Тема 5. Электромагнитная картина мира

Картина материи и мира по Ньютону поражала своей стройностью, но и в ней оставались «белые пятна». Во-первых, в механику никак не вписывалось живое вещество. Во-вторых, в МКМ плохо вписывались свет и совокупность электрических и магнитных явлений. Само учение об электромагнетизме начиналось с накопления фактов.

В 1785 году Кулон сформулировал закон о взаимодействии электрических зарядов. Этот закон фиксировал наличие электрических сил притяжения и отталкивания, при этом силы взаимодействия описывались формулой:

(1)

Здесь q, Q – величины зарядов, r – расстояние между точечными (сферическими) зарядами. По своей математической форме закон Кулона аналогичен закону всемирного тяготения – та же краткость и та же красота.

В начале 19-го века состоялась серия экспериментальных открытий гениального исследователя Майкла Фарадея (1791-1867г.г.). Главные из них:

1) 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 также дискретен, как и вещество.

2) Закон электромагнитной индукции утверждал физическую реальность «превращения магнетизма в электричество».

3) Фарадей 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 М. Фарадея к самому значимому из его открытий. Фарадей понял, что в природе существует особый вид материи – физические поля. Есть поле электрическое и поле магнитное.

Создателем электромагнитной теории является английский физик Д. Максвелл (1831-1879г.г.). Основой теории является понятие поля (ранее в ньютоновской механике рассматривались лишь вещества в виде тел). Теория Максвелла явилась обобщением важнейших законов, описывающих электрические и электромагнитные явления: теоремы Остроградского – Гаусса, закона полного тока, закона электромагнитной индукции Фарадея.

Система уравнений Максвелла в интегральной форме:

I-ое уравнение Максвелла является обобщением закона электромагнитной индукции Фарадея: циркуляция по замкнутому контуру скорости изменения магнитного потока.

(2)

Это уравнение показывает, что переменное магнитное поле неизбежно порождает вихревое индуктированное электрическое поле.

II-ое уравнение Максвелла является обобщением теоремы Остроградского – Гаусса для магнитного поля и указывает на отсутствие источников магнитного поля, т. е. магнитных зарядов:

(3)

Это уравнение показывает, что поток вектора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность S равен нулю, т. е. силовые линии магнитного поля всегда замкнуты.

III-е уравнение Максвелла является обобщением закона полного тока:

(4)

Это уравнение показывает, что циркуляция вектора напряженности магнитного поля по произвольному замкнутому контуру L, охватывающему токи, равна алгебраической сумме охватываемых макротоков и токов смещения.

IV-ое уравнение Максвелла является обобщением теоремы Остроградского – Гаусса для электрического поля:

(5)

Это уравнение показывает, что поток электрического смещения электростатического поля сквозь любую замкнутую поверхность равен сумме свободных зарядов, охватываемых этой поверхностью. Электростатическое поле создается зарядом.

Заряды могут быть свободными и связанными. Связанными называются заряды, входящие в состав атомов и молекул, заряды ионов в кристаллических диэлектриках. Свободными зарядами являются заряды носителей тока в проводящих средах (электроны проводимости, дырки, ионы) или избыточные заряды, сообщенные телу извне и нарушающие его электронейтральность (например, статическое электричество).

Система уравнений Максвелла по своей значимости сравнима с системой уравнений механики Ньютона.

К этой системе четырех векторных уравнений необходимо также добавить соотношение (6) между постоянными величинами, входящими в теорию, и закон Ома в дифференциальной форме (7):

(6)

(7)

Здесь обозначено: , L – элемент линейного контура и сам контур; dS, S – элемент поверхности и поверхность; – вектор напряженности электрического поля; – вектор магнитной индукции магнитного поля; c – скорость света; и – размерные «электрическая» и «магнитная» постоянные, характеризующие «емкостные» и «индуктивные» свойства пустого, без вещества, пространства.

К концу 19-го века сформировалась электромагнитная картина мира (ЭКМ). Её основу составляли классические представления о сущности неживой материи и формах её существования по Ньютону, Фарадею, Максвеллу. Её основные положения:

1. Материя существует в двух видах: в виде дискретного вещества и в виде непрерывных физических полей. Вещество и поле друг в друга не превращаются.

2. Движение есть изменение состояния материи. Наряду с механическим перемещением в пространстве существуют изменения состояний во времени. Так, электромагнитное поле представляет собой систему переменных во времени электрических и магнитных полей, порождающих друг друга.

3. Пространство и время как формы существования материи по-прежнему абсолютны.

4. Гравитационные и электромагнитные взаимодействия определяют все явления во Вселенной.

5. В природе существует универсальная количественная аддитивная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Эта мера называется энергией.

6. Для вещества справедливы законы механики Ньютона. Таким образом, выявление огромной роли электромагнитного взаимодействия не означало «отмены» механики.

7. В части космологии и космогонии представления ЭКМ и МКМ принципиально не различались.

Ключевые термины:

□ Свободный заряд

□ Напряженность поля

□ Макроток

□ Циркуляция вектора

□ Проводимость

□ Магнитная проницаемость сред

□ Магнитный поток

□ Связанный заряд

□ Магнитная индукция

□ Ток смещения