57. Энергия и плотность энергии магнитного поля.

Магнитное поле обладает энергией. Подобно тому, как в заряженном конденсаторе имеется запас электрической энергии, в катушке, по виткам которой протекает ток, имеется запас магнитной энергии.

Таким образом, энергия Wм магнитного поля катушки с индуктивностью L, создаваемого током I, равна

Применим полученное выражение для энергии катушки к длинному соленоиду с магнитным сердечником. Используя приведенные выше формулы для коэффициента самоиндукции Lμ соленоида и для магнитного поля B, создаваемого током I, можно получить:

где V – объем соленоида. Это выражение показывает, что магнитная энергия локализована не в витках катушки, по которым протекает ток, а рассредоточена по всему объему, в котором создано магнитное поле. Физическая величина

равная энергии магнитного поля в единице объема, называется объемной плотностью магнитной энергии. Дж. Максвелл показал, что выражение для объемной плотности магнитной энергии, выведенное здесь для случая длинного соленоида, справедливо для любых магнитных полей.

58. Общая характеристика теории Максвелла для электромагнитного поля. Вихревое электрическое поле, первое уравнение Максвелла.

В 60-х годах прошлого столетия Д. К. Максвелл, основываясь на идеях Фарадея об электрическом и магнитном полях, обобщил за­коны, установленные экспериментальным путем, и разработал закон­ченную теорию единого электромагнитного поля, создаваемого произ­вольной системой зарядов и токов.

Теория Максвелла представляет собой феноменологическую те­орию электромагнитного поля. Это означает, что внутренний меха­низм явлений, происходящих в среде и вызывающих появление элек­трических и магнитных полей, в теории не рассматривается. Электрические и магнитные свойства среды характеризуются в теории Максвелла тремя величинами: относительной диэлектрической проницаемостью ε, относительной магнитной проницаемостью μ и удельной электрической проводимостью γ. Зависимость этих величин от свойств среды, физический смысл явлений, происходящих в ней при поляризации и намагничивании, в теории Максвелла не исследуются.

Теория Максвелла является макроскопической теорией электромагнитного поля. В ней рассматриваются электрические и магнитные поля, создаваемые макроскопическими зарядами и токами, т. е. зарядами, сосредоточенными в объемах, неизмеримо больших, чем объемы отдельных атомов и молекул. Кроме того, предполагается, что расстояния от источников полей до рассматриваемых точек пространства также во много раз больше размеров молекул. Поэтому заметные изменения полей, исследуемых в теории Максвелла, возможны только на протяжении расстояний, огромных по сравнению с размерами атомов и молекул. Наконец, периоды изменения переменных электрических и магнитных полей должны быть во много раз больше периодов внутримолекулярных процессов.

В теории Максвелла рассматриваются усредненные электрическое и магнитное поля, причем усреднение соответствующих микрополей производится для интервалов времени, значительно больших периодов обращения или колебания элементарных зарядов, и для участков поля, объемы которых во много раз больше объемов атомов и молекул.

ЭДС индукции, возбуждаемая в неподвижном замкнутом проводящем контуре, выражается формулой :

(21.1)

Тем самым было выяснено, что переменное магнитное поле создает в проводящем замкнутом контуре вихревое электрическое поле. Максвелл предложил считать, что соотношение (21.1) справедливо не только для проводящего, но и для любого замкнутого контура, мысленно выбранного в переменном магнитном поле. Иными словами, он предположил, что переменное магнитное поле создает в любой точке пространства вихревое электрическое поле независимо от того, находится в этой точке проводник или нет. Обобщенное таким образом равенство (21.1) называется первым уравнением Максвелла в интегральной форме: циркуляция вектора напряженности электрического поля по про­извольному замкнутому контуру L равна взятой в обратным знаком скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на контур.

Уравнение Максвелла (21.1) можно также записать в форме

где направление обхода контура L и векторов dS согласовано между собой по правилу буравчика.

59. Ток смещения, второе уравнение Максвелла. Полная система уравнений Максвелла.

Для количественной характеристики "магнитного действия" переменного электрического поля Максвелл ввел понятие тока смещения.

Током смещения сквозь произвольную поверхность S называет­ся физическая величина, численно равная потоку вектора плотности тока вмещения сквозь эту поверхность:

Максвелл обобщил закон полного тока, добавив в правую часть уравнения (21.11) ток смещения сквозь поверхность S, натянутую на замкнутый контур L:

Это равенство называется вторым уравнением Максвелла в интегральной форме. Оно показывает, что циркуляция вектора Н напряженности магнитного поля по произвольному замкнутому контуру L равна алгебраической сумме макротоков и тока смещения сквозь поверхность, натянутую на этот контур.

Полная система уравнений Максвелла имеет вид:

1. 

2. 

3. 

4.