В чем отличия между магнитным полем и электрическим, есть ли разница

Магнитное и электрическое поля часто рассматриваются вместе, являясь, так сказать, двумя сторонами одной медали. Оба этих поля имеют много общего. Например, их обоих создают электрические заряды. На любые электрически заряженные тела действует кулоновская сила. Её ещё называют силой электростатического взаимодействия. Она прямо пропорциональна произведению модулей зарядов (знаки зарядов определяют лишь направление действия силы: притяжение или отталкивание) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между этими телами. В случае сфер или шаров считается квадрат расстояния из центров тел.

Что такое электрическое поле?

В физике под этим понятием принято понимать векторное поле, которое формируется вокруг частиц или тел, обладающих определенным зарядом. Электрическое поле считается одной из двух неотъемлемых составляющих электромагнитного поля.

Чтобы лучше разобраться в природе этого явления, нужно вспомнить, что такое кулоновская сила. Закон Кулона служит для определения степени взаимодействия между каждым из пары точечных электрических зарядов. При этом он учитывает сведения об интервале между ними.

Чтобы разобраться в напряженности явления, стоит обратиться к такому примеру:

1. Есть 2 тела, которые обладают зарядом. При этом одно из них является неподвижным, а второе – перемещается вокруг первого.
2. Кулоновская сила в этом случае равняется произведению заряда и напряженности.
3. Напряженность будет включать параметр центрального заряда и квадрат расстояния от центра до второго тела.

Примечательно, что для каждой точки электрического поля параметр кулоновской силы и направление будут отличаться. В силу разницы направлений в разных точках понятие считается векторным.

Что общего

К сожалению, первым общим свойством рассматриваемых нами понятий будет их неполная исследованность. Несмотря на работы Джеймса Клерка Максвелла, в которых подробно рассматривалось взаимодействие и взаимосвязь между электрическими и магнитными полями, назвать их природу до конца изученной нельзя до сих пор, и на деле человечество сегодня может лишь использовать известные их свойства в практических целях. Впрочем, многое учёным известно и сегодня.

К примеру, оба поля являются неотъемлемыми компонентами электромагнитного поля, а также оба являются силовыми. Последнее понятие подразумевает, что в любой точке, находящейся в радиусе действия поля, на заряд действует определённая сила, и при смене положения значение силы будет меняться.

Что такое магнитное поле?

Под этим термином в физике понимают силовое поле, которое оказывает влияние исключительно на движущиеся тела, частицы или заряды. Каждый из элементов характеризуется магнитным моментом. Сила в таком случае меньше зависит от движения заряда. В качестве заряженных частиц в этом случае выступают электроны. Что касается напряженности этого вида поля, величина будет находиться в прямой пропорции от скорости заряда и его параметров.

В качестве лучшего примера стоит привести планету Земля. Ее центральная часть состоит из раскаленного железа. Как и другие металлические объекты, он может перемещать по себе электроны. Именно поэтому наибольшее магнитное поле на Земле формируется самой планетой, или ее центром, если сказать точнее. Если это поле исчезнет, высока вероятность катастроф и даже гибели живых организмов.

Мнение эксперта

Карнаух Екатерина Владимировна

Закончила Национальный университет кораблестроения, специальность «Экономика предприятия»

В качестве более стандартного примера такого понятия стоит привести электромагниты. Они, как правило, включают провода, которые обмотаны вокруг ферромагнетиков. Эти элементы представляют собой ряд веществ, которые приобретают магнитные характеристики лишь в том случае, если их температура ниже конкретного уровня. Последний параметр называют в физике температурой Кюре. По сути, ферромагнетики считаются уникальными элементами. Они вступают во взаимодействие с магнитным полем, но при этом не несут движущихся зарядов.

Примеры магнитных полей

Электромагнит состоит из провода, обмотанного вокруг ферромагнетика. При прохождении через провод тока, появляется магнитное поле. Ферромагнетик – такое вещество, которое может вести себя как магнит ниже определённой температуры, называемой температурой Кюри. В обычных условиях ферромагнетики ведут себя как магниты только при наличии магнитного поля. В электромагните поле создаётся электрическим током, и ферромагнетик начинает вести себя как магнит. Также интересным примером является магнитное поле Земли.

