Группа МЖКХ 1 Физика 30. 04. Тема 9. Электромагнитное поле. Контрольная работа.
учебно-методический материал по физике

Электромагнитное поле

В 1819 г. датский физик Г. Х. Эрстед обнаружил, что проводник, по которому течёт электрический ток, вызывает отклонение стрелки магнитного компаса, расположенного вблизи этого проводника, из чего следовало, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны.

Французский физик и математик А. Ампер в 1824 г. дал математическое описание взаимодействия проводника тока с магнитным полем (см. Закон Ампера).

В 1831 г. английский физик М. Фарадей экспериментально обнаружил и дал математическое описание явления электромагнитной индукции — возникновения электродвижущей силы в проводнике, находящемся под действием изменяющегося магнитного поля.

В 1864 г. Дж. Максвелл создаёт теорию электромагнитного поля, согласно которой электрическое и магнитное поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого — электромагнитного поля. Для вакуума теоретическое значение этой скорости было близко к экспериментальным измерениям скорости света, полученным на тот момент, что позволило Максвеллу высказать предположение (впоследствии подтвердившееся), что свет является одним из проявлений электромагнитных волн.

Теория Максвелла уже при своем возникновении разрешила ряд принципиальных проблем электромагнитной теории, предсказав новые эффекты и дав надежную и эффективную математическую основу описанию электромагнитных явлений. Однако при жизни Максвелла наиболее яркое предсказание его теории — предсказание существования электромагнитных волн — не получило прямых экспериментальных подтверждений.

В 1887 г. немецкий физик Г. Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические выводы Максвелла. Его экспериментальная установка состояла из находящихся на некотором расстоянии друг от друга передатчика и приёмника электромагнитных волн, и фактически представляла собой исторически первую систему радиосвязи, хотя сам Герц не видел никакого практического применения своего открытия, и рассматривал его исключительно как экспериментальное подтверждение теории Максвелла.

Электрические поля возникают за счет разницы напряжений: чем больше электрическое напряжение, тем более сильным будет возникающее поле. 

Магнитные поля возникают там, где проходит электрический ток: чем сильнее ток, тем сильнее магнитное поле. Электрическое поле есть даже при отсутствии электрического тока. Если имеется электрический ток, то сила магнитного поля будет меняться в зависимости от расхода электроэнергии, а сила электрического поля остается при этом постоянной.
(Выдержка из брошюры «Электромагнитные поля», опубликованной Европейским региональным бюро ВОЗ в 1999 г. (серия справочных брошюр для местных органов власти по вопросам здоровья и окружающей среды; 32).

Природные источники электромагнитных полей

Электромагнитные поля (ЭМП) окружают нас повсюду, оставаясь при этом невидимыми человеческому глазу. Электрические поля образуются при возникновении в атмосфере электрических зарядов, вызванных грозой. Магнитное поле Земли заставляет иглу компаса всегда указывать направление «север–юг» и помогает птицам и рыбам ориентироваться в пространстве.

Антропогенные (искусственные) источники электромагнитных полей

Помимо ЭМП, возникающих за счет природных источников, в спектре электромагнитных полей есть и те, которые создаются антропогенными источниками: например, рентгеновские лучи, используемые для диагностирования переломов конечностей в результате спортивных травм. Электричество в каждой штепсельной розетке ведет к образованию сопутствующих ЭМП низкой частоты. Различные радиоволны более высокой частоты используются для передачи информации при помощи ТВ антенн, радиостанций или базовых станций мобильной связи.

В чем разница между неионизирующими электромагнитными полями и ионизирующим излучением?
Длина и частота волны определяют и другую важную характеристику электромагнитных полей: электромагнитные волны (колебания) переносятся частицами, называемыми квантами. Кванты волн более высокой частоты (и более короткой длины) переносят больше энергии, чем поля более низкой чистоты (с более длинной волной). Некоторые электромагнитные волны несут такое огромное количество энергии в расчете на один квант, что они способны разорвать связи, удерживающие молекулы между собой. В электромагнитном спектре таким свойством обладают излучаемые радиоактивными веществами гамма-лучи, космические и рентгеновские лучи. Все они характеризуются как «ионизирующее излучение». Те поля, кванты которых не в состоянии разорвать связи, удерживающие молекулы между собой, называют «неионизирующим излучением». Антропогенные источники электромагнитных полей, в значительной степени определяющие жизнь в индустриальном обществе (электричество, микроволны, а также радиоволны), находятся в той части электромагнитного спектра, который характеризуется относительно длинными и низкочастотными волнами, а значит, их кванты не в состоянии разорвать химические связи.

Электромагнитные поля низких частот

Электрические поля существуют повсюду, где есть положительный или отрицательный электрический заряд. Они с силой воздействуют на другие заряды внутри поля. Сила электрического поля измеряется в вольтах на метр (В/м). Любой электрический провод, находящийся под напряжением, будет создавать сопутствующее электрическое поле, которое будет существовать даже при отсутствии тока. Чем выше напряжение, тем сильнее электрическое поле на заданном расстоянии от провода.

Наиболее сильными являются электрические поля в непосредственной близости от источника заряда или провода под напряжением, а по мере удаления от них сила электрических полей быстро уменьшается. Проводники, например, металлы, являются очень эффективной защитой от электрических полей. Другие материалы, например строительные материалы или деревья, обеспечивают некоторую защиту. Таким образом, сила электрических полей, образующихся от линий электропередач вне пределов дома, снижается за счет стен, зданий и деревьев. Если линии электропередач проложены под землей, электрические поля на поверхности едва определяются.

Магнитные поля возникают вокруг движущихся электрических зарядов. Сила магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м); однако вместо этого, при исследовании электромагнитных полей, ученые обычно указывают «родственный» количественный показатель – единицу измерения индукции магнитного поля (микротесла, мкТл). В отличие от электрических полей, магнитные поля возникают лишь при включении приборов и наличии тока. Чем сильнее электрический ток, тем сильнее магнитное поле.

Как и электрические поля, магнитные поля наиболее сильны в непосредственной близости от их источника, а по мере удаления от него, они ослабевают. Обычные материалы, например стены зданий, не являются препятствием для магнитных полей.

Чем статические поля отличаются от изменяющихся во времени полей?
Статическое поле не меняется со временем. Постоянный ток – это электрический ток только в одном направлении. В любом приборе, работающем от аккумуляторной батареи, ток движется от батареи к прибору и затем обратно в батарею. Такой ток создает статическое магнитное поле. Магнитное поле Земли также является статическим. Аналогично статическое магнитное поле возникает вокруг стержневого электромагнита, в чем можно наглядно убедиться, глядя на узоры, образующиеся при распылении железных опилок вокруг такого магнита.

Электромагнитные поля, изменяющиеся во времени, образуются при переменном токе. Переменный ток с течением времени в определенной закономерности меняет свое направление на обратное. В большинстве европейских стран переменный ток с частотой 50 Гц 50 раз в секунду меняет свое направление. Аналогичным образом сопутствующее электромагнитное поле изменяет свое направление 50 раз в секунду. В странах Северной Америки используется ток с частотой 60 Гц.

Основные источники полей низкой, средней и высокой частоты
Изменяющиеся во времени электромагнитные поля, создаваемые электроприборами, – это пример полей крайне низкой частоты (КНЧ). Обычно они имеют частоту до 300 Гц. Другая техника создает поля средней частоты (СЧ) – от 300 Гц до 10 МГц и радиочастотные поля (РЧ) – от 10 МГц до 300 ГГц. Воздействие ЭМП на организм человека зависит не только от уровня поля, но и от его частоты и энергии.

Поступающее в наши дома сетевое электричество и все бытовые электроприборы являются основными источниками полей КНЧ; компьютерные мониторы, противоугонные устройства и оборудование для защиты от краж, а также системы безопасности являются основными источниками полей СЧ; радио, телевизоры, антенны радаров и сотовых телефонов, микроволновые печи – это основные источники РЧ полей. Такие поля индуцируют электрические токи внутри организма человека, которые могут вызывать ряд неблагоприятных эффектов, например, нагревание внутренних тканей организма и электрический шок. Все зависит от их амплитуды и частоты. (Однако, чтобы вызвать такие последствия, поля вне человеческого организма должны быть очень сильными, гораздо сильнее тех, что имеются в обычной окружающей среде.)

Электромагнитные поля высокой частоты

Мобильные телефоны, теле- и радиопередающие станции и радары создают РЧ поля. Эти поля используются для передачи информации на большие расстояния и являются основой для телекоммуникаций, радио- и ТВ-вещания во всем мире. Микроволновые поля – это РЧ поля высокой частоты в диапазоне ГГц. В микроволновых печах такие поля используются для быстрого подогревания пищи.

В радиочастотном диапазоне электрические и магнитные поля тесно взаимосвязаны, и мы, как правило, измеряем их уровни как плотность мощности – в ваттах на квадратный метр (Вт/м2).

Основные положения

Электромагнитный спектр охватывает как природные, так и антропогенные источники ЭМП. Частота и длина волны – это характеристики ЭМП. В электромагнитной волне эти две характеристики взаимосвязаны: чем выше частота, тем короче волна.

Ионизирующее излучение, такое как рентгеновские и гамма-лучи, состоит из фотонов, несущих энергию, достаточную для разрыва связей, которые удерживают молекулы между собой. Фотоны электромагнитных волн промышленной частоты и радиочастотных волн обладают гораздо меньшей энергией, не достаточной для подобного эффекта.

Электрические поля существуют везде, где есть электрический заряд, и измеряются в вольтах на метр (В/м). Магнитные поля возникают там, где есть электрический ток. За единицу измерения индукции магнитного поля берется микротесла - мкТл или миллитесла - мТл.

На радио- и микроволновых частотах электрические и магнитные поля считаются двумя компонентами электромагнитных волн. Плотность мощности, выражаемая в ваттах на квадратный метр (Вт/м2), характеризует интенсивность этих полей.

ЭМВ низкой и высокой частоты по-разному воздействуют на организм человека. Сетевое электричество и бытовые электроприборы являются наиболее распространенными источниками низкочастотных электрических и магнитных полей в среде обитания человека. Повседневными источниками РЧ электромагнитных полей являются средства телекоммуникации, антенны радио- и телевещания, а также микроволновые печи.

Контрольная работа 8 «Явление электромагнитной индукции».

1.        Кто открыл явление электромагнитной индукции?

А. X. Эрстед. Б. Ш. Кулон. В. А. Вольта. Г. А. Ампер. Д. М. Фарадей. Е. Д. Максвелл.

2.        Выводы катушки из медного провода присоединены к чувствительному гальванометру. В каком из перечисленных опытов гальванометр обнаружит возникновение ЭДС  электромагнитной индукции в катушке?

1. В катушку вставляется постоянный магнит.
2. Из катушки вынимается постоянный магнит.
3. Постоянный магнит вращается вокруг своей продольной оси внутри катушки.

А. Только в случае 1. Б. Только в случае 2. В. Только в случае 3. Г. В случаях 1 и 2. Д. В случаях 1, 2 и 3.

3.Как называется физическая величина, равная произведению модуля В индукции магнитного поля на площадь S поверхности, пронизываемой магнитным полем, и косинус
угла а между вектором В индукции и нормалью п к этой поверхности?

А. Индуктивность. Б. Магнитный поток. В. Магнитная индукция. Г. Самоиндукция. Д. Энергия магнитного поля.

4.        При вдвигании полосового магнита в металлическое кольцо и выдвигании из него в кольце возникает индукционный ток. Этот ток создает магнитное поле. Каким полюсом обращено магнитное поле тока в кольце к: 1) вдвигаемому северному полюсу магнита и 2) выдвигаемому северному полюсу магнита.

A.        1    —    северным,  2    —    северным.   Б.   1    —    южным,   2    —    южным.

B.        1   —   южным, 2   —   северным. Г. 1   —   северным, 2   —   южным.

5.        Как называется единица измерения магнитного потока? А. Тесла. Б. Вебер. В. Гаусс. Г. Фарад. Д. Генри.

6.        Единицей измерения какой физической величины является 1 Генри?

А. Индукции магнитного ноля. Б. Электроемкости. В. Самоиндукции. Г. Магнитного потока. Д. Индуктивности.

7.        Ниже перечислены свойства различных полей. Какими из них обладает электростатическое поле?

1. Линии напряженности обязательно связаны с электрическими зарядами.
2. Линии напряженности не связаны с электрическими зарядами. 3) Поле обладает энергией.

4)Поле не обладает энергией. 5)Работа сил по перемещению электрического заряда по замкнутому пути может быть не равна нулю.

6)Работа сил по перемещению электрического заряда по любому замкнутому пути равна нулю.

А. 1, 4, 6. Б. 1, 3, 5. В. 1, 3, 6. Г. 2, 3, 5. Д. 2, 3, 6. Е. 2, 4, 6.

8.        Контур площадью 1000 см2 находится в однородном магнитном поле с индукцией 0,5 Тл, угол между вектором В индукции и нормалью к поверхности контура 60°. Каков магнитный поток через контур?  А. 250 Вб. Б. 1000 Вб. В. 0,1 Вб. Г. 2,5 · 10-2 Вб. Д. 2,5 Вб.

9.        Какая сила тока в контуре индуктивностью 5 мГн создает магнитный поток 2 · 10-2 Вб?       А. 4 мА. Б. 4 А. В. 250 А. Г. 250 мА. Д. 0,1 А. Е. 0,1 мА.

10.        Каково значение энергии магнитного поля катушки индуктивностью 5 Гн при силе тока в ней 400 мА?  А. 2 Дж. Б. 1 Дж. В. 0,8 Дж. Г. 0,4 Дж. Д. 1000 Дж. Е. 4·105 Дж.

11.        Катушка индуктивностью 2 Гн включена параллельно с резистором электрическим сопротивлением 900 Ом, сила тока в катушке 0,5 А, электрическое сопротивление катушки 100 Ом. Какой электрический заряд протечет в цепи катушки и резистора при отключении их от источника тока?

А. 4000 Кл. Б. 1000 Кл. В. 250 Кл. Г. 1 • 10 -2 Кл. Д. 1,1 • 10-3 Кл. Е. 1 • 10-3 Кл.

12.        Самолет летит со скоростью 900 км/ч, модуль вертикальной составляющей вектора индукции магнитного поля Земли 4 • 105 Тл. Какова разность потенциалов между концами крыльев самолета, если размах крыльев равен 50 м?

А. 1,8 В. Б. 0,9 В. В. 0,5 В. Г. 0,25 В.

13.        Какой должна быть сила тока в обмотке якоря электромотора для того, чтобы на участок обмотки из 20 витков длиной 10 см, расположенный перпендикулярно вектору индукции в магнитном поле с индукцией 1,5 Тл, действовала сила 120 Н?

А. 90 А. Б. 40 А. В. 0,9 А. Г. 0,4 А.

14.        Какую силу нужно приложить к металлической перемычке для равномерного ее перемещения со скоростью 8 м/с по двум параллельным проводникам, расположенным на расстоянии 25 см друг от друга в однородном магнитном поле с индукцией 2 Тл? Вектор индукции перпендикулярен плоскости, в которой расположены рельсы. Проводники замкнуты резистором с электрическим сопротивлением 2 Ом.

А. 10000 Н. Б. 400 Н. В. 200 Н. Г. 4 Н. Д. 2 Н. Е. 1 Н.