(PDF) Электромагнитная гравитация Часть 3. Electromagnetic field
68
Литература
1. Пакулин В.Н. Структура поля и вещества. СПб, НТФ «Истра», 2007.
2. Дж. К. Максвелл, Динамическая теория электромагнитного поля, часть IY.
Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. ГИТТЛ, М.,1952.
3. Максвелл Джеймс К., Трактат об электричестве и магнетизме в 2-х томах.
Изд. Наука, Москва, 1992.
4. Фейнман Р., Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Том
6. Изд. «Мир», М., 1966, с.294.
5. Pakulin Valeriy. Structure of Matter. Vortex Model of Microworld. ISBN 978-5-
903247-27-8 Research Firm “ISTRA”, St-Petersburg, 2010.
6. Пакулин В.Н., Развитие материи. Вихревая модель микромира, НПО
«Стратегия будущего», ISBN 978-5-903247-49-2, 120 c., СПб, 2011.
7. Pakulin Valeriy. Structure of Matter. Vortex Model of Gravitation. ISBN 978-3-
659-49678-3. Lambert Academic Publishing, Ger.
, 2013.
8. Пакулин В.Н., Структура материи. Вихревая модель микромира. Филосо-
фия и космология. ISSN2307-3705. Международное философско-космоло-
гическое общество. Киев, 2014.
9. Пакулин В.Н. Структура материи. ISBN 978-3-659-66577-6. Lambert Aca-
demic Publishing, 2014.
10. Пакулин В.Н. Структура поля и вещества. М., Берлин: Директ-Медиа, 2017,
209, ISBN 978-5-4475-8892-2. Книга выложена на сайте http://gravity.spb.ru
11. Фейнман Р., Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Том
5. Электричество и магнетизм, с.289. Изд. «Мир», М., 1966.
12. Пакулин В.Н. Новая физика. Часть 1. Образование поля и вещества.
Структура частиц. ISBN 978-3-330-05604-6, Lambert Acad. Publishing, 2018.
13. Пакулин В.Н. Новая физика. Часть 2. Фундаментальные взаимодействия.
ISBN 978-613-9-57749-1, Lambert Academic Publishing, 2018.
14. Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшиц. Теория поля, изд. 3, ГИФМЛ, М.
,1960, с.195.
15. Патент США №725605 от 14.04.1903 г.
16. «Pioneer Radio Engineer Gives Views on Power», New York Herald Tribune,
11-сентября 1932 г.
17. United States Patent # 6,486,846 — EH antenna, 2002.
Ученые объяснили парадокс квантовых сил в наноустройствах
12 марта 2021 года
Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (вуз — участник Проекта 5-100) предложили новый подход к описанию взаимодействия металла с электромагнитными флуктуациями, то есть со случайными всплесками электрического и магнитного полей. Полученные результаты имеют большой потенциал для применения в фундаментальной физике и для создания перспективных наноустройств различного назначения.
На работу микромеханизмов в современных устройствах оказывает влияние обусловленная электромагнитными флуктуациями сила Казимира, то есть сила притяжения между двумя поверхностями в вакууме.
Такое взаимодействие между электрически незаряженными телами, расположенными на расстоянии меньше микрометра, было теоретически описано в середине ХХ века академиком Евгением Лифшицем. Однако в некоторых случаях теория Лифшица противоречила экспериментальным результатам, а с проведением более точных измерений сил Казимира в наноустройствах обнаружился загадочный парадокс.
«Предсказания теории Лифшица совпадали с результатами измерений только при условии, что потери энергии электронов проводимости в металле при вычислениях не учитывались. Эти потери, однако, реально существуют! Даже из обыденного опыта всем хорошо известно, что при прохождении электрического тока провод слегка нагревается. В литературе эта ситуация получила название “загадки сил Казимира”»,— говорит Галина Климчицкая, профессор Института физики, нанотехнологий и телекоммуникаций СПбПУ.
Ученым СПбПУ удалось одновременно учесть потери энергии электронов в металле и согласовать предсказания теории Лифшица с высокоточными измерениями сил Казимира.
«Предложенный подход приводит приблизительно к тому же вкладу реальных флуктуаций в силу Казимира, что и обычно используемый, но существенно изменяет вклад виртуальных флуктуаций. В результате теория Лифшица приходит в согласие с экспериментом при одновременном учете энергетических потерь электронов в металле
Опубликованные результаты относятся к немагнитным металлам. В дальнейшем предполагается распространить их на материалы, обладающие ферромагнитными свойствами.
В результате откроются широкие возможности для надежного расчета и создания все более миниатюрных наноустройств, функционирующих под воздействием сил Казимира.
«В общем плане можно сказать, что развитые методы расчета необходимы уже в настоящее время для разработки и создания первых лабораторных образцов квантовых переключателей, прерывателей света и оптических модуляторов, использующих эффекты электромагнитных флуктуаций. Поскольку все большая миниатюризация является общей тенденцией в развитии нанотехнологий, в дальнейшем можно ожидать все более широкого применения полученных результатов в самых разных областях. Если же ставить вопрос о непосредственном практическом использовании результатов фундаментальных исследований, то полезно помнить об известном ответе Фарадея на вопрос одной дамы о практическом применении недавно открытого им явления электромагнитной индукции. “Леди,— ответил он,— что можно наверняка сказать о том, чего достигнет в будущем новорожденный младенец?” Это теперь мы знаем, что на этом открытии Фарадея основаны все применения электричества, вся современная техника и даже обыденная жизнь людей.
Антон Конаков, доцент кафедры теоретической физики физического факультета
— Исследования сотрудников Политеха Петра Великого обладают ценностью как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. Эффект Казимира принципиально определяется флуктуациями физического вакуума, которые совершенно незаметны в обычной жизни, ведь массы объектов и расстояния между ними таковы, что все эффекты квантовой физики становятся пренебрежимо малыми. Однако на малых масштабах порядка нескольких десятков нанометров давление Казимира может оказываться существенным, даже сопоставимым с атмосферным давлением. Такие масштабы достижимы в рамках современной твердотельной технологии, так что открывается уникальная возможность исследования реальных проявлений физического вакуума с помощью связанных эффектов.
