Природа электромагнетизма по М. Фарадею

В начале XIX века состоялась серия экспериментальных открытий гениального исследователя Майкла Фарадея (1791-1867 гг.). Главные из них таковы:

Явление и законы электролиза однозначно свидетельствовали о том, что носителем электрического заряда является вещество. Электрический заряд и масса есть природные свойства частиц вещества. Следовательно, электрический заряд так же дискретен, как и вещество. Электрические заряды разного «происхождения» тождественны между собой. Разные «виды электричества» (трибоэлектричество, электричество атмосферное, животное, химическое, индукционное) есть лишь разные проявления одной и той же природной сущности. Окончательно гениальная догадка Фарадея о дискретности электрического заряда была подтверждена лишь много позже. Элементарный носитель электрического заряда - электрон - экспериментально был обнаружен только в 1897 году Дж. Дж. Томсоном. Протон и того позже.

Открытый Фарадеем закон электромагнитной индукции утверждал физическую реальность «превращения магнетизма в электричество». В работах Фарадея содержится мысль о том, что «магнитное взаимодействие» распространяется с конечной скоростью и что этот процесс можно описать с помощью теории колебаний. Фактически это была идея электромагнитных волн.

Магнитооптический эффект Фарадея показал наличие взаимодействия света и магнитного поля и тем самым наталкивал на мысль об электромагнитной сущности света. Фактически в работах Фарадея был создан системный экспериментальный фундамент учения об электромагнетизме как универсальном явлении природы.

Системное осознание добытых результатов привело Фарадея к самому значимому из его открытий. Фарадей понял,

Эволюция естествознания что в природе существует особый вид материи - физические поля. Есть поле электрическое и поле магнитное. Отсюда было недалеко и до идеи гравитационного поля. А. Эйнштейн так оценил значимость новой трактовки материи: «Открытие поля - это самое важное открытие со времен Ньютона».

Природа электромагнетизма по Дж. Максвеллу

Дальнейшее развитие учения об электромагнетизме связано с именем Джеймса Кларка Максвелла (1831-1879 гт.). В нем прекрасно сочетались проницательность ума с богатой научной фантазией, глубочайшие познания в математике с необыкновенной экспериментальной изобретательностью. Он исследовал восприятие цветов и их сочетаний, у него есть выдающиеся работы по механике и по статистической теории газов. Маятник Максвелла и распределение молекул по скоростям навеки поселились в учебниках физики. Вслед за Ньютоном Максвелл подтвердил тезис о том, что «нет ничего практичнее хорошей теории». В 1873 году он опубликовал трактат «Учение об электричестве и магнетизме», в котором теоретически осмыслены экспериментальные результаты Кулона, Эрстеда, Ампера и Фарадея. Фактически была создана теория электромагнетизма. Его система уравнений электромагнитного поля по своей значимости сравнима с системой уравнений механики Ньютона.

Систему уравнений Максвелла для полей в вакууме приведем в современной «транскрипции». Слева даны уравнения в интегральной форме, где интегрирование ведется по конечному замкнутому контуру, по стягиваемой контуром поверхности или по конечному объему, заключенному в замкнутую поверхность. Справа приведены те же уравнения в дифференциальной форме, в такой форме они справедливы для любой точки пространства.

EdS=—pdV

S ?0 V

divE = —

(2-1)

Edl =-—BdS

1 Sts

-

rotE =--

dt

(2-2)

$BdS = 0 s

divB = 0

(2-3)

Bdl =JiJJdSj^,^_EdS

L S Ot S

- dE

Ot

(2-4)

К этой системе четырех векторных уравнений необходимо также добавить соотношение между постоянными величинами, входящими в теорию (2.5) и закон Ома в дифференциальной форме (2.6):

с2?оДо = 1/ (2.5)

7=аЁ, (2.6)

где dl, L - элемент линейного контура и сам контур;

dS, S - элемент поверхности и поверхность;

dV, V - элемент объема и объем;

Е - вектор напряженности электрического поля;

В - вектор магнитной индукции магнитного поля;

р - плотность электрического заряда;

] - вектор плотности электрического тока;

с - скорость света;

Ео и - размерные «электрическая» и «магнитная» постоянные, характеризующие «емкостные» и «индуктивные» свойства пустого, без вещества, пространства;

div, rot - дифференциальные операторы, включающие первые производные по координатам.

