые текут в расплавленном железе, составляющем внешнее ядро нашей планеты.
Что такое магнитные поля?
Магнитные поля создаются вокруг движущихся заряженных частиц.
Магнетизм — это сила, тесно связанная с электричеством. Всякий раз, когда течет электрический ток, в окружающем пространстве возникает связанное с ним магнитное поле, или, в более общем смысле, движение любой заряженной частицы создает магнитное поле.
Попробуйте включить и выключить чайник и посмотреть, сможет ли приложение компаса на вашем смартфоне обнаружить магнитное поле, возникающее при прохождении тока по кабелю.
Эти поля имеют направление, поэтому у Земли есть северный и южный полюса.
Когда два магнитных поля приближаются друг к другу, они пытаются выровняться, потенциально вызывая физические объекты, заставляющие их двигаться — стрелка компаса имеет магнитное поле, поэтому всегда будет пытаться выровняться с полем Земли и указывать на север .
Больше похоже на это
Точно так же движение заряженной частицы будет изменяться при прохождении через намагниченную область из-за взаимодействия электрического и магнитного полей.
Изменение направления зависит от заряда и массы частицы, силы и направления магнитного поля и скорости движения частицы.
Планетарный магнетизм
Давайте сделаем шаг назад и посмотрим на Землю с поверхности Луны. Отсюда мы можем видеть землю, океаны и атмосферу.
Чего мы, однако, не видим, так это того, как магнитное поле Земли охватывает все это и распространяется в космос.
Большую часть времени Луна находится внутри магнитного поля Земли. Он появляется только на несколько дней во время новолуния.
Когда это происходит, Луна попадает в солнечный ветер — внешнюю атмосферу Солнца, которая расширяется в космос со скоростью миллион миль в час.
Этот ветер не может проникнуть через магнитное поле Земли и вместо этого врезается прямо в него. Хотя это взаимодействие невидимо для человеческого глаза, оно производит нечто впечатляющее: полярное сияние.
Когда солнечный ветер сталкивается с магнитным полем Земли, он добавляет к нему энергию, которая ускоряет заряженные частицы в нашей атмосфере.
Когда частицы взаимодействуют с атмосферным газом, они передают свою энергию и заставляют газ светиться.
Солнечный ветер не может достичь нашей атмосферы, потому что он тоже содержит магнитное поле.
Мы узнали, что любое магнитное поле, пронизывающее электрически заряженный газ (плазму), связано с этим газом; их нельзя легко разделить или разъединить, как известен этот процесс.
Поэтому, когда порывистый поток намагниченной плазмы достигает магнитного поля Земли, он обтекает его, заставляя его двигаться и рябить, как ветроуказатель на ветру.
Это свойство не позволяет солнечному ветру достигать нашей атмосферы и уносить ее, как это произошло на Марсе. Он также обеспечивает нам защиту от электрически заряженных космических лучей.
Это сохраняющее жизнь свойство планетарных магнитных полей означает, что важно учитывать их, когда дело доходит до изучения экзопланет. Пока что мы не можем напрямую наблюдать магнитное поле экзопланеты.
Но если в будущем будет разработан метод их обнаружения, наличие магнитного поля вокруг экзопланеты, вероятно, повлияет на то, какие из них станут целями для дальнейшего изучения.
Диаграмма, показывающая магнитное поле Сатурна. Авторы и права: Студия научной визуализации НАСА/JPL NAIF
Магнитное поле Солнца было открыто в 1908 году американским астрономом Джорджем Эллери Хейлом.
Невозможно искать и изучать космические магнитные поля без возможности их обнаружения на расстоянии с помощью электромагнитного излучения.
В 1896 году голландский физик Питер Зееман, проводя эксперименты, обнаружил, что сильное магнитное поле может влиять на свет, излучаемый «светящимся паром».
Спектральные линии, излучаемые паром, были уширены или, в крайнем случае, расщеплены на несколько составляющих.
В статье, опубликованной в 1897 году, Зееман предположил, что его открытие может быть использовано для обнаружения космических магнитных полей.
Действительно, именно этот метод использовал Хейл для обнаружения магнитного поля солнечных пятен.
Эффект Зеемана также поляризует свет определенным образом, что можно использовать для понимания силы и направления удаленного магнитного поля, что позволяет астрономам исследовать отдаленный магнетизм путем изучения электромагнитного излучения.
На самом деле Солнце позволяет нам близко исследовать космический магнетизм. Наблюдения за Солнцем обеспечивают фантастический уровень детализации, который действительно показывает нам, насколько динамичными могут быть звездные магнитные поля.
Солнце имеет общее магнитное поле, которое соединяет северный и южный магнитные полюса, которые близки к гелиографическим северному и южному полюсам, как на Земле.
Магнитные жгуты, магнитные поля, изгибающиеся между солнечными пятнами, могут быть обнаружены светящимся заряженным газом, прослеживающим их пути. Авторы и права: НАСА/Центр космических полетов Годдарда/SDO
Мелкомасштабный магнетизм
Но при ближайшем рассмотрении солнечной атмосферы можно обнаружить арки магнитного поля, соединяющие пары солнечных пятен и скрученные структуры магнитного поля, известные как силовые канаты.
Эти веревки обнаруживаются, потому что светящийся электрически заряженный газ очерчивает их, подобно тому, как железные опилки, разбросанные вокруг стержневого магнита, выравниваются по линиям поля.
Если вы понаблюдаете за Солнцем с течением времени, то увидите, что эти магнитные структуры постоянно меняются и часто извергаются в Солнечную систему.
Динамическая активность Солнца с пространственным разрешением, питаемая магнетизмом, дает нам представление о том, чем занимаются и другие звезды. И не только звезды главной последовательности имеют важные магнитные поля.
Пульсары — это подмножество нейтронных звезд. Образовавшиеся из коллапсирующих ядер массивных звезд, подвергшихся взрыву сверхновой, они вращаются чрезвычайно быстро.
При вращении они излучают импульсы радиоволн, словно космические маяки. Некоторые из них мигают много раз в секунду.
Когда Джоселин Белл-Бернелл открыла пульсары в 1967 году, они рассматривались как любопытные объекты и в шутку назывались LGM для маленьких зеленых человечков.
Но радиовспышки можно понять, если соединить очень быстро вращающуюся звезду с сильным магнитным полем.
Когда умирающая звезда коллапсирует, ее магнитное поле также втягивается в материал самой звезды, усиливая напряженность поля в триллион раз больше, чем у Земли.
Наличие поля заставляет заряженные частицы вращаться вокруг силовых линий магнитного поля, и когда это происходит, могут создаваться радиоволны. Радиосигнал будет сосредоточен на северном и южном магнитных полюсах нейтронной звезды.
Последним ингредиентом в создании пульсара является смещение между осью вращения звезды и осью, соединяющей магнитные полюса.
Это означает, что при вращении нейтронной звезды радиолуч будет перемещаться по космосу, и наши радиотелескопы смогут его обнаружить.
На самом деле, нейтронные звезды являются рекордсменами, когда дело доходит до магнетизма: еще одна подгруппа этих звезд обладает самыми сильными магнитными полями во Вселенной, в тысячу раз более сильными, чем у пульсаров.
Неудивительно, что эти объекты известны как магнетары.
Лучи пульсара проносятся сквозь пространство, потому что ось его магнитных полюсов не совпадает с осью его вращения. Фото: dani3315/iStock/Getty Images
Галактический магнетизм
Магнитное поле Земли и магнитное поле Солнца, благодаря солнечному ветру, — не единственные поля, в которые мы погружены.
0003
Наша Галактика, Млечный Путь, тоже имеет магнитное поле, хотя и с силой в десятки тысяч раз меньшей, чем у Земли.
Что общего у галактического поля с Землей, так это то, что вращение лежит в основе его существования.
Магнитные поля в астрофизических объектах создаются динамо-машиной, механизмом, в котором вращение электропроводящей жидкости (например, расплавленного железа в ядре планеты) преобразуется в магнитную энергию.
Таким образом, скорость вращения астрономического объекта является важным аспектом магнитных полей и динамо-машин.
В этом контексте мы можем понять, почему у Земли относительно сильное поле, тогда как у Марса, который когда-то считался более похожим на Землю, чем сегодня, нет.
Внутри Земли вращающаяся расплавленная оболочка означает, что ее динамо все еще действует. Марс, с другой стороны, имел динамо-машину, но она перестала действовать, когда внутренняя часть этой меньшей планеты остыла и затвердела, оставив только остаток ее магнитного поля, запертого в ее скалах.
Когда дело доходит до масштабов времени, звездам и планетам может потребоваться от нескольких часов до нескольких недель, чтобы совершить один оборот.
Но эти тела существуют так долго, что за время их существования прошло достаточно времени, чтобы поддерживать и даже развивать их магнитные поля.
Например, Солнце совершает один оборот за 27 дней и существует уже 4,5 миллиарда лет. Если предположить, что скорость вращения была постоянной в течение всего этого времени, Солнце могло бы сделать более 60 миллиардов оборотов.
Это не тот случай, когда речь идет о галактиках. Возьмем Млечный Путь: наша Галактика вращается один раз в несколько сотен миллионов лет, а это значит, что у нее было всего несколько сотен оборотов.
Итак, хотя динамо-машина важна для нашей Галактики, существуют и другие дополнительные процессы, которые оказывают влияние и которые еще предстоит понять.
В 2017 году группа под руководством ученых из Института радиоастрономии Макса Планка опубликовала работу, показывающую, что наблюдения галактик можно использовать для исследования магнитных полей, когда Вселенная была намного моложе.
Их исследование галактики, удаленной от нас почти на пять миллиардов световых лет, позволяет нам заглянуть в раннюю Вселенную, чтобы изучить историю и эволюцию магнитных полей, а также ответить на вопрос, на который астрономы давно хотели ответить: как долго существуют магнитные поля. поля существовали для?
Магнитные поля великолепны и широко распространены в космосе. От планет и звезд до галактик и не только.
Наряду с гравитацией, магнетизм отвечает за формирование и управление тем, что мы наблюдаем. Итак, в следующий раз, когда вы посмотрите вверх — неважно, на что вы смотрите — вспомните о невидимой силе, которая помогает формировать нашу Вселенную.
На этом изображении со спутника Planck Европейского космического агентства показана структура магнитного поля нашей Галактики. Авторы и права: ESA/Planck Collaboration. Благодарность: М.-А. Miville-Deschênes, CNRS – Institut d’Astrophysique Spatiale, Université Paris-XI, Orsay, France
История магнитной астрономии
1600 – Уильям Гилберт, первый человек, исследовавший магнетизм с помощью научных методов, публикует свою работу в том под названием De Magnete .
1865 – Профессор физики Джеймс Клерк Максвелл публикует статью, в которой он объединяет области электричества и магнетизма в единую теорию.
1901 – Норвежец Кристиан Биркеланд начинает строить «Terrellas» (маленькие Земли), чтобы проверить свою теорию о том, что полярное сияние формируется электронами, сталкивающимися с магнитными полюсами Земли.
1908 — американский астроном Джордж Эллери Хейл открыл магнетизм на Солнце, предоставив первое свидетельство существования магнитных полей за пределами Земли.
1942 — шведский физик Ханнес Альфвен предположил, что когда магнитное поле проходит через электропроводящий газ, они становятся неразделимыми.
2012 – После 35 лет путешествия в космосе космический корабль «Вояджер-1» наконец покидает пределы Солнечной системы, оставляя позади огромный магнетизм Солнца.
Люси — профессор физики и научный сотрудник Университета Королевского общества в Лаборатории космических наук Малларда.