Основным достижением ученых из Петербурга является построение теории сил Казимира с учетом потерь энергии электронов во взаимодействующих металлических пластинах. Эти потери характерны для любого проводящего материала (приводят, в частности, к нагреву проводника, по которому течет ток) и существенно влияют на проникновение электромагнитного поля в проводник. В результате меняет свою величину косвенное взаимодействие между пластинами, обусловленное флуктуациями электромагнитного поля. Авторами предложена феноменологическая теория такого отклика проводника на внешнее электромагнитное поле, которая позволила достичь количественного согласия расчетного значения давления Казимира с экспериментальными данными.
Результаты этой работы могут быть использованы в дальнейшем для предсказания сил Казимира, возникающих между различными двумерными системами, включая тонкие полупроводниковые пленки (например, кремния), а также слои двумерных материалов, таких как графен или дихалькогениды переходных металлов.
Геннадий Глинский, доктор физико-математических наук, профессор кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ ЛЭТИ:
— Работа ученых СПбПУ, несомненно, носит фундаментальный характер и имеет важное теоретическое и практическое значение. Она позволила согласовать теорию сил Казимира с имеющимися экспериментальными данными. Корректный учет потерь энергии электронов в металлах принципиально необходим, так как такие потери всегда существуют. Исследуемые эффекты малы, однако полученные результаты в будущем могут быть использованы при проектировании наномеханических устройств, а также при создании эталона силы.
Роман Резаев, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политехнического университета (ТПУ):
— Ценность исследования в том, что авторы смогли учесть нелинейные эффекты и построить более полное описание квантово-механического эффекта.
И это описание имеет практический смысл, поскольку дает реалистичную картину мира, а не идеальную, так как учитываются процессы, рассеивающие энергию электрона. Это важно, так как позволит построить новые, более точные математические модели элементов наноэлектроники, микроэлектроники и, возможно, даже в биологии — например, для описания межмембранного взаимодействия. Но говорить о том, каким именно образом эти результаты могут быть использованы, еще рано.
Использованы материалы статьи An alternative response to the off-shell quantum fluctuations: a step forward in resolution of the Casimir puzzle; G. L. Klimchitskaya, V. M. Mostepanenko; The European Physical Journal C, декабрь 2020 г.
Оригинал статьи: https://www.kommersant.ru/doc/4721442
Ученые сумели использовать чистый спиновый ток
Запись битов на магнитные диски до сих пор производится с помощью электромагнитного поля, на что нужно затрачивать немало энергии. Японцы впервые сумели перемагнитить сектор с помощью чистого потока электронных спинов.
Возможность контролировать намагниченность ферромагнитного вещества с помощью внешнего электромагнитного поля дала старт развитию информационного общества. Сейчас это же общество страдает от ставшей архаичной и весьма энергозатратной технологии, которую пока нечем заменить.
Намагниченность сектора жёсткого диска и любого другого подобного устройства, как и прежде, меняют с помощью электромагнитной головки, поле которой возбуждается переменным электрическим током. Эта технология требует быстрого вращения магнитного диска, прецизионного контроля положения головки и так далее.
Но главное – на возбуждение электротока тратится очень много энергии.
Расточительность стандартного метода трудно оценить, работая за столом персонального компьютера. Но мировоззрение переменится сразу после посещения серверной комнаты какого-нибудь крупного коммерческого банка, а чтобы получить впечатлений на всю оставшуюся жизнь, достаточно несколько минут постоять возле дискового массива суперкомпьютера.
В шуме вращающихся дисков и вентиляторов охлаждающих систем становится понятно, сколько энергии тратится на такую работу.
Оперативка с диском поженились
Устаревшая технология считывания и записи информации на магнитные носители, похоже, дождалась выхода на пенсию. Японские ученые стерли грань между жстким диском и оперативной…О способе контролировать намагниченность без тока, с помощью одной лишь разности потенциалов, «Газета.Ru» писала всего неделю назад. Однако и этого учёным кажется мало.
Намагниченность – свойство вещества, зависящее от фундаментальной характеристики электрона – его спина, или внутреннего момента вращения, а потому в идеале контролировать намагниченность можно с помощью так называемых спиновых токов – потоков электронов, имеющих одинаково ориентированные спины, которые будут передавать свой момент вращения и, как следствие, направление поля нужному сектору магнитного диска.
В статье, принятой к публикации в Nature Physics, японские
ученые показали, как можно получить достаточно высокие спиновые токи для переключения намагниченности ферромагнитных секторов.
Генерировать спиновый ток можно различными способами. Поначалу ученые пользовались тем, что спин электрона неотделим от другого его фундаментального свойства – заряда. Вызывать движение зарядов – проще говоря, электрический ток – человечество умеет уже не одно столетие. Чтобы электрический ток стал спиновым, достаточно просто пропустить его через проводящий ферромагнетик, внутреннее магнитное поле которого выстроит спины электронов вдоль собственного вектора намагниченности. Этот процесс называется инжекцией спин-поляризованных (то есть выстроенных спинами в одну сторону) электронов в проводник.
close
100%
Измерить такой спиновый ток помогает еще один электропроводящий ферромагнетик, расположенный на другом конце проводника, – электрический ток через него заметно возрастает, если ориентация спинов движущихся в проводнике электронов совпадает с вектором намагниченности детектора.
Но такой ток нельзя считать чисто спиновым – он возбуждается электрической разностью потенциалов, а потому является спиново-зарядовым.
Для изменения же намагниченности ферромагнетика достаточно просто потока электронов с параллельными спинами. Чтобы экономить энергию, нужно уметь возбуждать такой ток, не увязывая его с электрическим.
Например, можно использовать способность электронов к диффузии в объеме проводника. Для этого физики научились конструировать так называемый спиновый клапан с боковой инжекцией (lateral spin valve). В таком устройстве электроны с поляризованными спинами также впрыскиваются в проводник под действием электрического напряжения. Однако инжектор расположен не в теле проводника, а на одной из его боковых граней.
В проводнике и так полно свободных электронов, которые способны занять место впрыснутых в дальнейшем течении тока. Неполяризованные электроны отправляются дальше, а рядом с точкой впрыска возникает избыточное число частиц с ориентированными в одну сторону спинами. Эти электроны оказываются предоставленными самим себе и начинают диффундировать по всем возможным направлениям вдоль проводника – в том числе и в направлении детектора.
На выходе из него получается спиновый ток, не связанный с электрическим.
Проблема такого подхода заключается в низкой эффективности инжекции, не позволявшей до сих пор получать достаточно большие спиновые токи. Причина её в том, что до сих пор конструкция спинового вентиля требовала нескольких раздельных микроэлектронных процедур, в результате чего граница раздела фаз между немагнитными проводниками и ферромагнитным спиновым фильтром и детектором оказывалась либо загрязнена микропримесями, либо частично окислена.
Японские ученые во главе с профессором Осисикой Отани из Института физики твердого тела при Токийском университете сумели впервые нанести все компоненты спинового вентиля в условиях одного и того же вакуума.
Рабочим немагнитным проводником в их эксперименте является медь, электродами инжектора спин-поляризованных электронов и их детектора послужило золото, а в качестве, собственно, спинового фильтра и детектора был использован сплав под названием пермаллой на основе никеля и железа (Ni81Fe19).
Подложкой для устройства послужила заранее вырезанная с помощью травления электронным пучком форма из полимера полиметилметакрилата.
close
100%
Благодаря тому, что медь, пермаллой и золото наносились друг на друга сразу в одном и том же вакууме, ученым удалось получить невероятно чистую фазовую границу между узлами спинового клапана, что и определило высокий результирующий спиновый ток.
Величина такого тока характеризуется разницей сопротивления устройства для параллельной и антипараллельной ориентаций инжектора и детектора. Грубо говоря, это выигрыш в напряжении (и, как следствие, мощности) на единицу электрического тока, который можно пустить на создание спинового тока. Для устройства Отани величина этой разницы составила от 8 до 21 мОм при температуре 10 К. Это на порядок выше, чем предыдущие рекорды. И даже при комнатной температуре устройство Отани работает в несколько раз эффективнее, чем его криогенные предшественники.
Уменьшив толщину детектора и инжектора до четырех нанометров, ученые смогли обратить намагниченность детектора, находящегося на расстоянии 270 нм от инжектора.
Утончение инжектора привело к некоторому снижению спинового тока, однако его оказалось достаточно, чтобы перемагнитить утонченный детектор.
Повлечет ли за собой разработка японцев новый этап развития запоминающих устройств, и станут ли коммерчески доступными устройства со спиновой записью, мы сможем узнать уже в ближайшее время – в компьютерных магазинах.
Учебное пособие по физике: электрические поля и проводники
Ранее мы показали в Уроке 4, что любой заряженный объект — положительный или отрицательный, проводник или изолятор — создает электрическое поле, которое пронизывает окружающее его пространство. В случае с проводниками есть множество необычных характеристик, о которых мы могли бы подробнее рассказать. Вспомните из Урока 1, что проводник — это материал, который позволяет электронам относительно свободно перемещаться от атома к атому. Было подчеркнуто, что, когда проводник приобретает избыточный заряд, избыточный заряд перемещается и распределяется по проводнику таким образом, чтобы уменьшить общее количество сил отталкивания внутри проводника.
Мы рассмотрим это более подробно в этом разделе Урока 4, когда познакомимся с идеей электростатического равновесия. Электростатическое равновесие — это состояние, устанавливаемое заряженными проводниками, в котором избыточный заряд оптимально удален, чтобы уменьшить общее количество сил отталкивания. Как только заряженный проводник достигает состояния электростатического равновесия, дальнейшее движение заряда по поверхности прекращается.
Электрические поля внутри заряженных проводников
Заряженные проводники, достигшие электростатического равновесия, обладают множеством необычных характеристик.Одной из характеристик проводника в электростатическом равновесии является то, что электрическое поле в любом месте под поверхностью заряженного проводника равно нулю. Если бы электрическое поле действительно существовало под поверхностью проводника (и внутри него), то электрическое поле оказывало бы силу на все электроны, которые там присутствовали.
Эта результирующая сила начнет ускорять и перемещать эти электроны. Но объекты, находящиеся в состоянии электростатического равновесия, больше не имеют движения заряда по поверхности. Так что, если бы это произошло, то первоначальное утверждение, что объект находился в электростатическом равновесии, было бы ложным.Если электроны внутри проводника приняли состояние равновесия, то результирующая сила, действующая на эти электроны, равна нулю. Силовые линии электрического поля либо начинаются, либо заканчиваются на заряде, а в случае проводника заряд существует только на его внешней поверхности. Линии идут от этой поверхности наружу, а не внутрь. Это, конечно, предполагает, что наш проводник не окружает область пространства, где был другой заряд.
Чтобы проиллюстрировать эту характеристику, давайте рассмотрим пространство между двумя концентрическими проводящими цилиндрами разного радиуса и внутри них, как показано на диаграмме справа.Внешний цилиндр заряжен положительно. Внутренний цилиндр заряжен отрицательно.
Электрическое поле вокруг внутреннего цилиндра направлено в сторону отрицательно заряженного цилиндра. Поскольку этот цилиндр не окружает область пространства, где есть другой заряд, можно сделать вывод, что избыточный заряд находится исключительно на внешней поверхности этого внутреннего цилиндра. Электрическое поле внутри внутреннего цилиндра было бы нулевым. При рисовании силовых линий электрического поля линии будут проводиться от внутренней поверхности внешнего цилиндра к внешней поверхности внутреннего цилиндра.Что касается избыточного заряда на внешнем цилиндре, необходимо учитывать не только силы отталкивания между зарядами на его поверхности. Хотя избыточный заряд на внешнем цилиндре стремится уменьшить силы отталкивания между его избыточным зарядом, он должен уравновесить это с тенденцией притяжения к отрицательным зарядам на внутреннем цилиндре. Поскольку внешний цилиндр окружает заряженную область, характеристика заряда, находящегося на внешней поверхности проводника, не применяется.
Эта концепция нулевого электрического поля внутри замкнутой проводящей поверхности была впервые продемонстрирована Майклом Фарадеем, физиком 19 века, который продвигал полевую теорию электричества.Фарадей построил комнату внутри комнаты, накрыв внутреннюю комнату металлической фольгой. Он сидел во внутренней комнате с электроскопом и заряжал поверхности внешней и внутренней комнаты с помощью электростатического генератора. Хотя между стенами двух комнат летели искры, во внутренней комнате не было обнаружено электрического поля. Избыточный заряд на стенах внутренней комнаты полностью приходился на внешнюю поверхность комнаты. Сегодня эта демонстрация часто повторяется на показах физики в музеях и университетах.
Внутренняя комната с проводящей рамкой, которая защищала Фарадея от статического заряда, теперь называется клеткой Фарадея . Клетка служит для защиты всех, кто находится внутри, от воздействия электрических полей. Любая закрытая проводящая поверхность может служить клеткой Фарадея, защищая все, что она окружает, от потенциально разрушительного воздействия электрических полей.
Этот принцип экранирования широко используется сегодня, поскольку мы защищаем хрупкое электрическое оборудование, заключая его в металлические корпуса.Даже хрупкие компьютерные микросхемы и другие компоненты поставляются внутри проводящей пластиковой упаковки, которая защищает микросхемы от потенциально разрушительного воздействия электрических полей. Это еще один пример «Физики для лучшей жизни».
Электрические поля перпендикулярны заряженным поверхностям
Вторая характеристика проводников в электростатическом равновесии состоит в том, что электрическое поле на поверхности проводника направлено полностью перпендикулярно поверхности.Не может быть компонента электрического поля (или электрической силы), параллельного поверхности. Если проводящий объект имеет сферическую форму, это означает, что перпендикулярные векторы электрического поля выровнены с центром сферы. Если объект имеет неправильную форму, то вектор электрического поля в любом месте перпендикулярен касательной линии, проведенной к поверхности в этом месте.
Понимание того, почему эта характеристика верна, требует понимания векторов, силы и движения.Движение электронов, как и любого физического объекта, подчиняется законам Ньютона. Одним из результатов законов Ньютона было то, что несбалансированные силы заставляют объекты ускоряться в направлении несбалансированной силы, а баланс сил заставляет объекты оставаться в равновесии. Эта истина составляет основу объяснения того, почему электрические поля должны быть направлены перпендикулярно поверхности проводящих объектов. Если бы существовала составляющая электрического поля, направленная параллельно поверхности, то избыточный заряд на поверхности приводил бы в ускоренное движение этой составляющей.Если заряд приводится в движение, то объект, на котором он находится, не находится в состоянии электростатического равновесия. Следовательно, электрическое поле должно быть полностью перпендикулярно проводящей поверхности для объектов, находящихся в электростатическом равновесии. Конечно, проводящий объект, который недавно приобрел избыточный заряд, имеет компонент электрического поля (и электрической силы), параллельный поверхности; именно этот компонент воздействует на вновь приобретенный избыточный заряд, чтобы распределить избыточный заряд по поверхности и установить электростатическое равновесие.
Но после его достижения больше нет ни параллельной составляющей электрического поля, ни движения избыточного заряда.
Электрические поля и кривизна поверхности
Третья характеристика проводящих объектов в электростатическом равновесии состоит в том, что электрические поля наиболее сильны в местах вдоль поверхности, где объект наиболее изогнут. Кривизна поверхности может варьироваться от абсолютной плоскостности на одном конце до изогнутой до тупой точки и на другом конце.
Плоское место не имеет кривизны и характеризуется относительно слабыми электрическими полями. С другой стороны, тупое острие имеет высокую степень кривизны и характеризуется относительно сильными электрическими полями. Сфера имеет одинаковую форму с одинаковой кривизной во всех точках ее поверхности. Таким образом, напряженность электрического поля на поверхности сферы везде одинакова.
Чтобы понять причину этой третьей характеристики, мы рассмотрим объект неправильной формы, который заряжен отрицательно.
У такого объекта избыток электронов. Эти электроны будут распределяться таким образом, чтобы уменьшить действие их сил отталкивания. Поскольку электростатические силы изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния, эти электроны будут стремиться позиционировать себя так, чтобы увеличивать свое расстояние друг от друга. На сфере правильной формы максимальное расстояние между всеми соседними электронами будет одинаковым. Но на объекте неправильной формы избыточные электроны будут накапливаться с большей плотностью в местах наибольшей кривизны.Рассмотрим диаграмму справа. Электроны A и B расположены вдоль более плоского участка поверхности. Как и все электроны с хорошим поведением, они отталкиваются друг от друга. Силы отталкивания направлены вдоль линии, соединяющей заряд с зарядом, в результате чего сила отталкивания в основном параллельна поверхности. С другой стороны, электроны C и D расположены вдоль участка поверхности с более резкой кривизной. Эти избыточные электроны также отталкиваются друг от друга с силой, направленной вдоль линии, соединяющей заряд с зарядом.
Но теперь сила направлена под более острым углом к поверхности. Составляющие этих сил, параллельные поверхности, значительно меньше. Большая часть силы отталкивания между электронами C и D направлена перпендикулярно поверхности.
Параллельные компоненты этих сил отталкивания заставляют избыточные электроны перемещаться по поверхности проводника. Электроны будут двигаться и распределяться, пока не будет достигнуто электростатическое равновесие. По достижении, равнодействующая всех параллельных компонентов на любом данном избыточном электроне (и на всех избыточных электронах) будет в сумме равняться нулю.Все параллельные компоненты силы, действующие на каждый из электронов, должны быть равны нулю, поскольку результирующая сила, параллельная поверхности проводника, всегда равна нулю (вторая характеристика, обсуждаемая выше). Для того же расстояния разделения параллельная составляющая силы является наибольшей в случае электронов A и B. Таким образом, чтобы достичь этого баланса параллельных сил, электроны A и B должны дистанцироваться друг от друга дальше, чем электроны C и D.
Электроны C и D, с другой стороны, могут сближаться друг с другом в месте своего расположения, поскольку параллельный компонент сил отталкивания меньше.В конце концов, относительно большое количество заряда скапливается в местах наибольшей кривизны. Это большее количество заряда в сочетании с тем фактом, что их силы отталкивания в основном направлены перпендикулярно поверхности, приводит к значительно более сильному электрическому полю в таких местах с повышенной кривизной.
Тот факт, что поверхности с резкими изгибами до тупой кромки создают сильные электрические поля, является основным принципом использования громоотводов.В следующем разделе Урока 4 мы исследуем явление разряда молнии и использование громоотводов для предотвращения ударов молнии.
Мы хотели бы предложить … Иногда просто прочитать об этом недостаточно. Вы должны с ним взаимодействовать! И это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивных материалов The Physics Classroom.
Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного приложения «Положи заряд в цель» и / или интерактивного интерфейса «Электростатические пейзажи».Оба интерактивных компонента можно найти в разделе Physics Interactives на нашем веб-сайте. Оба интерактивных элемента предоставляют увлекательную среду для изучения электрических полей и действий на расстоянии.
Проверьте свое понимание
Используйте свое понимание, чтобы ответить на следующие вопросы. По завершении нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.
1. Предположим, что сфера генератора Ван де Граафа собирает заряд.Затем двигатель выключают, и сфере дают возможность достичь электростатического равновесия. Заряд ___.
а. находится как на поверхности, так и во всем объеме
г. находится в основном внутри сферы и выходит наружу только при прикосновении
г.
находится только на поверхности сферы
2.Опишите напряженность электрического поля в шести отмеченных местах заряженного объекта неправильной формы справа. Используйте в описании фразы «ноль», «относительно слабый», «умеренный» и относительно сильный «.
3. Справа показана схема заряженного проводника неправильной формы. Обозначены четыре точки на поверхности — A, B, C и D.Расположите эти места в порядке возрастания силы их электрического поля, начиная с наименьшего электрического поля.
4. Рассмотрите схему кнопки, показанную справа. Предположим, что канцелярская кнопка заряжается положительно. Нарисуйте линии электрического поля вокруг кнопки.
См. Схему силовых линий электрического поля.
5.Изобразите линии электрического поля для следующей конфигурации двух объектов.
Разместите стрелки на линиях поля.
См. Схему силовых линий электрического поля.
6. Излюбленная демонстрация физики, используемая с генератором Ван де Граафа, включает в себя медленное приближение к куполу с протянутой к устройству скрепкой. Почему демонстратор не поджаривается при приближении к машине с торчащим вперед тупым краем скрепки?
7. ИСТИНА или ЛОЖЬ :
Громоотводы устанавливаются на дома для защиты от молнии. Они работают, потому что электрическое поле вокруг молниеотводов слабое; таким образом, существует небольшой поток заряда между громоотводами / домом и заряженными облаками.
Схема линий электрического поля
для вопроса № 4:
Приведенная выше диаграмма не была создана программой Field Plotting; это, безусловно, выглядело бы лучше, если бы это было так.
Ваш ответ может выглядеть иначе (особенно при сравнении деталей), но он должен иметь следующие общие характеристики с диаграммой, приведенной здесь:
- Силовые линии электрического поля должны быть направлены от положительно заряженной кнопки к краям страницы. На каждой линии поля ДОЛЖНА быть стрелка, указывающая направление.
- Все силовые линии электрического поля должны быть перпендикулярны поверхности кнопки в местах пересечения линий и кнопки.
- Должно быть больше линий, сконцентрированных на остром конце кнопки и двух резко изогнутых участках, и меньше линий на более плоских участках кнопки.
Вернуться к вопросу №4
Схема линий электрического поля
для вопроса № 5:
Еще раз, приведенная выше диаграмма не была создана программой для построения полей; это, вероятно, выглядело бы лучше, если бы это было так.Ваш ответ может выглядеть иначе (особенно при сравнении деталей), но он должен иметь следующие общие характеристики с диаграммой, приведенной здесь:
- Линии поля должны быть направлены от + к — или от края страницы к — или от + к краю страницы.
На каждой линии поля ДОЛЖНА быть стрелка, указывающая направление. - На поверхности любого объекта силовые линии должны быть направлены перпендикулярно поверхности.
- На резко изогнутых и заостренных поверхностях объектов должно быть больше линий и меньше линий на более плоских участках.
Вернуться к вопросу № 5
16.3 Энергия, переносимая электромагнитными волнами — University Physics Volume 2
Учебные цели
К концу этого раздела вы сможете:
- Выразить усредненную по времени плотность энергии электромагнитных волн через их электрические и амплитуды магнитного поля
- Вычислить вектор Пойнтинга и энергоемкость электромагнитных волн
- Объясните, как энергия электромагнитной волны зависит от ее амплитуды, тогда как энергия фотона пропорциональна его частоте
Любой, кто использовал микроволновую печь, знает, что в электромагнитных волнах есть энергия.
Иногда эта энергия очевидна, например, в тепле летнего Солнца. В других случаях это тонкая энергия, например, неощутимая энергия гамма-лучей, которая может разрушать живые клетки.
Электромагнитные волны приносят энергию в систему благодаря своим электрическим и магнитным полям. Эти поля могут создавать силы и перемещать заряды в системе и, таким образом, воздействовать на них. Однако в самой электромагнитной волне есть энергия, независимо от того, поглощается она или нет. Созданные поля уносят энергию от источника.Если позже часть энергии будет поглощена, напряженность поля уменьшится, и все, что останется, продолжит движение.