Первое уравнение фиксирует, что в природе электрический заряд и электростатическое поле взаимосвязаны, а количественное соотношение между ними устанавливается тем

ПО

Эволюция естествознания фактом, что поле порождается зарядом. Силовые линии поля оканчиваются или начинаются на источниках поля - зарядах, или же уходят в бесконечность, то есть эти линии разомкнуты.

Второе уравнение определяет ещё один источник электрического поля. Им является изменяющееся во времени магнитное поле (в правой части уравнения есть производная по времени). Уравнение обобщает закон электромагнитной индукции, но слева в уравнении фигурирует напряженность не электростатического, а вихревого электрического поля, у которого силовые линии замкнуты. Оно фиксирует наличие в природе и статического, и вихревого электрических полей.

Третье уравнение описывает факт отсутствия в природе магнитных зарядов. Магнитное поле всегда имеет вихревой характер, то есть его силовые линии всегда замкнуты.

Четвертое уравнение означает, что источников магнитного поля в природе два. Один - активный ток, то есть движущиеся электрические заряды. Соответственно, в правой части уравнения присутствует вектор плотности тока. Второй - изменяющееся во времени электрическое поле, обозначаемое производной по времени от напряженности электрического поля.

Силовое действие полей на покоящийся или движущийся заряд q определяется силой Лоренца:

F = qE + q[vB], (3)

где F - сила;

v - вектор скорости заряда.

Первое слагаемое - это кулоновская сила, второе - магнитная. Квадратные скобки означают векторное произведение, то есть тот факт, что вектор силы перпендикулярен векторам и скорости, и магнитной индукции.

Система уравнений (2)-(3) представляет собой свод самых общих законов электродинамики. Все прикладные вопросы в электротехнике и радиотехнике решаются через уравнения Максвелла, записанные для конкретных систем зарядов, токов и полей с учетом конкретных свойств вещества, поскольку в реальности нас интересует не только вакуум.

Строго говоря, непосредственно из уравнений Максвелла не следует, что переменные электрическое и магнитное поля должны распространяться в пространстве. Но если подставить друг в друга «зацепляющиеся» уравнения, содержащие производные по времени от силовых характеристик полей, то получается два очень похожих друг на друга уравнения:

ДЕ-?оДо|;1 = ОиДЯ-?одо^1 = О

О Л ГТ Л д2 52 д2

Здесь Д - оператор Лапласа Д= — + — + — г г эх2 ду2 gz2

Математически это есть волновое уравнение, описывающее распространение электромагнитного поля со скоростью

с = I—= 3 х 108м/с .

Х| ?оДо

Это означает, что из уравнений Максвелла следует математическая модель электромагнитной волны. Отсюда был сделан вывод о том, что электромагнитные волны должны быть физической реальностью. Поэтому почти сразу же после выхода трактата начались экспериментальные поиски электромагнитных волн. Природе был задан вопрос: как можно обнаружить электромагнитные волны? Направление поисков подсказали работы Фарадея: обнаружить их можно по воздействию волн на вещество, расположенное на некотором расстоянии от предполагаемого источника переменных электрического и магнитного полей. В 1888 году Генрих Герц получил на своей установке ответ: электромагнитные волны существуют. И распространяются они в пространстве со скоростью света. Справедливость максвелловской системы уравнений была подтверждена экспериментально, что дало огромный толчок экспериментальным исследованиям электромагнитного излучения, в том числе света. Изучались условия распространения этого излучения в пространстве и времени, его свойства, а также возможности практического использования.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >