«Рух» магнітного полю поблизу провідника

Розглянемо тепер процеси, що проходять в провіднику, щодо якого рухається джерело магнітного поля. Причому не істотно, що являє собою цей джерело, їм може бути як постійний магніт, так і провідники з постійним струмом. Нехай для визначеності циліндричний постійний магніт рухається відносно нерухомого проводить кругового контуру L. Результати експериментів М. Фарадея і його численних послідовників однозначно свідчать, що в контурі виникає електричний струм, точно такий же, як і у випадку руху контура. Іншими словами, індукційний струм повністю визначається відносним рух контуру і магніту, і ніякими вимірами і дослідженнями не можна розрізнити, що рухається провідник або магніт.

Ці та подібні експерименти в чому сприяли тому, що принцип відносності Г. Галілея в механіці був поширений спочатку на електромагнітні, а потім і на всі фізичні явища. В даний час принцип відносності є одним з фундаментальних фізичних принципів, справедливість якого підтверджена і постійно підтверджується всім розвитком природничих наук. Отже, якщо ми приймаємо за фізичну аксіому [1] принцип відносності: ніякі фізичні експерименти не дозволяють відрізнити стан спокою від стану рівномірного і прямолінійного руху, або рівносильно: всі фізичні явища протікають однаково у всіх інерціальних системах відліку.

На цьому можна і закінчити виклад матеріалу даного розділу, для чого слід перейти в систему відліку, пов’язану з магнітом, і розглянути рух провідника в магнітному полі, що вже зроблено раніше. Тим не менш, має сенс дати фізичну трактування виникнення електричного струму в нерухомому провіднику, щодо якого рухається магніт. У разі нерухомого провідника середня швидкість руху вільних заряджених частинок дорівнює нулю, тому й середнє значення сили Лоренца також дорівнює нулю. Але якщо в провідному контурі, що володіє електричним опором, існує електричний струм, то в контурі повинні діяти сторонні сили! Отже, ми повинні вказати сили, що діють на вільні заряди і приводять їх у рух. Як було сказано, характеристики індукційного електричного струму в провіднику не залежать від того, рухається провідник або магніт, результат дії поля на провідник не повинен залежати від обраної системи відліку, в якій проводиться опис. Так, наприклад, якщо провідник нагрівся, то підвищення його температури однаково у всіх системах відліку, якщо провідник розплавився або розірвався під дією поля, то з ним це сталося в будь-якій системі відліку. Більш простий приклад: сила, що діє на провідник з боку поля повинна бути однакова у всіх інерціальних системах відліку, нарешті, сила, що діє на вільні заряди також повинна бути однакова у всіх системах відліку.

В системі відліку, пов’язаної з магнітом (коли рухається провідник), такою силою є сила Лоренца. В системі відліку пов’язаної з провідником (де він спочиває) на заряджені частинки повинна діяти така ж сила. Сила Лоренца пропорційна заряду частинки, сам же заряд є інваріантної фізичною величиною, що не залежить від системи відліку. Отже, в системі відліку, пов’язаної з провідником, на заряджені частинки діє сила, пропорційна заряду частинки. Сила, пропорційна заряду, є сила, що діє з боку електричного поля.

Мабуть, можна було придумати якесь інша назва цій силі, але якщо ця сила пропорційна електричному заряду частинки, то немає навіть принципової можливості відрізнити цю силу від сили, що діє з боку електричного поля. Характеристикою цієї сили також може служити відношення сили до величини заряду, тобто напруженість електричного поля. Так чи варто «придумувати» нові сили, нові явища, якщо все розвиток фізики йде шляхом узагальнення, відомості численних явищ до все меншої кількості єдиних фундаментальних взаємодій. Нарешті, найістотніше: електричне поле, яке створюється рухомим магнітом, має ті ж властивості, що й «звичайне» електричне поле, створюване електричними зарядами – воно впливає на інші заряди, і як ми покажемо в подальшому, воно здатне породжувати магнітне поле.

Таким чином, ми повинні визнати, що в системі відліку, в якій постійний магніт рухається, крім магнітного поля повинно існувати електричне поле. Або: рухомий магніт створює електричне поле.

По суті ми про це вже говорили, коли розглядали джерела магнітного поля. Джерелами магнітного поля є рухомі електричні заряди, але рухомі щодо чого? Аналогічна ситуація розглядається зараз: рухомий магніт створює електричне поле, що рухається відносно чого? Якщо механічний рух відносно, то відносно і електромагнітне поле. Тобто реальність є єдине електромагнітне поле, яке в деяких випадках, в деяких системах відліку можна описувати як електростатичне; в деяких випадках, в деяких системах відліку як магнитостатическое. Відповідь на питання про поділ поля на електричне і магнітне залежить від вибору системи відліку, в якій проводиться опис.

Img Slob-10-15-116.jpg
Повернемося в систему відліку, в якій провідник спочиває, але в ньому виникає електричний струм. Ми прийшли до висновку, що в якості сторонніх сил в даному випадку виступають сили з боку електричного поля. Причому робота цих сил по замкнутому контуру не дорівнює нулю. Отже, це електричне поле не є потенційним, в цьому його головна відмінність від електростатичного поля, створюваного нерухомими зарядами. У розглянутому прикладі (Рис. 115) у всіх точках проводить контуру електрична сила направлена ​​по дотичній до контуру, отже, силова лінія цього поля є окружністю, тобто замкнутої кривої. Структура силових ліній такого поля збігається зі структурою ліній магнітного поля прямого струму – набір концентричних кіл (Мал. 116). Звичайно, в даному випадку така структура силових ліній однозначно пов’язана з осьовою симетрією його джерела (магніту, вектор швидкості якого спрямований уздовж осі). У загальному випадку силові лінії цього поля відрізняються від кола, але є замкнутими, утворюючи набір «вихорів». Тому дане електричне поле називається вихровим.

Так як магніт в цілому електрично нейтральний (його сумарний заряд дорівнює нулю), то потік вектора напруженості розглянутого електричного поля через будь-яку замкнену поверхню дорівнює нулю, тому можна згадати всі наші міркування з приводу докази замкнутості магнітних силових ліній і повторити їх тут для вихрового електричного поля .

Виникнення вихрового електричного поля при русі магніту не залежить від того, чи знаходиться в цьому полі провідник. Розглянутий нами проводить контур виступає в ролі приладу, що дозволяє зафіксувати існування електричного поля. Тому розумно, замість характеристик електричного струму в реальному кільці, розглядати характеристики індукованого вихрового електричного поля. Ми встановили формулу для ЕРС індукції, що виникає в контурі

Посилання на основну публікацію