Очевидно, что чем больше напряженность электрического и магнитного полей, тем большую работу они могут выполнять и тем большую энергию несет электромагнитная волна. В электромагнитных волнах амплитуда — это максимальная напряженность электрического и магнитного полей (рисунок 16.10). Энергия волны определяется амплитудой волны.
Фигура
16.
10
Энергия, переносимая волной, зависит от ее амплитуды.В случае электромагнитных волн удвоение полей E и B увеличивает в четыре раза плотность энергии u и поток энергии uc .
Для плоской волны, распространяющейся в направлении положительной оси x с фазой волны, выбранной так, чтобы максимум волны находился в начале координат при t = 0t = 0, электрическое и магнитное поля подчиняются уравнениям
Ey (x, t) = E0cos (kx − ωt) Bz (x, t) = B0cos (kx − ωt) .Ey (x, t) = E0cos (kx − ωt) Bz (x, t) = B0cos (kx −ωt). Энергия в любой части электромагнитной волны — это сумма энергий электрического и магнитного полей. Эта энергия на единицу объема, или плотность энергии u , является суммой плотности энергии электрического поля и плотности энергии магнитного поля. Выражения для обеих плотностей энергии поля обсуждались ранее (uEuE в емкости и uBuB в индуктивности).
Комбинируя эти вклады, получаем
Выражение E = cB = 1ε0μ0BE = cB = 1ε0μ0B показывает, что плотность магнитной энергии uBuB и плотность электрической энергии uEuE равны, несмотря на тот факт, что изменение электрических полей обычно создает только небольшие магнитные поля. Равенство плотностей электрической и магнитной энергии приводит к
u (x, t) = ε0E2 = B2μ0.u (x, t) = ε0E2 = B2μ0.16,27
Плотность энергии движется вместе с электрическим и магнитным полями аналогично самим волнам.
Мы можем найти скорость переноса энергии, рассматривая небольшой интервал времени ΔtΔt.Как показано на рисунке 16.11, энергия, содержащаяся в цилиндре длиной cΔtcΔt и площадью поперечного сечения A, , проходит через плоскость поперечного сечения в интервале Δt.Δt.
Фигура 16.11 Энергия uAcΔtuAcΔt, содержащаяся в электрическом и магнитном полях электромагнитной волны в объеме AcΔtAcΔt, проходит через область A за время ΔtΔt.
Энергия, проходящая через область A за время ΔtΔt, равна
u × объем = uAcΔt.u × объем = uAcΔt.Энергия на единицу площади в единицу времени, проходящую через плоскость, перпендикулярную к волне, называемая потоком энергии и обозначаемая как S , может быть вычислена путем деления энергии на площадь A и временной интервал ΔtΔt.
S = площадь прохождения энергииAin timeΔtAΔt = uc = ε0cE2 = 1μ0EB.S = площадь прохождения энергииAin timeΔtAΔt = uc = ε0cE2 = 1μ0EB.В общем, поток энергии через любую поверхность также зависит от ориентации поверхности. Чтобы учесть направление, введем вектор S → S →, называемый вектором Пойнтинга, со следующим определением:
S → = 1μ0E → × B →.S → = 1μ0E → × B →.16,28
Перекрестное произведение E → E → и B → B → указывает в направлении, перпендикулярном обоим векторам. Чтобы убедиться, что направление S → S → является направлением распространения волны, а не его отрицательным, вернитесь к рис.
16.7. Обратите внимание, что законы Ленца и Фарадея подразумевают, что, когда показанное магнитное поле увеличивается во времени, электрическое поле больше при x , чем при x + Δxx + Δx. Электрическое поле уменьшается с увеличением x в заданное время и в данном месте.Пропорциональность электрического и магнитного полей требует, чтобы электрическое поле увеличивалось во времени вместе с магнитным полем. Это возможно только в том случае, если волна распространяется вправо на диаграмме, и в этом случае относительные ориентации показывают, что S → = 1μ0E → × B → S → = 1μ0E → × B → находится именно в направлении распространения электромагнитная волна.
Поток энергии в любом месте также изменяется во времени, что можно увидеть, подставив u из уравнения 16.23 в уравнение 16.27.
S (x, t) = cε0E02cos2 (kx − ωt) S (x, t) = cε0E02cos2 (kx − ωt)16.29
Поскольку частота видимого света очень высока, порядка 1014 Гц, 1014 Гц, поток энергии видимого света через любую область является чрезвычайно быстро меняющейся величиной.
Большинство измерительных устройств, в том числе наши глаза, обнаруживают только среднее значение за многие циклы. Среднее по времени потока энергии — это интенсивность I электромагнитной волны и мощность на единицу площади. Его можно выразить усреднением функции косинуса в уравнении 16.29 за один полный цикл, что аналогично усреднению по времени за несколько циклов (здесь T — один период):
16.30
Мы можем либо вычислить интеграл, либо заметить, что, поскольку синус и косинус отличаются только по фазе, среднее значение за полный цикл для cos2 (ξ) cos2 (ξ) такое же, как для sin2 (ξ) sin2 (ξ) , чтобы получить
〈Cos2ξ〉 = 12 [〈cos2ξ〉 + 〈sin2ξ〉] = 12 〈1〉 = 12. 〈Cos2ξ〉 = 12 [〈cos2ξ〉 + 〈sin2ξ〉] = 12 〈1〉 = 12., где угловые скобки 〈⋯〉 〈⋯〉 обозначают операцию усреднения по времени. Тогда интенсивность света, движущегося со скоростью c в вакууме, оказывается равной
.16.31
с точки зрения максимальной напряженности электрического поля E0, E0, которая также является амплитудой электрического поля. Алгебраическая манипуляция приводит к соотношению
I = cB022μ0I = cB022μ016,32
где B0B0 — это амплитуда магнитного поля, которая равна максимальной напряженности магнитного поля.Еще одно выражение для IavgIavg в терминах напряженности как электрического, так и магнитного поля является полезным. Подставляя тот факт, что cB0 = E0, cB0 = E0, предыдущее выражение становится
I = E0B02μ0.I = E0B02μ0.16,33
Мы можем использовать то из трех предыдущих уравнений, которое наиболее удобно, потому что эти три уравнения на самом деле представляют собой просто разные версии одного и того же результата: энергия в волне связана с квадратом амплитуды. Кроме того, поскольку эти уравнения основаны на предположении, что электромагнитные волны являются синусоидальными, пиковая интенсивность в два раза превышает среднюю интенсивность; то есть I0 = 2I.
