Магнитное поле – внеурочная деятельность (конкурсная работа) – Корпорация Российский учебник (издательство Дрофа – Вентана)

Внимание! Администрация сайта rosuchebnik.ru не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.

• Участник: Обрезкова Алиса Сергеевна
• Руководитель: Гурьянова Галина Александровна

Техника безопасности

1. Будьте внимательны, дисциплинированны, аккуратны, точно выполняйте указания учителя.
2. Перед тем как приступить к выполнению работы, тщательно изучите её описание, уясните ход её выполнения.
3. Не оставляйте рабочего места без разрешения учителя.
4. Располагайте приборы, материалы, оборудование на рабочем месте в порядке, указанном учителем.
5. Не держите на рабочем столе предметы, не требующиеся при выполнении задания.
6. Не устанавливайте на краю стола штатив, во избежание его падения.
7. После выполнения измерений электронным секундомером выключите его, отсоединив разъём.
8. Источник тока электрической цепи подключайте в последнюю очередь. Не включать собранную цепь без проверки и разрешения учителя.
9. При сборке электрической цепи провода располагайте аккуратно, а наконечники плотно соединяйте с клеммами.
10. Следите, чтобы изоляция проводов была исправна, а на концах проводников были наконечники.
11. Не касайтесь руками мест соединений. Не использовать провода с нарушенной изоляцией. Все изменения в цепи производите после отключения источника тока.
12. При проведении опытов не допускайте предельных нагрузок измерительных приборов. После снятия показаний цепь разомкнуть. По указанию учителя разобрать цепь.
13. При сборке электрической цепи провода располагайте аккуратно, а наконечники плотно соединяйте с клеммами.
14. Обнаружив неисправность в электрических устройствах, находящихся под напряжением, немедленно отключите источник электропитания и сообщите об этом учителю.
15. Берегите оборудование и используйте его по назначению.
16. При получении травмы обратитесь к учителю.

Введение

В своей работе по теме «Магнитное поле» я проведу и объясню три эксперимента, описанные в учебнике Перышкина А.В. Физика. 8 класс.

Цель работы: расширение кругозора, повышение эрудиции, развитие интереса к экспериментальной физике, умений демонстрировать и объяснять опыты, научиться работать самостоятельно.

Выдвигаемая гипотеза: проверить на опытах предположение, что вокруг проводника с электрическим током существует магнитное поле, которое возможно имеет закономерность в направлении и связано с направлением тока.

Магнитные явления были известны ещё в древнем мире: компас был изобретён более 4000 лет назад, и к XII веку он стал известен в Европе. Однако только в XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом, и возникло представление о магнитном поле.

Первыми экспериментами, показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется связь, были опыты датского физика Х.Эрстеда (1777-1851). В своём знаменитом опыте, описываемом ныне во всех школьных учебниках физики и проведённом в 1820 году, он обнаружил, что провод, по которому идёт ток, действует на магнитную стрелку (то есть подвижный магнит).

Эрстед не только провёл свой опыт, но и сделал правильный вывод: «электрический конфликт не ограничен проводящей проволокой, а имеет довольно обширную сферу активности вокруг этой проволоки». Переводя на современный язык, это можно понимать так: «действие тока есть не только внутри провода (его нагревание), но и вокруг (магнитное поле)».

Открытие Эрстеда вызвало необычайный интерес его современников-физиков и послужило началом ряда исследований, показавших сходство магнитного действия тока и действия постоянного магнита. Для поиска ответа проделаем опыт.

Опыт № 1.

Дугообразный электромагнит

Возьму дугообразный электромагнит и закреплю его в штативе. Соединю катушки электромагнита через ключ с источником тока. Поднесу якорь к сердечнику и замкну ключ. Якорь притянулся к сердечнику. На крючок якоря буду подвешивать грузы 0,5 кг, потом 1 кг. Якорь не отрывается. Разомкну ключ, и грузы упадут.

Вывод из опыта № 1

Вокруг катушки с током существует магнитное поле. Железо, введенное внутрь катушки, усиливает магнитное действие катушки. Намагничивается сердечник и притягивает якорь с подвешенным грузом. Катушка с током, как и магнитная стрелка, имеет два полюса – северный и южный. Электромагниты обладают большой подъемной силой.