В центре нашей планеты, как считают учёные, находится ядро, состоящее из жидкого железа. Железо – металл, и в нём свободно перемещаются электроны. Это ядро не статично, то есть оно движется, в связи с этим движутся электроны и создают магнитное поле. Если бы земное ядро начало останавливаться, как это было в фильме Джона Эмиела «Ядро Земли», земное магнитное поле действительно бы исчезло, что привело бы к катастрофическим последствиям.

В чем разница между электрическим полем и магнитным полем?

Оба рассматриваемых понятия считаются силовыми. Это означает, что в каждой точке пространства, в которой действует поле, на заряд влияет конкретная сила. В другой точке ее значение будет отличаться. Электромагнитное поле оказывает воздействие на заряженные тела и частицы. При этом оно действует на все заряды, тогда как магнитное поле – исключительно на движущиеся.

Существуют вещества, которые взаимодействуют с магнитным полем, но не включают движущиеся заряды. К ним, в частности, относятся ферромагнетики. Этим понятие отличается от электрического поля, поскольку аналогичных веществ для него не существует. У магнитов, естественных или намагниченных тел существует 2 полюса. Их называют южным и северным.

Мнение эксперта

Карнаух Екатерина Владимировна

Закончила Национальный университет кораблестроения, специальность «Экономика предприятия»

Обычные электрические заряды считаются сравнительно однородными. Они не включают полюсов. При этом для таких зарядов характерно 2 типа – положительные и отрицательные. Знак оказывает воздействие на направление кулоновской силы. Как следствие, это влияет на взаимодействие двух заряженных частиц. Знак не будет оказывать влияния на взаимодействие других заряженных частиц с магнитным полем. Он только поменяет местами полюса.

Отличается и графическое изображение рассматриваемых физических явлений. Линии напряженности электрического поля обладают началом и концом. Их можно визуализировать. В качестве примера стоит привести кристаллы хинина в масле. Линии индукции замкнуты. Их тоже можно визуализировать. Примером этого служат металлические опилки.

Отдельно стоит упомянуть электромагнитное поле, которое обладает характеристиками как электрического, так и магнитного поля. Это означает, что оно способно в определенных условиях поворачивать стрелку компаса и перемещать электрически заряженные частицы. Обе составляющие имеют тесную взаимосвязь друг с другом. Каждая из них отличается своим энергетическим запасом. Именно он влияет на энергию всего электромагнитного поля.

Мнение эксперта

Карнаух Екатерина Владимировна

Закончила Национальный университет кораблестроения, специальность «Экономика предприятия»

Возникновение электромагнитного поля возможно при любом, даже небольшом изменении тока в проводниках. При этом оно оказывает влияние на прилегающие зоны пространства, передает им собственную энергию. В результате в этих местах тоже появляется электромагнитное поле.

Учебники

Белкин И.К. Электрическое и магнитное поля //Квант. — 1984. — № 3. — С. 28-31.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»

Вокруг всякого покоящегося в некоторой системе отсчета электрического заряда q

существует, как известно, электростатическое поле. Если этот заряд точечный, то напряженность поля в любой точке на расстоянии
r
от него определяется формулой:
\(~E = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} \frac{q}{r^2}\) . (1)
Сила взаимодействия двух покоящихся точечных зарядбв q

и
q’
, находящихся на расстоянии
r
друг от друга, равна
\(~F_{el} = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} \frac{qq’}{r^2}\) . (2)
Если заряды одинаковые (q

=
q’
), то
\(~F_{el} = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} \frac{q^2}{r^2}\) . (2′)
Это хорошо известный закон Кулона. Подчеркнем, что эгот закон был установлен экспериментально. Входящая в формулы (1), (2) величина ε

0 — это электрическая постоянная, равная 8,85·10-12 Кл2/(Н·м2).