I0 = 2I.
Пример 16,3
Лазерный луч
Луч небольшого лабораторного лазера обычно имеет интенсивность около 1,0 × 10–3 Вт / м 21,0 × 10–3 Вт / м2. Предполагая, что луч состоит из плоских волн, вычислите амплитуды электрического и магнитного полей в луче.Стратегия
Используйте уравнение, выражающее напряженность через электрическое поле, чтобы вычислить электрическое поле по напряженности.Решение
Согласно уравнению 16.31 интенсивность лазерного луча равнаСледовательно, амплитуда электрического поля равна
. E0 = 2cε0I = 2 (3.00 × 108 м / с) (8,85 × 10–12F / м) (1,0 × 10–3 Вт / м2) = 0,87 В / м. E0 = 2cε0I = 2 (3,00 × 108 м / с) (8,85 × 10–12F / м ) (1,0 × 10-3 Вт / м2) = 0,87 В / м.Амплитуду магнитного поля можно получить из уравнения 16.20:
B0 = E0c = 2,9 · 10−9T.B0 = E0c = 2,9 · 10−9T.Пример 16,4
Поля лампочек
Лампочка излучает видимый свет мощностью 5,00 Вт.
Каковы в среднем электрическое и магнитное поля от источника света на расстоянии 3,0 м?
Стратегия
Предположим, выходная мощность лампы P равномерно распределена по сфере радиуса 3.0 м, чтобы вычислить напряженность и, исходя из нее, электрическое поле.Решение
Мощность, излучаемая в виде видимого света, тогда I = P4πr2 = cε0E022, E0 = 2P4πr2cε0 = 25,00W4π (3,0м) 2 (3,00 × 108 м / с) (8,85 × 10−12C2 / N · м2) = 5,77N / C, B0 = E0 / c = 1,92 × 10 −8T.I = P4πr2 = cε0E022, E0 = 2P4πr2cε0 = 25,00W4π (3,0м) 2 (3,00 × 108 м / с) (8,85 × 10−12C2 / N · м2) = 5,77N / C, B0 = E0 / c = 1.92 × 10-8Т.Значение
Интенсивность I спадает как квадрат расстояния, если излучение равномерно рассеивается во всех направлениях.Пример 16.5
Радиус действия
Земной радиопередатчик мощностью 60 кВт посылает сигнал на спутник, находящийся на расстоянии 100 км (рис.
16.12). На каком расстоянии в том же направлении сигнал имел бы такую же максимальную напряженность поля, если бы выходная мощность передатчика была увеличена до 90 кВт?
Фигура 16,12 В трех измерениях сигнал распространяется по телесному углу, когда он движется наружу от своего источника.
Стратегия
Площадь, по которой рассеивается мощность в определенном направлении, увеличивается пропорционально квадрату расстояния, как показано на рисунке.Измените выходную мощность P с коэффициентом (90 кВт / 60 кВт) и измените площадь с тем же коэффициентом, чтобы I = PA = cε0E022I = PA = cε0E022 оставалось неизменным. Затем используйте отношение площади A на диаграмме к квадрату расстояния, чтобы найти расстояние, которое вызывает рассчитанное изменение площади.Решение
Используя пропорциональность площадей квадратам расстояний и решая, получаем из диаграммы r22r12 = A2A1 = 90W60W, r2 = 9060 (100 км) = 122 км.
r22r12 = A2A1 = 90W60W, r2 = 9060 (100 км) = 122 км.Значение
Дальность действия радиосигнала — это максимальное расстояние между передатчиком и приемником, при котором возможна нормальная работа. При отсутствии таких осложнений, как отражение от препятствий, интенсивность подчиняется закону обратных квадратов, и удвоение дальности потребует умножения мощности на четыре.XV. О передаче энергии в электромагнитном поле
Пространство, содержащее электрические токи, можно рассматривать как поле, в котором энергия преобразуется в определенных точках в электрическую и магнитную с помощью батарей, динамо, термоэлектрических воздействий и т. Д., В то время как в других частях поля эта энергия снова преобразуется в тепло, работу, совершаемую электромагнитными силами, или любую форму энергии, производимую токами.Раньше ток считался чем-то, движущимся по проводнику, при этом основное внимание уделялось проводнику, а энергия, которая появлялась в любой части цепи, если вообще учитывать, должна была передаваться туда через проводник посредством тока.
Но существование наведенных токов и электромагнитных воздействий на расстоянии от первичной цепи, из которой они получают свою энергию, привело нас под руководством Фарадея и Максвелла к тому, чтобы рассматривать среду, окружающую проводник, как играющую очень важную роль. в развитии явлений.Если мы верим в непрерывность движения энергии, то есть если мы полагаем, что когда она исчезает в одной точке и снова появляется в другой, она должна была пройти через промежуточное пространство, мы вынуждены заключить, что окружающая среда содержит по крайней мере часть энергии, и что она способна передавать ее от точки к точке. На этом основании Максвелл исследовал, какая энергия содержится в среде, и он дал выражения, которые приписывают каждой части поля количество энергии, зависящее от электродвижущей силы и магнитной напряженности, а также от природы вещества в этой части в отношении его удельной индуктивной емкости и магнитной проницаемости.Эти выражения учитывают, насколько нам известно, всю энергию.
Согласно теории Максвелла, токи состоят в основном в определенном распределении энергии внутри и вокруг проводника, сопровождаемом преобразованием и последующим перемещением энергии через поле.
