Реферат: Физические основы современной теории электромагнитного поля - текст реферата. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Реферат

Физические основы современной теории электромагнитного поля

Банк рефератов / Физика

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Реферат
Язык реферата: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Microsoft Word, 3460 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникального реферата

Узнайте стоимость написания уникальной работы

УДК 537.8 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В.В. Сидоренков МГТУ им. Н.Э. Баумана Рассматриваются базовые физические представления современной теории электромагнитного поля, основанные на концепции «корпускуля р но-полевого дуализма» характеристик микрочастицы, где ее электрическому з а ряду соответствует полевой эквивалент в виде электрического векторного потенциала, а ее удельному ( на единицу заряда ) собственному моменту отвечает поле магнитного векторного потенци а ла. Полевая концепция природы электричества является фундаментальной базой классической электродинамики и основана на признании того факта, что взаимодействие разнесенных в пространстве электрических зарядов осуществляется посредством электромагнитных полей. Физические сво й ства таких полей взаимодействия математически описываются системой функционально связа н ных между собой уравнений в частных производных первого порядка, назыв а емых электродинамическими уравнениями Максвелла [1, 2]. В структуре этих уравнений, описывающих поведение электромагнитного поля в непо д вижной среде, заложена основная аксиома классической электродинамики - неразры в ное единство переменных во времени электрического и магнитного п о лей. В современной форме такая система дифференциальных уравнений имеет след у ющий вид: ( a ) , (б) , (1) (в) , (г) . Здесь соответственно поля: векторов электрической и магнитной напряженности , электрической и магнитной индукции, плотности электрического тока ; абсолютные и - электрическая и магнитная проницаемости, - удельная электрическая проводимость матер и альной среды, а - объемная плотность стороннего электрического з а ряда. Важнейшим фундаментальным следствием уравнений Максвелла являе т ся тот факт, что и компоненты электромагнитного поля распространяю т ся в пространстве в виде волн. Например, из (1а) и (1в) сравнительно просто получить волновое уравнение для поля электрической напряженн о сти : . (2) Аналогично получается и уравнение волн поля магнитной напряженности , структурно тождественное уравнению (2). Видно, что скорость распростр а нения этих волн определяется только лишь электрическими и магнитными п а раметрами пространства материальной среды: , и . В частности, в отсу т ствие поглощения ( ) их скорость распространения , а кол е бания, согласно структуре уравнений (1), и компонент волн синфазны. С целью ответа на вопрос, что переносят эти волны, воспользуемся ура в нениями Максвелла (1), являющимися, в сущности, первичными уравнениями электромагнитной волны, откуда на основе уравнений (1а) и (1в) получаем з а кон сохранения энергии в форме, так называемой теоремы Пойнти н га: . (3) Видно, что поступающий извне в данную точку среды поток электрома г нитной энергии за единицу времени (мощности) , определяемый вектором Пойнтинга , идет на компенсацию джоулевых (тепловых) потерь в пр о цессе электропроводности и изменение электрической и магнитной энергий, либо наоборот (3) - эти физические процессы вызывают излучение наружу п о тока электромагнитной мощности . При этом совокупное наличие в простра н стве и полей вызывает отклик материальной среды в виде векторного пол я объемной плотности электромагнитного и м пульса : . Однако н аряду с этим, следует указать на весьма ограниченный диапазон явных возможностей уравнений Максвелла при описании ряда известных в настоящее время явлений электромагнетизма. В частности, уравнения (1) не могут вскрыть и адекватно описать физическую суть магнитных явлений, п о скольку известно [2], что истинный магнетизм – это спиновый магнетизм. Например, они в принципе не способны объяснить эффект Эйнштейна-де Гааза [1, 2], когда в материальной среде при ее однородном намагничивании возникает механический момент вращения, направленный коллинеарно подмагнич и вающему полю магнитной индукции . Так же далеко не ясен вопрос о существовании и физической реализации момента импульса электрома г нитного поля , соответственно, пер е носящих его волн. Здесь как бы существует парадокс, где с одной стороны, теория Мак с велла предсказывает равенство нулю момента импульса плоской электрома г нитной волны, а, с другой, физически понятно, что электромагн итное излуч е ние – это излучение возбужденными атомами избытка энергии в виде фотонов , которые будут забират ь от атома не только часть энергии , но и унос и