4 мая 1825 года Вильям Стерджен (английский ученый) на заседании Британского общества ремесел продемонстрировал работу своего электромагнита. Это был согнутый в виде подковы железный стержень длиной 30 см и диаметром 1,3 см. На нем в один слой была намотана медная проволока, подключенная к химическому источнику тока.

Электромагнит Стерджена удерживал груз, весом в 1,5 раза превосходящим вес самого магнита. При весе в 2 кг он поднимал металлический груз в 3,6 кг. На тот момент он был намного мощнее природных магнитов того же размера. Еще в 1823 году ученый на основе электромагнита построил «вращающееся колесо Стерджена» — по сути первую модель электромотора.

Стерджена, Джеймс Джоуль, экспериментируя с электромагнитом учителя, в том же 1825 году смог увеличить подъемную силу до 20 кг. С этого момента начинается своеобразная гонка между учеными по совершенствованию электромагнита и наращиванию его подъемной силы. Через семь лет после своего изобретения Уильям Стерджен создает электромагнит с подъемной силой в 160 кг, а еще через восемь лет – электромагнит с подъемной силой в 550 кг.

Кстати подковообразная форма электромагнита, очень удачная как показали дальнейшие исследования, была выбрана Уильямом Стердженом чисто случайно. Эта форма используются и по сей день. Хотя конечно же в наше время изготавливаются электромагниты самых разнообразных форм.

Вскоре после того, как было построено еще несколько крупных магнитов и все убедились в их силе, надежности, компактности и удобстве, было предложено использовать электромагниты для подъема железных и стальных деталей на металлургических и металлообрабатывающих заводах.

В России вплоть до революции Общество конно-железных дорог и омнибусов использовало магниты для очистки овса от железных гвоздей. В Европе и Америке магниты широко применяли на мельницах по очистке зерна.

В 30-х годах нашего столетия был создан один из крупнейших электромагнитов, предназначенный для устройства, с помощью которого разрушали бракованное литье. Груз, выполняющий эту операцию, весил 200000 Н. Использование электромагнита в этом устройстве позволяло сбрасывать груз обычным поворотом выключателя.

Вскоре были созданы еще более крупные магниты, способные поднимать груз весом до 500000 Н.

Магнитная очистка зерна на мельницах стала прообразом одного из чрезвычайно важных в настоящее время применений магнитов. Речь идет о так называемых магнитах сепараторах. Принцип их действия состоит в том, что смесь полезного вещества и «пустой породы» подается по конвейеру и проходит мимо полюсов магнита. Если пустая порода магнитна, то она будет извлечена из смеси. Принцип сепаратора с использованием естественных магнитов был предложен еще в 1792 г., т.е. до изобретения электромагнита.

Электромагниты нашли широкое применение в промышленности, технике, медицине. Например, в батискафе французского профессора Пиккара, исследовавшего не так давно глубочайшие океанские впадины, мощный электромагнит удерживал железный балласт.

С их помощью можно также поднимать и перемещать массивные объекты, например, автомобили перед утилизацией. Они также используются в транспортировке. Поезда в Азии и Европе используют электромагниты для перевозки автомобилей. Это помогает им двигаться на феноменальных скоростях.

Генеральный директор компании Walker Magnetics, г-н Брайан Твейтс с гордостью представляет самый большой в мире подвесной электромагнит. Его вес (88 т) примерно на 22 т превышает вес действующего победителя Книги Рекордов Гиннеса из США. Его грузоподъемность составляет приблизительно 270 тонн

. 

Электромагниты получили настолько широкое распространение, что трудно назвать область техники, где бы они не применялись в том или ином виде. Они содержатся во многих бытовых приборах — электробритвах, магнитофонах, телевизорах и т.п. Устройства техники связи — телефония, телеграфия и радио немыслимы без их применения.

Электромагниты являются неотъемлемой частью электрических машин, многих устройств промышленной автоматики, аппаратуры регулирования и защиты разнообразных электротехнических установок. Развивающейся областью применения электромагнитов является медицинская аппаратура.

Наконец, гигантские электромагниты для ускорения элементарных частиц применяются в синхрофазотронах.

Вес электромагнитов колеблется от долей грамма до сотен тонн, а потребляемая при их работе электрическая мощность — от милливатт до десятков тысяч киловатт.

