Электромагнитное поле и его статические составляющие

Электромагнитное поле (ЭМП)— особая форма материи. Посредством электромагнитного поля осуществляется взаимодействие между заряженными частицами. ЭМП характеризуется напряженностями (или индукциями) электрических и магнитных полей. ЭМП способно непрерывно распространяться в про­странстве (волны), хотя обнаруживает и дискретность структу­ры (фотоны). Вне сильных гравитационных полей скорость рас­пространения ЭМП близка к скорости света (с = 3·10⁸ м/с). Оно оказывает силовое воздействие на заря­женные частицы, зависящие от их скорости.

Электрическое поле — частная форма проявления ЭМП; создается электрическими зарядами или пере­менным магнитным полем и характеризуется напряженно­стью электрического поля. Выявляется оно по силовому воз­действию на неподвижные относительно него заряженные тела и частицы.

Электрический заряд — величина, определяющая интенсив­ность электромагнитного взаимодействия заряженных частиц. Носителями наименьших зарядов являются элементарные час­тицы (электрон — отрицательного, протон, позитрон — положи­тельного). Количественно заряд определяют по силовому взаи­модействию тел, обладающих зарядами, т. е. по закону Кулона.

Магнитное поле — одна из форм электромагнитного поля. Создается движущимися электрическими зарядами и спиновы­ми магнитными моментами атомных носителей магнетизма (электронов, протонов и др.). Магнитное поле выявляется по силовому воздействию на движущиеся относительно него заря­женные частицы (токи). Магнитное поле направлено нормально к траектории частиц и пропорционально их скорости (сила Лоренца).

Теоретическая основа для анализа и расчета магнитных по­лей— теории поля и потенциалов. В [1] приведены фор­мулы, выражающие важнейшие законы магнетизма и связыва­ющие основные параметры магнитного поля в системах СИ и СГСМ, а также обозначения основных величин и их размерности.

Все электромагнитные процессы в машинах и аппаратах для магнитного обогащения могут быть описаны системой уравне­ний Максвелла.

Уравнения электромагнитного поля представлены в табл. 3.1.

Таблица 3.1.

Уравнения электромагнитного поля

В дифференциальной форме	В интегральной форме	Физический смысл уравнений
где —удельная электропроводность	где N — поток электрической индукции,	Закон полного тока. Переменное электрическое поле, т. е. токи смещения электрического поля, наряду с токами проводимости, образуют вихревое магнитное поле и являются его вихрями. Закон изменения электрического поля во време­ни определяет закон распро­странения магнитного поля в пространстве
	где Ф — поток магнитной индукции	Обобщенный закон электромагнитной индукции. Переменное магнитное поле образует вихревое электрическое, вихрями которого является скорость изменения потока магнитной индукции, взятая с обратным знаком. Закон изме­нения магнитного поля во времени определяет закон распределения электрического поля в пространстве.
		Закон Гаусса. Электрическое поле может иметь истоки, которыми являются электрические заряды
		Магнитное поле не имеет истоков. В природе пока не об­наружены свободные магнит­ные заряды (массы)

Электромагнитное поле как объективно су­ществующая во времени и пространстве форма материи являет­ся единой совокупностью взаимосвязанных электрического и магнитного полей. Любое изменение одного из этих полей во времени и пространстве вызывает соответствующее изменение второго. Статические электрические и магнитные поля можно рассматривать как частный (предельный) случай электромаг­нитного поля, которое изменяется во времени настолько мед­ленно, что с одной из характеристик его можно не считаться. В этом случае можно принять, что единая система уравнений электромагнитного поля распадается на две независимые си­стемы уравнений:

электрического поля при

(плотность электрических зарядов);

магнитного поля при

Коэффициенты ε, μ, а также ρ и σ в рассмотренных уравнениях учитывают условия распространения электромагнитного поля в сре­де в сравнении с условиями в вакууме:

где ε и μ — соответственно относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости материальных сред; ε ₀ и μ ₀ — соот­ветственно диэлектрическая и магнитная проницаемости ваку­ума; σ — удельная электропроводность.

Величины ε и μ показывают, насколько поле усиливается или ослабляется при переходе из вакуума в материальную среду (газ, жидкость, твердое тело или плазма).

В системе СИ ε ₀ = 8,85·10^-2 Ф/м, а μ ₀ =4π·10^-7 Гн/м. В системе Гаусса (СГСМ и СГСЕ) ε ₀ = μ ₀ =1, поэтому их часто опу­скают. Безразмерность μ в этой системе говорит об одинаковой: размерности Н и В, различные их названия (эрстед и гаусс) введены для того, чтобы разграничить поле в вакууме и веще­стве.

Само наличие в формулах компенсирующих различия μ коэффициентов типа 4π/с; 1/ с и 4π говорит о том, что они запи­саны в системе Гаусса. Система СГСЕ еще часто применяется в исследовательских работах.

При переходе силовых линий электромагнитного поля из од­ной среды в другую тангенсы углов падения на поверхности раздела этих фаз относятся как проницаемости этих сред, на­пример:

В случае перехода силовой линии (линии тока) из металла (μ₂ ≈ ∞) в воздух (μ₁ ≈ 1) α₁ →0, т.е. силовая линия перпендикулярна к поверхности полюса.