Электрическое и магнитное поле: в чем различия

Термином «поле» в русском языке обозначают очень большое пространство однородного состава, например, пшеничное или картофельное. 

В физике и электротехнике его используют для описания различных видов материи, например, электромагнитной, состоящей из электрической и магнитной составляющих.

Электрический заряд связан с этими формами материи. Когда он неподвижен, то вокруг него всегда есть электрическое поле, а при движении образуется еще и магнитное. 

Представление человека о природе электрического (более точное определение — электростатического) поля сложилось на основе исследований опытным путем его свойств, ибо другого метода изучения пока не существует. При этом способе выявлено, что оно воздействует на движущиеся и/или неподвижные электрические заряды с определенной силой. По измерениям ее величины оценивают основные эксплуатационные характеристики. 

Электрическое поле

Оно образуется: 

• вокруг электрических зарядов (тел или частиц); 

• при изменениях магнитного поля, как, например, происходит во время перемещения электромагнитных волн. 

Изображают его силовыми линиями, которые принято показывать исходящими из положительных зарядов и оканчивающимися на отрицательных. Таким образом, заряды являются источниками электрического поля. По действию на них можно: 

• выявить наличие поля; 

• ввести калиброванную величину для измерения его значения. 

Для практического использования выбрана силовая характеристика, называемая напряженностью, которая оценивается по действию на единичный заряд положительного знака. 

Магнитное поле

Оно действует на: 

• электрические тела и заряды, находящиеся в движении с определённым усилием; 

• магнитные моменты без учета состояний их движения. 

Магнитное поле создается: 

• прохождением тока заряженных частиц; 

• суммированием магнитных моментов электронов внутри атомов или других частиц; 

• при временном изменении электрического поля. 

Его тоже изображают силовыми линиями, но они замкнуты по контуру, не имеют начала и конца в противоположность электрическим. 

Взаимодействие электрического и магнитного полей 

Первое теоретическое и математическое обоснование процессов, происходящих внутри электромагнитного поля, выполнил Джеймс Клерк Максвелл. Он представил систему уравнений дифференциальной и интегральной форм, в которых показал связи электромагнитного поля с электрическими зарядами и протекающими токами внутри сплошных сред либо вакуума. 

В своем труде он использовал законы: 

• Ампера, описывающие протекание тока по проводнику и создание вокруг него магнитной индукции; 

• Фарадея, объясняющего возникновение электрического тока от воздействия переменного магнитного поля на замкнутый проводник. 

Труды Максвелла определили точные соотношения между проявлениями электрических и магнитных полей, зависящих от распределенных в пространстве зарядов.

После публикации работ Максвелла прошло уже много времени. Ученые постоянно изучают проявления опытных фактов между электрическими и магнитными полями, но даже сейчас не особо получается выяснить их природу. Результаты ограничиваются чисто практическим применением рассматриваемых явлений. 

Объясняется это тем, что с нашим уровнем знаний можно только строить гипотезы, ибо пока мы способны лишь предполагать что-то. Ведь природа обладает неисчерпаемыми свойствами, которые еще предстоит много и длительно изучать. 

Сравнительная характеристика электрического и магнитного полей 

Источники образования 

Взаимную связь между полями электричества и магнетизма помогает понять очевидный факт: они не обособленны, а связаны, но могут проявляться по-разному, являясь единым целым — электромагнитным полем.  

Если представить, что в какой-то точке пространства создано неоднородное поле электрического заряда, неподвижное относительно поверхности Земли, то определить вокруг него магнитное поле в состоянии покоя не получится.

Если же наблюдатель начнет перемещаться относительно этого заряда, то поле станет меняться по времени и электрическая составляющая образует уже магнитную, которую сможет увидеть своими измерительными приборами настойчивый исследователь. 

Аналогичным образом эти явления проявятся тогда, когда на какой-то поверхности расположен неподвижный магнит, создающий магнитное поле. Когда наблюдатель станет перемещаться относительно него, то он обнаружит появление электрического тока. Этот процесс описывает явление электромагнитной индукции. 

Поэтому говорить о том, что в рассматриваемой точке пространства имеется только одно из двух полей: электрическое или магнитное, не имеет особого смысла. Этот вопрос надо ставить применительно к системе отсчета: 

• стационарной;

• подвижной. 

Другими словами, система отсчета влияет на проявление электрического и магнитного поля таким же образом, как рассматривание пейзажей сквозь светофильтры различных оттенков. Изменение цвета стекол влияет на наше восприятие общей картинки, но, оно, даже если принять за основу естественный свет, создаваемый проходом солнечных лучей через воздушную атмосферу, не даст истинной картины в целом, исказит ее. 

Значит, система отсчета является одним из способов изучения электромагнитного поля, позволяет судить о его свойствах, конфигурации. Но, она не обладает абсолютной значимостью. 

Индикаторы электромагнитных полей 

Электрическое поле 

Электрически заряженные тела используют в качестве индикаторов, указывающих на наличие поля в определенном месте пространства. Ими, для наблюдения электрической составляющей, могут использоваться наэлектризованные мелкие кусочки бумаги, шарики, гильзы, «султаны».

Рассмотрим пример, когда по обе стороны плоского наэлектризованного диэлектрика расположены на свободном подвесе два индикаторных шарика. Они будут одинаково притягиваться к его поверхности и вытянутся в единую линию. 

На втором этапе между одним из шариков и наэлектризованным диэлектриком поместим плоскую металлическую пластину. Она не изменит действующие на индикаторы силы. Шарики не поменяют свое положение. 

Третий этап эксперимента связан с заземлением металлического листа. Сразу только как это произойдет, индикаторный шарик, расположенный между наэлектризованным диэлектриком и заземленным металлом, изменит свое положение, сменив направление на вертикальное. Он перестанет притягиваться к пластине и будет подвержен только гравитационным силам тяжести. 

Этот опыт показывает, что заземленные металлические экраны блокируют распространение силовых линий электрического поля. 

Магнитное поле 

В этом случае индикаторами могут выступать: 

• стальные опилки; 

• замкнутый контур с протекающим по нему электрическим током; 

• магнитная стрелка (пример с компасом). 

Принцип распределения опилок из стали вдоль магнитных силовых линий является наиболее распространенным. Он же заложен в работу магнитной стрелки, которая, для уменьшения противодействия сил трения, закрепляется на остром наконечнике и этим получает дополнительную свободу для вращения. 

Законы, описывающие взаимодействия полей с заряженными телами 

Электрические поля 

Прояснению картины процессов, происходящих внутри электрических полей, послужили опытные работы Кулона, осуществляемые с точечными зарядами, подвешенными на тонкой и длинной нити из кварца.

Когда к ним приближали заряженный шарик, то последний влиял на их положение, заставляя отклоняться на определенную величину. Это значение фиксировалось на лимбе шкалы специально сконструированного прибора. 

Таким способом были выявлены силы взаимного действия между электрическими зарядами, называемые электрическим, Кулоновским взаимодействием. Они описаны математическими формулами, позволяющими проводить предварительные расчеты проектируемых устройств.

Магнитные поля 

Здесь хорошо работает закон, описанный Ампером на основе взаимодействия проводника с током, размещенного внутри магнитных силовых линий.

Для направления действия силы, осуществляющей воздействие на проводник с протекающим по нему током, применяют правило, использующее расположение пальцев на левой руке. Четыре соединенных вместе пальца необходимо расположить по направлению тока, а силовые линии магнитного поля должны входить в ладонь. Тогда оттопыренный большой палец укажет направление действия искомой силы. 

Графические изображения полей 

Для их обозначения на плоскости чертежа используются силовые линии. 

Электрические поля 

Для обозначения линий напряженности в этой ситуации используют потенциальное поле, когда имеются неподвижные заряды. Силовая линия выходит из положительного заряда и направляется в отрицательный. 

Примером моделирования электрического поля может служить вариант размещения кристаллов хинина в масле. Более современным способом считается использование компьютерных программ графических проектировщиков. 

Они позволяют создавать изображения эквипотенциальных поверхностей, судить о численном значении электрического поля, анализировать различные ситуации.

Магнитные поля 

У них для наглядности отображения применяются линии, характерные для вихревого поля, когда они замкнуты единым контуром. Приведенный ранее пример со стальными опилками наглядно отображает это явление. 

Силовые характеристики 

Их принято выражать векторными величинами, имеющими: 

• определённое направление действия; 

• значение силы, рассчитываемое по соответствующей формуле. 

Электрические поля 

Вектор напряженности электрического поля у единичного заряда можно представить в форме трехмерного изображения.

Его величина: 

• направлена от центра заряда; 

• имеет размерность, зависящую от способа вычисления; 

• определяется бесконтактным действием, то есть на расстоянии, как отношение действующей силы к заряду. 

Магнитные поля 

Напряженность, возникающую в катушке, можно рассмотреть на примере следующей картинки.

Силовые магнитные линии в ней от каждого витка с внешней стороны имеют одинаковое направление и складываются. Внутри межвиткового пространства они направлены встречно. За счет этого внутреннее поле ослаблено. 

На величину напряженности влияют: 

• сила проходящего по обмотке тока; 

• количество и плотность намотки витков, определяющих осевую длину катушки. 

Повышенные токи увеличивают магнитодвижущую силу. Кроме того, в двух катушках с равным числом витков, но разной плотностью их намотки, при прохождении одного и того же тока эта сила будет выше там, где витки расположены ближе. 

Таким образом, электрическое и магнитное поля имеют совершенно определенные отличия, но являются взаимосвязанными составляющими единого общего — электромагнитного.