Опыт № 2. Магнитные линии катушки с током

Возьму катушку, смонтированную на подставке из оргстекла, соединю ее через ключ с источником тока. На подставку насыпаю ровным слоем металлические опилки. Замыкаю ключ и чуть-чуть постукиваю по платформе. Цепочки, которые образуют в магнитном поле железные опилки, показывают форму магнитных линий магнитного поля. Магнитные линии магнитного поля катушки с током являются замкнутыми линиями. Вне катушки они направлены от северного полюса катушки к южному.

Вывод из опыта № 2

1. Вокруг катушки с током есть магнитное поле 
2. Катушка с током похожа на полосовой магнит и у нее есть тоже два полюса – северный и южный
3. Чем больше число витков в катушке, тем сильнее её магнитное поле.
4. Чем больше сила тока, тем сильнее магнитное поле.
5. Наличие сердечника усиливает магнитное поле.

Цилиндрическую катушку индуктивности, длина которой на много превышает диаметр называют соленоидом, магнитное поле внутри длинного соленоида однородно.

Опыт № 3. Магнитное поле прямого проводника с током

Беру прибор, в котором прямой проводник пропущен сквозь лист картона. На картон насыпаю тонкий и равномерный слой железных опилок, включаю ток, и опилки слегка встряхиваю. Под действием магнитного поля тока железные опилки располагаются вокруг проводника не беспорядочно, а по концентрическим окружностям.

Вывод из опыта № 3

Магнитные линии магнитного поля тока представляют собой кривые, охватывающие проводник.

Вывод из проделанных опытов

Проведенные опыты подтверждают выдвинутую гипотезу. Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током, т.е. вокруг движущихся электрических зарядов. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга. Ток следует рассматривать как источник магнитного поля.

Человека пронизывают мириады магнитных полей различного происхождения. Мы привыкли к магниту и относимся к нему снисходительно, как к устаревшему атрибуту школьных уроков физики, порой даже не подозревая, сколько магнитов вокруг нас. Я подсчитала – у меня в квартире их десятки: в электробритве, динамике, магнитофоне, в банке с гвоздями, наконец, я сама тоже магнит: биотоки, текущие во мне, рождаю вокруг причудливый пульсирующий узор магнитных линий. Земля, на которой мы живем, — гигантский голубой магнит. Солнце – желтый плазменный шар – еще более грандиозный магнит. Галактики и туманности, едва различимые радиотелескопами, — непостижимые по размерам магниты…

Ссылка на видеоролик: https://yadi.sk/i/fEaNL3z_3Jfbx3

Что такое магнитное поле, его свойства и источники

Опубликовано: 22 апреля 2021, 12:21

Магнитное поле: Freepick

Что такое магнитное поле? Физика легко объясняет все явления природы, в том числе и невидимые, а потому дает ответ и на этот вопрос. Оказывается, в некоторых веществах есть свободные электроны, движение которых и создает особенные поля. Обсудим их секреты подробнее.

Что такое магнитное поле, его свойства

Многие видели и держали в руках магниты. Легко заметить ту силу, которая возникает между ними.

Каждый магнит обладает двумя полюсами: противоположные притягиваются, а одинаковые отталкиваются. Кроме того, магниты всегда окружены областью, где эта сила возникает. Магнитные поля как раз и описывают такую силу.

Таким образом, магнитное поле — это концепция, которую используют, чтобы описать то, как сила распределяется в пространстве вокруг магнита и в нем самом. Впервые на это явление обратил внимание французский ученый Перегрин, а затем исследовали Ампер и Фарадей.

Явление магнетизма и магнитных полей — одна из составляющих электромагнитных сил, которые для природы базовые. Появляется магнитное поле там, где происходит движение зарядов. Когда большие заряды двигаются с высокими скоростями, то сила магнитного поля возрастает.

Магнитное поле вокруг магнита: Freepick

Какова природа магнитного поля? Существуют способы, которые организовывают движение зарядов так, чтобы они такое поле порождали. Например:

• Можно пустить ток по проводнику, присоединенному к батарее. Если силу тока увеличивать (то есть наращивать количество движущихся зарядов), то пропорционально усилится и магнитное поле. Его сила будет уменьшаться пропорционально расстоянию от проводника. Данное явление называют закон Ампера.
• Можно использовать свойства электронов. Они имеют отрицательный заряд и совершают движение вокруг ядра атомов, что и есть основой принципа работы постоянного магнита. Не все материалы получится намагнитить. Для этого необходимы один или несколько так называемых непарных электронов (обычно электроны всегда образуют пары). Например, у атома железа есть четыре непарных электрона, поэтому из такого материала получится хороший магнит.

Каждый кусочек любого материала состоит из миллиардов атомов. Когда они ориентируются в пространстве произвольно, то их поле угасает, даже при наличии непарных электронов. Только в стабильных веществах можно получить постоянную ориентацию электронов, то есть постоянный магнит или ферромагнетик.

Некоторым материалам для этой цели необходим внешний источник магнитного поля. Оно способно сориентировать вращение электронов и задать им нужное направление, но стоит исчезнуть внешнему полю, и общая ориентация тоже пропадет. Такие материалы получили название парамагнетиков.

Хороший пример парамагнетика — металлическая дверца холодильников. Сама по себе она не магнит, но может притягивать приложенные к ней магниты. Это свойство многие используют, когда с помощью магнита крепят к дверце холодильника список покупок или записку.

Экспериментально подтвержденные свойства магнитного поля таковы:

• оно материальное, то есть существует в объективной реальности, даже если о нем не знаем;
• его порождают лишь движущиеся электрические заряды, то есть любое движущееся заряженное тело окружено таким полем. Магнитные поля создаются и магнитами, но и в этом случае причина появления кроется в движении электронов. Переменные электрические поля также создают их;
• обнаруживают данные поля, действуя некоторой силой на движущиеся электрические заряды или проводники с током;
• в пространстве его распространение происходит со скоростью, которая равна скорости света в условиях вакуума.

Таким образом, магнитное поле, определение которому дали выше, — это явление загадочное и невидимое, но в то же время вполне объяснимое.

Магнитное поле: источники, измерение

Источниками магнитных полей считаются:

• Электрические поля, меняющиеся во времени.
• Подвижный заряд.
• Постоянный магнит.

Магниты разного размера: Freepick

С детства сталкиваемся с постоянными магнитами:

1. Они применяются как игрушки, которые притягивают детали из металла.
2. Их часто прикрепляют к холодильнику.
3. Используют как встроенные части в игрушках.

Движущиеся электрические заряды, если сравнивать их с постоянными магнитами, обладают большей магнитной энергией.

Если магнитное поле нельзя увидеть, то как его изобразить? Физики предложили следующие способы:

1. Магнитные поля описывают с помощью математики как векторные. Их изображают как упорядоченную сетку множества векторов. Каждый из них направлен в свою сторону, а длина определяется величиной магнитной силы. Если бы много маленьких компасов выложили в определенном порядке, картинка получила бы такая же, вот только силу поля узнать бы не удалось.
2. Также используют силовые линии магнитного поля. В этом случае вместо сетки векторы соединяют плавные линии. При этом рисуют столько линий, сколько захочется.

Во втором виде изображения есть такие преимущества:

• Силовые линии магнитных полей не пересекаются.
• Они расположены тем плотнее, чем выше индукция (сила) магнитного поля.
• Данные линии изображают в виде замкнутых циклов, то есть у них есть начало и конец с продолжением внутри магнита.

Чтобы указать направление поля, применяют стрелочки, расставленные вдоль силовых линий. Иногда применяют и другие обозначения. Традиционно полюса магнита обозначают как «север» и «юг», а силовые линии изображают по направлению от одного полюса ко второму.

По этой причине их обычным направлением считается направление с севера на юг. Концы источника магнитного поля часто подписывают английскими буквами N (север) и S (юг).

Полюбоваться силовыми линиями может каждый. Для этого:

• Магнитные опилки надо высыпать на ровную поверхность рядом с источником магнитного поля.
• Металлические частицы начнут вести себя подобно крошечному магниту с южным и северным полюсами.
• Опилки постепенно образуют отдельные области благодаря отталкиванию одинаковых полюсов.
• В результате получится рисунок силовых линий.

Так обычно выглядит основная картина, а свойства материала опилок определяют положение и плотность линий.

Магнит, притягивающий скрепки: Freepick

Наконец, магнитное поле как векторную величину можно описать и измерить. Для этого понадобится сила и направление:

1. С направлением все просто. С его определения берут магнитный компас и ждут, пока стрелка остановится на силовой линии. Такие компасы были известны мореплавателям еще в XI веке. Кроме того, пользуются правилом сжатой правой руки (когда правая рука обхватывает проводник, а большой палец показывает направление тока, то другие пальцы указывают направление поля).
2. С силой немного сложнее. Приборы под названием магнитометры были изобретены лишь в XIX веке. Большинство из них способно рассчитать силу, которая действует на электрон, движущийся в поле.

Точные измерения слабых магнитных полей начались после открытия в 1988 году эффекта гигантского магнетосопротивления. Им обладают материалы, которые составлены из особенных тонких пленок.

Интересно, что это открытие фундаментальной физики стало применяться для хранения информации на жестких дисках компьютеров. В итоге плотность записи на магнитном носителе выросла в тысячи раз буквально в течение нескольких лет. В 2007 году ученые Ферт и Грюнберг за это открытие были награждены Нобелевской премией по физике.

Согласно международной системе единиц, силу (индукцию) магнитных полей измеряют в тесла (обозначают Тл, назвали в честь Николы Теслы). Тесла — это такая величина силы, которая действует на движущийся заряд от магнитного поля. Так, маленький магнит, который повесили на холодильник, создаст индукцию примерно 0,001 Тл, в то время как индукция магнитного поля нашей планеты составляет 5×10⁻⁵ Тл.

Иногда ученые пользуются альтернативной единицей измерения под названием гаусс (обозначают Гс). Преобразовываются эти единицы измерений достаточно легко: 1 Тл = 10⁴ Гс. Причиной применения единицы Гс стало то, что 1 тесла — это слишком высокая величина для индукции.

В формулах величину магнитной индукции обозначают символом BBB. Иногда встречается термин «напряженность магнитного поля» с обозначением символом HHH. Обе эти величины измеряют в одних и тех же единицах, но в напряженности учитывается магнитное поле, которое есть внутри магнита. В решении простых задач, где действие происходит в воздухе, этой разницей можно пренебречь.

О том, что такое магнитное поле, больше знаем из практики, но не всегда разбираемся в теории. Оказывается, что невидимые магнитные поля вполне реальны и создаются движением электронов. Их направление указывают стрелки компасов, а силу измеряют специальные приборы.

Оригинал статьи: https://www.nur.kz/family/school/1909092-chto-takoe-magnitnoe-pole-ego-svoystva-i-istochniki/

земля — ​​Существует ли магнитное поле во всем космосе?

спросил 2 года, 7 месяцев назад

Изменено 2 года, 7 месяцев назад

Просмотрено 172 раза

$\begingroup$

Мой вопрос довольно субъективен, и я не смог найти подходящего объяснения тому, существует ли магнитное поле в космосе за пределами Земли. Я прочитал одну из статей, в которой говорилось

---

Обнаружены межзвездные пылевые облака с полями величиной в несколько миллигаусс; примерно в 1000 раз сильнее, чем среднее магнитное поле Млечного Пути. Когда эти облака схлопываются, поля усиливаются, и некоторые теоретики считают, что магнитные поля могут на самом деле поддерживать многие «молекулярные облака» от быстрого коллапса. Вот почему кажется, что в межзвездном пространстве так много этих нестабильных облаков. В космологическом масштабе нет данных, позволяющих предположить наличие магнитных полей. Они, конечно, не важны в динамике Вселенной для любого разумного диапазона напряженности поля, совместимого с нынешними наблюдательными ограничениями.

Я сомневаюсь, что магнитное поле в космосе влияет на нашу жизнь на Земле и как межзвездные облака имеют магнитное поле, как оно возникло. Это из-за зарядов и ионов?

• магнитные поля
• земля
• геомагнетизм
• мягкая материя
• межзвездная материя

$\endgroup$

1

$\begingroup$

В космологическом масштабе нет данных, указывающих на наличие магнитных полей.

С другой стороны, теория говорит нам, что магнитные поля есть везде. Когда создается магнитное поле, оно распространяется наружу со скоростью света и никогда не останавливается. Кроме того, любое магнитное поле, существовавшее в ранней Вселенной, было бы сильно растянуто на космологические расстояния в результате Вселенского расширения.