Обсудим теперь ситуацию с зарядом, движущимся с постоянной скоростью \(~\vec \upsilon\). Скорость \(~\vec \upsilon\) мы измеряем относительно заранее выбранной системы отсчета, которую мы условно считаем неподвижной и обозначим буквой К

.

Движущийся заряд — это электрический ток, а вокруг тока существует магнитное поле. Значит, движение заряда приводит к появлению магнитного поля в рассматриваемой нами системе отсчета К

.

Обратите внимание на то, что если бы мы перешли в систему отсчета К’

, движущуюся относительно системы
К
со скоростью, равной скорости заряда \(~\vec \upsilon\)
никакого магнитного поля в этой системе не было бы
(помещенная там магнитная стрелка (компас) оставалась бы в покое).

Вернемся, однако, снова в систему К

. Из опыта мы знаем, что магнитное поле действует на электрический ток, а значит, и на движущийся заряд. Понятно, что между электрическими и магнитными явлениями должна существовать тесная связь.

Рассмотрим простой пример. Пусть заряд q

движется со скоростью \(~\vec \upsilon\) (в системе
К
). Тогда в пространстве вокруг него есть и электрическое, и магнитное поля. Пусть теперь в какой-то точке, где электрическое и магнитное поля созданы зарядом
q
, оказался другой заряд
q’
, который движется со скоростью \(~\vec \upsilon\). Очевидно, что на него будут действовать электрическая и магнитная силы. Аналогичное утверждение можно сделать и про заряд
q
.

Если заряды движутся со скоростями не слишком большими (что такое «не слишком большие», выяснится ниже), то их электрические поля в каждый момент времени практически не отличаются от случая покоящихся зарядов, а силу электрического взаимодействия зарядов можно подсчитывать по закону Кулона (2).

Мы ограничимся дальше случаем не очень быстро движущихся зарядов. В этом случае можно довольно просто сравнить магнитные и электрические силы. Мы сделаем это для двух зарядов, скорости которых в некоторый момент оказались параллельными друг другу и перпендикулярными к линии, соединяющей эти заряды (рис. 1).

Рис. 1

Прежде вгего нам нужно понять, как индукция магнитного поля \(~\vec B\), создаваемого движущимся зарядом, связана с величиной этого заряда q

и его скоростью \(~\vec \upsilon\). Проведем из точки, где находится заряд
q
в точку, в которой мы хотим вычислить индукцию \(~\vec B\), радиус-вектор \(~\vec r\). Обобщение результатов опытов показывает, что величина индукции определяется формулой
\(~B = kq \frac{\upsilon}{r^2} \sin \varphi\) . (3)
Здесь \(~r = |\vec r|\), φ

— угол между векторами \(~\vec \upsilon\) и \(~\vec r\), a
k
— постоянная, определяемая опытным путем и равная 10-7 Н·с2/Кл2. Для интересующего нас случая
φ
= 90° и
\(~B = k\upsilon \frac{q}{r^2}\) . (3′)
Направление вектора \(~\vec B\) определяется по правилу буравчика (правого винта): если вращать вектор \(~\vec \upsilon\) по направлению к вектору \(~\vec r\) в той плоскости, в которой они оба лежат, и так, чтобы вращение происходило в направлении минимального утла между \(~\vec \upsilon\) и \(~\vec r\), то вектор \(~\vec B\) направлен перпендикулярно указанной плоскости и «смотрит» туда, куда «смотрел бы» ввинчиваемый буравчик (рис. 2).

Рис. 2

В формулы (3) и (3′) входит в качестве множителя то же отношение \(~\frac{q}{r^2}\), которое содержится и в выражении для напряженности электрического поля, создаваемого зарядом q

в точке, где находится заряд
q’
. Это замечание позволяет нам установить связь между величинами
В
и
Е
. Учитывая (1), получаем
\(~B = k\upsilon \frac{q}{r^2} = 4 \pi \varepsilon_0 k \upsilon E\) .
Обозначим еще \(4 \pi k = \mu_0\), тогда

\(~B = \varepsilon_0 \mu_0 \upsilon E\) . (4)

Входящая в (4) величина μ

0 носит название магнитной постоянной (по аналогии с электрической постоянной
ε
0). Зная
k
, мы вычислим
μ
0 = 1,256·10-6 Н·с2/Кл2.