Электроэнергия из магнитного поля Земли
& bullet; Physics 9, 91
Лазейка в результате классического электромагнетизма может позволить простому устройству на поверхности Земли генерировать крошечный электрический ток из магнитного поля планеты.
P. Reid / Univ. of Edinburgh
Отслеживание вращения Земли. Хотя магнитное поле Земли не выровнено точно с осью вращения планеты, есть компонент поля, симметричный относительно этой оси. Предлагаемое устройство, взаимодействующее с этим компонентом, будет извлекать энергию из вращения Земли для производства электроэнергии. Использование вращения Земли. Хотя магнитное поле Земли не выровнено точно с осью вращения планеты, есть компонент поля, симметричный относительно этой оси.
Предлагаемое устройство, взаимодействующее с этим компонентом … Показать еще P. Reid / Univ. Эдинбурга
Учет вращения Земли. Хотя магнитное поле Земли не выровнено точно с осью вращения планеты, есть компонент поля, симметричный относительно этой оси. Предлагаемое устройство, взаимодействующее с этим компонентом, будет извлекать энергию из вращения Земли для производства электроэнергии. ×Может показаться, что классическая электромагнитная теория преподнесет немного сюрпризов, но два исследователя утверждают, что один аспект полученной мудрости неверен.Теоретически они показывают, что устройство, пассивно сидящее на поверхности Земли, может генерировать электрический ток за счет взаимодействия с магнитным полем Земли. Мощность предлагаемого устройства будет измеряться в нановаттах, но, в принципе, ее можно увеличить.
Эксперимент столетней давности показал, что если любой электромагнит с цилиндрической симметрией (симметрией стержневого магнита) вращается вокруг своей длинной оси, его магнитное поле не вращается [1].
В магнитном поле Земли есть компонент, симметричный относительно оси вращения (который не совмещен с магнитными полюсами), поэтому согласно этому старому принципу осесимметричный компонент не вращается.Любой неподвижный объект на поверхности Земли проходит через эту составляющую поля, которая постоянна на любой заданной широте.
Другой основной результат электромагнетизма гласит, что электрический ток не будет развиваться внутри проводящего объекта, движущегося через однородное магнитное поле. Заряды внутри материала испытывают боковую силу, которая, в принципе, может производить ток. Но смещения электронов и ядер атомов быстро создают статическое электрическое поле, противодействующее магнитной силе.Равновесие между электрическими и магнитными силами устанавливается быстро, поэтому после небольшой начальной перестройки нет чистого движения заряда.
Этот принцип, кажется, подавляет любую идею о том, что стационарное устройство на поверхности Земли, движущееся с постоянной скоростью через невращающуюся часть поля Земли, может генерировать любую электрическую энергию.
Но Крис Чиба из Принстонского университета и Кевин Хэнд из Лаборатории реактивного движения в Пасадене, Калифорния, увидели путь вперед.
Чтобы создать ток в проводнике, им нужно было создать магнитную силу на электронах, которую нельзя было полностью нейтрализовать электрической силой. Используя то, что они называют лазейкой в традиционном аргументе о невозможности, теоретики показывают, что существуют конфигурации магнитных полей, которые нельзя устранить электрически; однако для этих конфигураций требуются особые условия.
Исследователи показывают, что такая конфигурация магнитного поля возможна в проводящей цилиндрической оболочке из материала с необычными магнитными свойствами.Во-первых, они указывают, что (как показали другие) магнитное поле внутри такой оболочки, расположенной на поверхности Земли, скажем, ориентированной вертикально на экваторе, значительно меньше поля снаружи. Когда этот объект движется через поле планеты, он постоянно сталкивается с однородным полем Земли и искажает его в некоторую неоднородную конфигурацию, при которой поле подавляется во внутреннем пространстве.
Если магнитные свойства материала оболочки препятствуют быстрому искажению входящего поля, то поле никогда не достигнет той конфигурации, в которой оно находилось бы в состоянии покоя.Чиба и Хэнд утверждают, что возникающая магнитная сила не может быть нейтрализована возникающим электрическим полем. Команда показывает, что в этой ситуации электрический ток может течь по определенным замкнутым путям внутри цилиндрической оболочки. Электроды могут подключаться к этому источнику энергии, который, как доказывают Чиба и Хэнд, в конечном итоге исходит из энергии вращения Земли.
Чтобы разработать свое новое устройство, Чибе и Хэнд понадобился проводящий материал с таким необычным магнитным откликом — сложная комбинация.В качестве примера такого материала они обнаружили марганцево-цинковый феррит под названием MN60, который имеет нужные свойства, будучи, по словам Чибы, «плохим проводником, проводимость которого составляет примерно одну десятую проводимости морской воды».
Во многом из-за плохой проводимости мощность, которую прогнозирует команда, мала.
Цилиндр длиной 20 см и диаметром 2 см будет генерировать десятки нановатт при десятках микровольт. Чиба думает, что есть способы увеличить эти цифры, но подчеркивает, что первая задача — это экспериментальное испытание, чтобы показать, что механизм действительно работает.
Филип Хьюз, радиоастроном из Мичиганского университета в Анн-Арборе, изучающий магнитогидродинамику астрофизических объектов, говорит, что механизм Чибы и Хэнда «основан на физике звука», но менее оптимистично настроен по поводу возможности масштабирования. Чиба говорит, что если механизм окажется правильным — а он непреклонен в том, что только эксперименты могут сказать наверняка, — он надеется, что инженеры поработают над улучшением результатов. Одна возможность, которую стоит изучить, предполагает он, — это двухслойный цилиндр, в котором медленный магнитный материал индуцирует геометрию поля, генерирующего ток, в соседнем материале с более высокой проводимостью.
Это исследование опубликовано в журнале « Physical Review Applied ».
–Дэвид Линдли
Дэвид Линдли — внештатный научный писатель из Александрии, штат Вирджиния.
Ссылки
- С. Дж. Барнетт, «Об электромагнитной индукции и относительном движении», Phys. Ред. (Серия I) 35 , 323 (1912).