Но магнитные поля очень резко затухают с расстоянием по кубическому закону, который более суров, чем квадратичный закон, управляющий исчезновением электро- магнитное излучение с расстояния. Таким образом, в космологических масштабах такие магнитные поля будут настолько слабыми, что их обнаружение станет невозможным. Это объясняет, почему никакие данные о них не могут быть собраны.

Магнитное поле создается всякий раз, когда движется электрический заряд. Так что все, что вам нужно для его создания, — это немного ионизированного материала и какой-то эффект, который посылает электроны и ионы в разные стороны. В космологии самой распространенной причиной является ионизирующее излучение — ультрафиолетовое, рентгеновское или гамма-лучи. Звезды также создают сильные локальные магнитные поля, которые они могут иногда выбрасывать в космос. Черные дыры и сверхновые — хорошие источники необходимых ингредиентов; время и Вселенское расширение делают все остальное (по иронии судьбы, парадоксально или красиво по выбору, умирающие магнитные поля, поглощаемые черной дырой, являются нашим лучшим кандидатом на роль метателей материи и излучения для создания новых магнитных полей).

Единственными магнитными полями, достаточно сильными, чтобы повлиять на жизнь на Земле, являются те, которые выбрасываются Солнцем во время солнечных вспышек. Они могут проникать в наши собственные пояса полей Ван Аллена, вызывая всплески радиации, а иногда даже выводя из строя наземные линии электропередач и орбитальные спутники.

$\endgroup$

$\begingroup$

Заряженный объект изменяет магнитное поле в пространстве вокруг себя при движении.

С точки зрения классического электричества и магнетизма, электрическое и магнитное поля неразрывно связаны между собой в соответствии с уравнениями Максвелла. Они описывают, что движение электрического заряда вызывает изменение магнитного поля.

Когда электричество передается от электростанций, они используют Переменный ток Переменный ток, потому что переменный электрический ток может легко индуцировать магнитное поле. Таким образом, они могут передавать энергию с высоким напряжением и низким током (для эффективности), а затем эффективно преобразовывать мощность в более низкое напряжение (для безопасности) с более высоким током. Это превращение происходит в «трансформере»… Я знаю, очень креативно.

Я привожу этот пример, потому что хорошо известно, что на Земле, как и в космосе, движение зарядов индуцирует магнитные поля. Это одно и то же явление, будь то электроны в медной проволоке или плазма, выбрасываемая из звезды.*

*Все это становится немного сложнее либо для моделирования с точки зрения квантовой механики, либо для наблюдения с больших расстояний.

$\endgroup$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Как магнитное поле просто электрическое поле с применением теории относительности?

Категория: Физика      Опубликовано: 18 февраля 2016 г.

Изображение общественного достояния, источник: Кристофер С. Бэрд

Это заблуждение. Магнитное поле — это не просто электрическое поле с применением теории относительности, то есть электрическое поле, рассматриваемое из неправильной системы отсчета. В действительности магнитное поле — это фундаментальное поле, которое может существовать в определенной системе отсчета, не нуждаясь в помощи электрического поля. В более общем смысле, как электрические, так и магнитные поля являются частью одной фундаментальной единой сущности: электромагнитного поля.

Электрические и магнитные поля подчиняются набору физических законов, называемых уравнениями Максвелла. Теория специальной теории относительности Эйнштейна описывает, как пространство и время изменяются в зависимости от выбора инерциальной системы отсчета. Оказывается, специальная теория относительности автоматически содержится в уравнениях Максвелла. На самом деле Эйнштейн открыл специальную теорию относительности, внимательно изучив и поняв уравнения Максвелла. Следовательно, используя уравнения Максвелла в релятивистской форме, мы можем выяснить, как математически преобразовать электрические и магнитные поля из одной системы отсчета в другую. Другими словами, если я измеряю и наношу на карту электрические и магнитные поля в комнате, пока я стою неподвижно на земле, то, применяя преобразования релятивистской системы отсчета к этим выражениям поля, я знаю, как поля будут выглядеть для наблюдателя, который катается по комнате на роликовых коньках. Экспериментально подтверждено правильность этих электромагнитных релятивистских уравнений преобразования системы отсчета.