т ь долю внутреннего углового момента атома . Следовательно , распространя ю щееся в виде волн электромагнит ное поле должно обладать вполне определенной вел и чиной момента импульса , что , кстати , наблюдалось в экспериме н тах [3, 4]. Таким образом, принципиальный дефект традиционной классической электродинамики в том, что в ее представлениях об электрическом заряде и его поле отсутствует понятие о спине (собстве н ном моменте импульса) . Ссылки на ныне существующую квантовую электродинамику [2] неумес т ны, поскольку это отдельная самостоятельная наука, по сути несвязанная с классической те о рией. Правда, известны попытки введения в электродинамику так называемого классического спина [5], но и они оказались неконструктивными. Покажем, что, несмотря на серьезную методическую модернизацию и с ходных максвелловских уравнений Герцем, Хевисайдом и Эйнштеном и грандиозные у с пехи внедрения достижений электромагнетизма во многих областях жизни с о временного человеческого общества, общепринятая на сегодня теория электромагнитн о го поля и поныне базируется только лишь на представлениях 19 века о физических свойствах электрического заряда материальных тел . Для а р гументированной иллюстрации данного факта здесь нам вполне достаточно двух первичных фундаментальных соотношений электромагнетизма - закона Кулона силы взаимодействия неподвижных точечных электрических зар я дов (4) и закона сохранения электрического зар я да [1] , (5) чтобы цепочкой последовательных физико-математических рассуждений построить традиционную систему (1) уравнений электрод и намики Максвелла. Фундаментальность закона Кулона (4) состоит в том, что его посре д ством описывается силовое взаимодействие разнесенных в пространстве неп о движных электрически заряженных материальных тел, где для изучения сле д ствий такого взаимодействия вводят понятие электрического поля в виде напряженности – силы Кулона на единицу заряда : , где - пробный т о чечный заряд. Топология структуры электрического поля точечного заряда такова, что интеграл от этой функции по сфере любого р а диуса константен: , а при использовании понятия телесного угла несложно убедиться: поток вектора поля электрической индукции ( см е щения ) через произвольную замкнутую поверхность S тождестве н но равен суммарному стороннему электрическому заряду в объеме внутри этой поверхности, причем на самой указанной поверхности индуцируется поляризационный электрич е ский заряд , такой, что : . Эти рассуждения описывают результат электрической поляризации, а электростатической теоремой Гаусса их называют по той причине, что она тождественно устанавливает: . Правда, обычно в физические подробности пр о цесса поляризации не вникают, а потому о поляризационном заряде просто не говорят. Здесь первые два интеграла это определение вектора - численно равного поверхностной плотности поляризационного заряда на пробной площадке, ориентация которой такова, что на ней максимальна, при этом нормаль к поверхности площадки коллинеарна ве к тору . В системе электродинамических дифференциальных уравнений (1) теорема Гаусса представлена (см. теорему Гаусса-Остроградского) соотнош е нием (1б), описывающим результат электрической поляризации материальной среды, где в сл у чае ее электронейтральности ( ) оно имеет вид . Воспользуемся теперь другим первичным фундаментальным законом электромагнетизма - законом сохранения электрического заряда (5), структурно представляющим собой уравнение непр е рывности. Закон гласит: изменение во времени заряда в данной точке пространства единственно возмо ж но лишь за счет транспорта зарядов извне , ведь по определению (те о рема Гаусса-Остроградского) дивергенция - это объемная плотность потока векторного поля в данной точке. Тогда подстановка в (5) уравнения (1б) дает формулу . И с учетом того, что для любого векторного п о ля , получаем еще одно уравнение обсу ж даемой системы: (1в). Это уравнение называют законом полного тока: электрические токи проводимости и смещения порождают вихревое магни т ное поле, силовые линии векторов напряженности которого охватыв а ют линии этих токов. Итак, в области существования движущихся зарядов и переменных во времени электрических полей , то есть в уравнении (1в) функция является вихревой, а потому для математического уточнения данной т о пологии магнитного поля введем соотношение калибровки . Тем с а мым получим следующее уравнение системы (1) – уравнение (1г). Поскольку диве р генция - объемная плотность потока векторного поля в данной точке, то ура в нение способно описать не только вихревые свойства функции , но и ее потенциальную версию, случай когда . Таким образом, соотношение (1г) математически представляет физический результат магнитной поляризации материал ь ной среды. Наконец, частным дифференцированием по времени уравнения (1г) получаем на основе