Теперь, когда мы умеем вычислять магнитную индукцию В

в точке, где находится заряд
q’
, можно определить и магнитную силу (силу Лоренца), действующую на заряд
q’
. В общем случае сила Лоренца
\(~F_L = q’ \upsilon’ B \sin \alpha\) . (5)
Здесь α

— угол между векторами \(~\vec \upsilon’\) и \(~\vec B\). Направление вектора \(~\vec F_L\) определяется тоже по правилу правого буравчика (вектор \(~\vec \upsilon\) нужно поворачивать в направлении минимального угла к вектору \(~\vec B\) в плоскости, в которой лежат оба этих вектора, вектор \(~\vec F_L\) перпендикулярен этой плоскости).

В нашем случае угол α

также равен 90°, и на заряд
q’
действует сила
\(~F_m = q’ \upsilon’ B\) .
Подставляя сюда В

из (3′), получим
\(~F_m = k \frac{q q’ \upsilon \upsilon’}{r^2} = \frac{\mu_0}{4 \pi} \frac{q q’ \upsilon \upsilon’}{r^2}\) . (6)
Электрическая сила, действующая между q

и
q’
, определяется формулой (2). Предположим теперь еще, что
q
=
q’
, а \(~\vec \upsilon = \vec \upsilon’\). Тогда отношение
\(~\frac{F_m}{F_{el}} = \varepsilon_0 \mu_0 \upsilon^2\) .
Зная определенные из опыта постоянные ε

0 и
μ
0, мы легко убедимся в том, что
\(~\frac{1}{\varepsilon_0 \mu_0} = 0 \cdot 10^{16} \frac{m^2}{c^2}\) .
Но стоящая в этой формуле справа величина есть квадрат скорости света! Это, конечно, не случайное совпадение. Обозначая скорость света буквой с

, получим окончательно:
\(~\frac{1}{\varepsilon_0 \mu_0} = c^2\) . (7)
и

\(~\frac{F_m}{F_{el}} = \left( \frac{\upsilon}{c} \right)^2\) . (8)

Это очень важные формулы. Формула (7) еще раз подтверждает существование глубокой связи электрических и магнитных явлений. Из формулы (8) мы можем сделать вывод, что отношение магнитных и электрических сил для многих практически интересных случаев оказывается малой величиной. Например, обычно направленная скорость электронов в металле при прохождении тока составляет десятые доли миллиметра в секунду. В таких случаях магнитное взаимодействие электронов примерно в 1024 раз меньше их электрического взаимодействия. Стоит ли вообше считаться с магнитным взаимодействием движущихся зарядов? Оказывается, стоит и вот почему. Во всяком проводнике имеются в равном числе заряженные частицы обоих знаков. Поэтому проводники с током электрически практически нейтральны. Электрические силы в проводниках с огромной точностью скомпенсированы, а при их отсутствии даже очень малые магнитные силы оказываются существенными. В электрических моторах движущиеся в их обмотках электроны взаимодействуют именно магнитными силами. Именно за счет магнитных сил приводятся в движение двигатели.

Вспомним теперь, что в наших рассуждениях мы сделали допущение о «ие слишком больших скоростях». Теперь можно сказать, что мы имели в виду малость скоростей частиц по сравнению со скоростью света. Это было нужно нам для того, чтобы не возникло необходимости пользоваться более сложными (релятивистскими) формулами. Например, при скоростях заряженных частиц, близких к скорости света, уже нельзя записывать формулу для напряженности электрического поля в виде (1).

Так же, как и другие физические величины, например, скорости и ускорения частиц, силы, действующие на них, напряженность электрического поля и индукция магнитного поля зависят от того, в какой системе отсчета мы их рассматриваем (измеряем). Выше мы уже говорили, например, о том, что если магнитное поле существует в системе К

, то из-этого еще не следует, что оно сохранится в системе
К’
. Система
К’
, которую мы рассматривали, двигалась со скоростью, равной скорости \(~\vec \upsilon\) интересовавшего нас заряда. И магнитное поле в системе
К’
отсутствовало. В общем случае и вектор \(~\vec E\), и вектор \(~\vec B\)
относительны
, то есть зависят от того, в какой системе отсчета находится наблюдатель с приборами, измеряющими эти величины.

Для нас существенно то, что при скоростях, малых по сравнению со скоростью света, электрическое поле изменяется мало. Количественной характеристикой этой малости как раз и служит отношение \(~\left( \frac{\upsilon}{c} \right)^2\).

Заметим, впрочем, что формула (8) оказывается справедливой и при скоростях, близких к скорости света. Поэтому для релятивистских частиц, движущихся со скоростью, лишь немногим меньшей скорости света, величины магнитных и электрических сил могут отличаться не очень сильно.

Подводя итог нашим вычислениям, еще раз подчеркнем, что для многих задач магнитное взаимодействие оказывается существенным, даже если оио мало по сравнению с электрическим.

Остановимся совсем кратко на других отличиях магнитного и электрического (электростатического) полей. Одно из этих отличий состоит в том, что линии действия электрических сил (силовые линии электростатического поля) имеют начало и конец. Они начинаются на положительных зарядах и кончаются на отрицательных. Работа при перемещении заряда между двумя фиксированными точками в электростатическом поле не зависит от формы и длины траектории, а работа, совершаемая при движении заряда по замкнутой траектории, равна нулю. Благодаря этому свойству электростатического поля каждая его точка характеризуется не только напряженностью, но и потенциалом.

Линии же магнитной индукции, в отличие от силовых линий электростатического поля, не имеют начала и конца. Они замкнуты и охватывают ток. Каждая точка магнитного поля характеризуется величиной магнитной индукции, но не потенциалом.

Сила, действующая на заряд в электростатическом поле, всегда направлена по касательной к силовым линиям. Если рассматривать в магнитном поле участки проводников с током или движущиеся заряженные частицы, то силы, действующие на них, направлены не по касательной к линиям индукции, а перпендикулярно к ним (сила Лоренца, закон Ампера). Сила в магнитном поле может вовсе не вызывать поступательного движения, а лишь поворот (рамка с током в однородном магнитном поле; движение заряда по окружности в плоскости, перпендикулярной однородному магнитному полю).

Все сказанное говорит о том, что электростатическое поле во многом не похоже на магнитное. Связь электрических и магнитных полей вовсе не означает, что между ними не существует различий.

Сравнительная таблица

Главные особенности и отличия рассматриваемых понятий приведены в таблице:

В чём разница

Как понятно из всего вышесказанного, отличительных черт между рассматриваемыми нами явлениями также немало. Прежде всего, электрические поля способны воздействовать на все заряженные частицы, в то время как МП «работает» только на тех частицах, которые находятся в движении. Если говорить о силе ЭП, то она будет пропорциональна заряду, а МП будет пропорционально не только заряду, но и скорости его движения.

Справка. Различаются в данном случае и единицы измерения: для ЭП – это вольт на метр, а напряжённость МП выражают в теслах (Тл) или гауссах (Гс).

Ещё одним интересным свойством будет тот факт, что в электромагнитном поле оба его компонента будут колебаться под прямым углом относительно друг друга. Эту и другие особенности взаимодействия отразил в своём уравнении Джеймс Клерк Максвелл, много лет занимавшийся изучением магнитных и электрических полей.

Вот мы и рассмотрели основную разницу и общие черты между двумя тесно связанными друг с другом понятиями в физике. Надеемся, что в данном материале вы смогли почерпнуть для себя что-то новое и интересное.