Если вы начнете с системы отсчета, в которой есть только электрическое поле и нет магнитного поля, то, когда вы сделаете релятивистское преобразование к новой системе отсчета, вы обнаружите, что присутствуют как электрическое поле, так и магнитное поле, как это наблюдается в этот новый кадр. Этот факт, кажется, подразумевает, что магнитное поле — это только электрическое поле, если смотреть из неправильной системы отсчета. Другими словами, этот факт, по-видимому, подразумевает, что магнитное поле на самом деле является просто нефундаментальной релятивистской версией электрического поля. Однако более внимательное изучение полей показывает, что этот вывод неверен.

Во-первых, специальная теория относительности учит нас тому, что все инерциальные системы отсчета одинаково действительны и одинаково фундаментальны. Если два шарика катятся мимо друг друга, то с точки зрения красного шарика красный шарик неподвижен, а синий шарик движется. С точки зрения синего шарика, синий шарик неподвижен, а красный шарик движется. Обе точки зрения одинаково правильны и одинаково фундаментальны. Тот факт, что два шарика видят ситуацию по-разному, не означает, что существует парадокс, что физика нарушена или что одна точка зрения в конечном счете более верна, чем другая. Это просто означает, что ситуация измеряется в двух разных системах отсчета. Во Вселенной нет «неправильных» систем отсчета или менее фундаментальных систем отсчета. Следовательно, магнитное поле не может быть только электрическое поле, если смотреть из неправильной системы отсчета, потому что нет неправильных систем отсчета. Поскольку существует инерциальная система отсчета, в которой существует магнитное поле без присутствия электрического поля, и поскольку каждая инерциальная система отсчета реальна и фундаментальна, это означает, что магнитное поле является реальным, фундаментальным и не обязательно вызвано электрическим полем. поле.

Во-вторых, используя уравнения преобразования электромагнитной релятивистской системы отсчета, вы можете показать, что нет способа начать с чисто электрического поля (отсутствует магнитное поле) и преобразовать его в систему отсчета, где есть чисто магнитное поле (отсутствует электрическое поле). ). Это означает, что если бы магнитное поле было только электрическим полем, если смотреть из неправильной системы отсчета, то чисто магнитных полей не существовало бы. Однако существуют чисто магнитные поля. Следовательно, магнитные поля — это больше, чем просто релятивистские электрические поля.

Правильное утверждение состоит в том, что электрические поля и магнитные поля фундаментальны, оба реальны и оба являются частью одной единой сущности: электромагнитного поля. В зависимости от того, в какой системе отсчета вы находитесь, конкретное электромагнитное поле будет выглядеть более электрическим и менее магнитным или более магнитным и менее электрическим. Однако это не меняет того факта, что они оба фундаментальны и оба являются частью одного и того же единого целого. Чисто электрическое поле, рассматриваемое в одной инерциальной системе отсчета, является частично электрическим и частично магнитным во всех других системах отсчета. Точно так же чисто магнитное поле, рассматриваемое в одной инерциальной системе отсчета, является частично электрическим и частично магнитным во всех других системах отсчета. Магнитное поле — это не просто релятивистская версия электрического поля, а электрическое поле — это не просто релятивистская версия магнитного поля. Скорее, единое электромагнитное поле является изначально и самосогласованно релятивистским.

Обратите внимание, что ради обсуждения я проигнорировал квантовые эффекты. Наиболее точным описанием электромагнитных полей в настоящее время являются не исходные уравнения Максвелла, а квантовая форма уравнений Максвелла, которая называется квантовой электродинамикой. Однако, поскольку квантовая электродинамика просто расширяет уравнения Максвелла, а не заменяет их, все концепции в этой статье остаются в силе.

Также обратите внимание, что в этой статье я часто использовал слово «инерционный». Это означает, что мы рассматриваем только системы отсчета, которые имеют плоское пространство-время, то есть системы отсчета, которые не ускоряются и не имеют большой гравитации. Чтобы описать неинерциальные системы отсчета, вы должны использовать общую теорию относительности Эйнштейна, которая сложнее, чем специальная теория относительности. Однако, поскольку вывод тот же (электромагнитное поле едино и фундаментально), я для простоты описал эту статью в контексте инерциальных систем отсчета.