адекватное с учетом знака закону эле к тромагнитной индукции Фарадея уравнение (1а), последнее в системе (1). Итак, изменяющееся во времени поле магнитной индукции порождает в да н ной точке пространства вихревое электрическое поле . Ввиду того, что в ура в нении (1 a ) , то функция поля является вихревой, и эту топол о гию способно уточнить, согласно вышесказанному о дивергенции, уже полученное нами р а нее уравнение (1б) в виде . Как видим, дивергентные уравнения (1б) и (1г) как математически, так и физически весьма содержательны . Итак, теперь, казалось бы, вопрос исче р пан. Но это только то, что лежит на поверхности. Если взглянуть глубже, то те же дивергентные уравнения содержат сведения о полях электрического и магнитного векторных потенциалов, физический смысл которых, несмотря на вполне определенный прогресс в установлении их физич е ской значимости [6], и по сей день концептуально не понят, а п отому в теории электромагнети з ма эти не наблюдаемые напрямую поля остаются в должной мере не принят ы ми и , в сущности , не используемыми. Попытаемся еще раз р а зобраться в этом вопросе, для чего воспользуемся обсуждаемой здесь системой уравн е ний (1). Представления о векторных потенциалах определяются очевидным положением о том, что дивергенция ротора любого векторного поля тожд е ственно равна нулю: . Поэтому магнитную компоненту векторного потенциала можно ввести посредством соотношения системы уравнений (1), описывающим магнитную поляризацию (намагниченность) м а териальной среды, а электрическую компоненту - соотношением , описывающим поляризацию локально электронейтральной ( ) ср е ды: (а) , (б) . (6) Таким образом, с точки зрения физического смысла векторные электромагни т ные потенциалы непосредственно связаны с электрической и магнитной пол я ризациями, а потому их можно называть поляризационными потенциал а ми . Тогда подстановка соотношения для магнитного векторного потенциала (6 a ) в уравнение вихря электрической напряженности (1а) приводит к извес т ной формуле связи поля вектора указанной напряженности с магнитным ве к торным потенциалом [1]: , (7) описывающей закон электромагнитной индукции Фарадея. Здесь электрический скалярный потенциал: принципиально не рассма т ривается, как не имеющий отношения к обсуждаемым в работе вихревым п о лям. При аналогичной подстановке соотношения для электрического векто р ного потенциала (6б) в уравнение вихря магнитной напряженности (1в) с уч е том закона Ома получаем в итоге связь этой напряженности с указанным векторным потенци а лом: . (8) З де сь - постоянная времени релаксации электрического заряда в среде за счет ее электр о проводности. Однозначность функций векторных потенциалов, то есть чисто вихревой характер таких полей обеспечивается условием кул о новской калибровки: (а) , (б) , (9) где абсолютные электрическая и магнитная проницаемости, согласно соотношениям (7) и (8), соответствуют в формулах (9) конкретным компонентам векторн ого потенци а ла. Как видим, векторные потенциалы принципиально сопровождают явл е ния электрической и магнитной поляризаций материальной среды, причем, с о гласно (6), пары векторов и , и - взаимно ортогональны ; соотве т ственно, согласно (7) и (8), другие векторные пары и , и - взаимно коллиненарны . Покажем , что векторные потенциалы – это не математические фикции, а физически значимые фундаментальные поля, порождающие (см. с о отношения (7) и (8)) традиционные вихревые электромагнитные п о ля. Так как взаимодействие электрических зарядов реализуются посредством электрических и магнитных полей, то физически логично предположить, что порождающие такие поля векторные потенциалы и как физические величины есть первичные полевые характеристики самого электрического з а ряда и как вторая сторона медали есть его прямой полевой эквивалент. Для обоснования правомерности такого предположения р ассмотрим конкретные аргументы, позволяющие ра з решить проблему физического смысла компонент векторных потенциалов и , обсуждаемую для магнитного векторного потенциала еще Максвеллом при анализе своих электродинамических постр о ений ([7] п. 590). С огласно точке зрения Максвелла, вектор “ может быть признан фундаментальной величиной в теории электромагн е тизма ” [8]. Как известно, физические представления об электрическом заряде имеют на микроуровне существенное дополнение: элементарная частица характеризуется не только значением заряда q , кра т ного заряду электрона , но и спином s, трактуемым как собственный момент количества движения частицы. Вел и чина этого момента квантована значением , где - модифицир о ванная постоянная Планка. То есть микрочастица принципиально обладает в н е разрывной связи электрическим зарядом и собственным магнитным моментом, кратным собственному (спиновому) магни т ному моменту электрона - магнетону Бора [2]: в системе физических единиц СИ . В соответствии с наш им предположени ем , сопоставим локальные характеристики микрочастицы и некое ее собственное первичное электрома г нитное поле. Конкретно для электрона электрическая компонента этого поля соотве т ствует заряду - кванту электрического потока , а магнитная компонента - удельному (на единицу заряда) моменту , определяющему, как и з вестно [2], квант магнитного потока. Наша задача показать, что введенное здесь гип о тетически собственное поле микрочастицы (совокупно, и макрообъекта) явл я ется именно полем векторных потенци а лов. Итак, вначале рассмотрим электрический векторный потенциал . Для этого соотношение (6б) связи электрических векторов индукции и векторного потенциала для большей наглядности и математической общности представим в интегральной фо р ме: . (10) Эти интегральные соотношения устанавливают физически содержател ь ное положение о том, что величина циркуляции вектора по замкнутому контуру С определяется потоком вектора электрического смещения через поверхность S C , опирающуюся на этот контур, соответственно, поляризацио н ным электрическим зарядом , индуцированным на этой поверхности. Отсюда снова следует определение поля вектора электрического смещения , численно равного плотности заряда на пробной п лощадке, ориентация которой в данной точке создает на ней максимальное знач е ние этого заряда: , а нормаль к площадке с учетом правила правовинтового обхода контура С указывает направление вектора . Определение как потокового вектора показывает его принципиальное отличие от линейного (циркуляцио н ного) вектора напряженности , являющегося силовой характеристикой эле к трического поля. Физически, поле потокового вектора электрическ о го смещения (индукции) есть отклик среды на воздействие силового вектора электрической напр я женности. Продолжая анализ соотношений (10), видим, что, согласно этим соотн о шениям связи векторных полей и , электрическому заряду отвечает его полевой эквивалент - поле электрического векторного потенциала , ра з мерность которого - линейная плотность электрического заряда . В итоге, с целью реализации конечного результата наших рассуждений введем понятие первой фундаментальной корпускулярно-полевой пары с единицами измерения в системе физических единий СИ Кулон К у лон/метр . Эти корпускулярно-полевые представления аргументированно подтверждаются также и неп о средственным следствием в виде соотношения (8) связи электрического векторного потенциала и магнитной напряженности с единицей измерения Ампер/метр , представляющего собой полевой эквивалент полного электрического тока: токов проводимости и смещения , в е личина (сила тока) которого имеет единицу измерения А м пер . Перейдем теперь к магнитному векторному потенциалу . Поскольку вектор электрической напряженности измеряется в СИ Вольт/метр , либо формально математически (но не физически) тождественно Ньютон/Кулон , то, согласно соотношению (7) связи магнитного векторного потенциала с ве к тором , единица измерения вектора будет ( Ньютон · сек )/ Кулон , то есть имеет ра з мерность импульс на единицу заряда . Данная размерность магнитной компоненты векторного потенциала в настоящее время считается общ е принятой и вполне очевидной, поскольку совместно со скалярным электрич е ским потенциалом весьма заманчиво п ре дст ав и ть полевой аналог четыре х вектора « энергии-импульса », так в виде называемого 4 х – потенц и ал а . Следовательно, соотношение (7) можно, казалось бы, назвать полевым аналогом уравнения д и намики поступательного движения в механике (II закон Ньютона). Действительно, указанную размерность магнитного векторного п о тенциала, другими словами, его физический смысл находят (например, в раб о те [8]) при анализе действия вихревого поля вектора на точечный электр и ческий заряд посредством именно II закона Ньютона, обычного механического. Однако, по нашему мнению, обобщать выводы, полученные в рамках уравн е ния динамики поступательного движения для точечного заряда на случай ма к рообъекта (совокупности точечных зарядов), находящегося в вихревых п о лях: с физической точки зрения, мягко говоря, вес ь ма сомнительно. Для прояснения сложившейся ситуации рассмотрим далее соотношение (6а), которое представим в интегральной фо р ме: . (11) Видно, что величина циркуляции вектора по контуру С определяется магнитным потоком через поверхность S C и имеет единицу измерения в системе СИ Вебер = ( Джоуль
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
- Нет! - согласилась она.
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Обратите внимание, реферат по физике "Физические основы современной теории электромагнитного поля", также как и все другие рефераты, курсовые, дипломные и другие работы вы можете скачать бесплатно.

Смотрите также:


Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru