Электромагнитная теория

Открытие электрических явлений легенда приписывает мудрейшему из мыслителей древней Греции Фалесу, жившему более двух тысячелетий назад. Еще в те времена в окрестностях древнегреческого города Магнезия люди находили на берегу моря камешки, притягивавшие легкие железные предметы. По имени этого города их назвали магнитами (оттуда пришло к нам слово «магнит»).

Фалес же находил и другие, не менее таинственные камешки, к тому же красивые и легкие. Эти привлекательные дары моря не притягивали, как магниты, железных предметов, но обладали не менее любопытным свойством: если их натирали шерстяной тряпочкой, то к ним прилипали пушинки, легкие кусочки дерева, травы. Такие камешки, выбрасываемые приливами и волнами морей, мы сейчас называем янтарем. Древние же греки янтарь называли «электроном». Отсюда и образовалось слово «электричество».

Но ни древнегреческие, ни другие мыслители и философы на протяжении многих столетий не могли объяснить эти свойства. В XVII веке немецкому ученому Отто Герике удалось создать электрическую машину, извлекавшую из натираемого шара отлитого из серы, значительные искры, уколы которых могли быть даже болезненными. Однако разгадка тайн «электрической жидкости», как в то время называли это электрическое явление, не была тогда найдена. В середине XVII в. в Голландии, в Лейденском университете, ученые под руководством Питера ван Мушенбрука нашли способ накопления электрических зарядов. Таким накопителем электричества была лейденская банка (по названию университета) - стеклянный сосуд, стенки которого снаружи и изнутри были оклеены свинцовой фольгой.

Лейденская банка, подключенная обкладками к электрической машине, могла накапливать и долго сохранять значительное количество электричества. Если ее обкладки соединяли отрезком толстой проволоки, то в месте замыкания проскакивала сильная искра, и накопленный электрический заряд мгновенно исчезал. Если же обкладки заряженного прибора соединяли тонкой проволокой, она быстро нагревалась, вспыхивала и плавилась, то есть перегорала, как мы часто говорим сейчас. Вывод мог быть один: по проволоке течет электрический ток, источником которого является электрически заряженная лейденская банка. Сейчас подобные приборы мы называем электрическими конденсаторами (слово конденсатор означает «сгуститель»), а их не соединяющиеся между собой полоски фольги - обкладками конденсаторов.

Более совершенный, а главное почти непрерывный источник электрического тока изобрел в конце XVIII века итальянский физик Александр Вольта. Между небольшими дисками из меди и цинка он помещал суконку, смоченную раствором кислоты. Пока прокладка влажная, между дисками и раствором происходит химическая реакция, создающая в проводнике, соединяющем диски, слабый электрический ток. Соединяя пары дисков в батарею, можно было получать уже значительный электрический ток. Такие батареи называли вольтовыми столбами. Они-то и положили начало электротехнике.

Первый электромагнит, основные черты которого сохранились во многих современных электрических приборах, например в электромагнитных реле, излучателях головных телефонов, изобрел английский ученый Стерджен в 1821 г. А спустя два десятилетия после этого события французский физик Андре Ампер сделал новое, исключительно важное по тому времени открытие. Он опытным путем установил, что два параллельно расположенных проводника, по которым течет ток, способны совершать механическую работу.

В первой половине прошлого столетия ценнейший вклад в науку внес английский физик-самоучка Майкл Фарадей. Изучая связь между электрическим током и магнетизмом, он открыл явление электромагнитной индукции. Опытным путем он обнаружил, что можно передавать переменный ток из катушки в катушку на расстояние без какой-либо прямой электрической связи между ними. Суть этого явления заключается в том, что переменный ток, текущий в одной из катушек, преобразуется в переменное магнитное поле, которое пересекает витки второй катушки и тем самым возбуждает в ней переменную ЭДС. На этой основе создан замечательный прибор - трансформатор, играющий очень важную роль в электротехнике и радиотехнике. В 1821 году Фарадей получил вращение проводника с током в магнитном поле, то есть создал прообраз электромотора. В 1834 г. русский академик Б. С. Якоби создал один из первых в мире электродвигателей.

Классическая теория электричества, возникшая на основе этих наблюдений и практических разработок, охватывает огромную совокупность электромагнитных процессов. Среди четырех типов взаимодействий электромагнитных, гравитационных, сильных (ядерных) и слабых, существующих в природе, электромагнитные взаимодействия занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. В повседневной жизни, за исключением притяжения Земли и приливов в океане, человек встречается в основном только с проявлениями электромагнитных сил. В частности, упругая сила пара имеет электромагнитную природу. Поэтому смена «века пара» «веком электричества» означала лишь смену эпохи, когда не умели управлять электромагнитными силами, на эпоху, когда научились распоряжаться этими силами по своему усмотрению.

Майкл Фарадей (1791-1867) - английский физик, член Лондонского королевского общества. Родился в Лондоне. Учился самостоятельно. В 1833-1862 был профессором кафедры химии в Королевском институте Лондона.

Фарадей в 1821 г. впервые осуществил вращения магнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита, создав тем самым лабораторную модель электродвигателя. В этом опыте наглядно проявилась связь между электрическими и магнитными явлениями. Не случайно, что в том же году он поставил себе целью «превратить магнетизм в электричество».

В 1831 г. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. В последующие годы подробно изучил открытое им явление и установил законы электромагнитной индукции. Используя огромный экспериментальный материал, Фарадей доказал тождественность известных тогда видов электричества: «животного», магнитного, термоэлектричества. Стремление выяснить природу электрического тока привело его к экспериментам по прохождению тока через растворы кислот, щелочей, солей. Результатом этих исследований было открытие в 1833 г. законов электролиза (законы Фарадея). Кроме большого практического значения, эти законы стали также существенным аргументом в пользу дискретного характера электричества.

В 1837 Фарадей обнаружил влияние диэлектриков на электрическое взаимодействие (поляризацию диэлектриков) и ввел понятие диэлектрической проницаемости. Высказал мысль о распространении электрического и магнитного взаимодействия через промежуточную среду. В 1843 г. экспериментально доказал закон сохранения электрического заряда. Был популяризатором физики, в частности широко известна его книга «История свечи», переведенная почти на все языки мира.

Одним из важнейших заслуг Фарадея является введение понятия поля и создание учения об электромагнитном поле. В 1846 он высказал идею об электромагнитной природе света. Решительный поворот к теории близкодействия был сделан М. Фарадеем в 30е годы XIX в. Согласно идеям Фарадея, электрический заряд создает в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой, и наоборот. Взаимодействие токов осуществляется посредством магнитного поля. Распределение электрических и магнитных полей в пространстве Фарадей описывал с помощью силовых линий, которые по его представлению напоминают обычные упругие линии в гипотетической среде, в мировом эфире. Фарадей был первым, кто стал рассматривать силовые линии как наглядное отображение реальных процессов, происходящих в пространстве вблизи наэлектризованных тел или магнитов. Распределение силовых линий, по Фарадею, даёт картину электрического поля вблизи зарядов или магнитного поля вблизи магнитов и проводников.

Заряд следует рассматривать как количественную меру способности тела к электромагнитным взаимодействиям. Электрический заряд - вторая (после массы) важнейшая характеристика элементарных частиц, определяющая их поведение в окружающем мире. Введение зарядов двух знаков означает, что заряженные частицы могут, как притягиваться, так и отталкиваться друг от друга. Ни положительные, ни отрицательные заряды не создаются в телах, например, при трении. Они присутствуют в них всегда и обнаруживают себя только в процессе электризации, когда положительные и отрицательные заряды разделяются и начинают взаимодействовать. Процесс электризации представляет собой либо отделение, либо перенесение на тело электронов или ионов. Понятно, что при электризации одного тела должен всегда возникать заряд и на каком - либо другом теле, одинаковый по величине, но противоположный по знаку.

Закон сохранения электрического заряда утверждает о его неуничтожимости и несотворимости - алгебраическая сумма электрических зарядов в замкнутой системе остаётся постоянной при любых процессах, происходящих в ней.

Для более глубокого понимания электрических явлений необходимо знать количественный закон взаимодействия электрических зарядов, то есть понимать, как зависит величина силы, действующей между заряженными телами, от зарядов на них и от расстояния между ними. Это понимание даёт нам закон Кулона, который гласит: сила взаимодействия двух точечных зарядов направлена вдоль прямой линии, соединяющей заряды. Её величина прямо пропорциональна произведению обоих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

В зависимости от величины заряда и формы заряженного тела действие его в различных точках пространства будет различным. Поэтому для полной характеристики заряда надо знать, какое действие он производит во всевозможных точках окружающего пространства или надо знать электрическое поле, которое возникает вокруг заряда. Таким образом, понятием «электрическое поле» мы обозначаем пространство, в котором проявляются действия электрического заряда. Если имеется не один, а несколько расположенных в различных местах, то в любой точке окружающего пространства проявится совокупность действия этих зарядов, то есть создаваемое ими электрическое поле.

Заряженные частицы взаимодействуют друг с другом на расстоянии в пустом пространстве. Возникает вопрос о механизме возникновения этих сил. Достаточно естественной выглядит полевая концепция, согласно которой каждый заряд создает вокруг себя в пространстве «нечто», называемое электрическим полем, а действующая на другой заряд сила возникает вследствие его взаимодействия с полем в той точке пространства, где он находится. Таким образом, поле выступает в роли переносчика взаимодействия между заряженными частицами.

В пользу объективного существования поля свидетельствуют следующие факты:

Конечность скорости распространения изменения поля, вызванного изменением его источника.

Наличие энергии в «пустом» пространстве, заполненным полем, которое в принципе может быть зарегистрировано не только при помощи электростатических взаимодействий.

Возможность существования поля после исчезновения его источника.

Введенная для электромагнитных взаимодействий, полевая концепция оказалась весьма удобной. Она позволяет разбивать задачу о взаимодействии тел на две: расчет поля в точке расположения частицы и расчет силы, возникающей при ее взаимодействии с этим полем. В настоящее время понятие поля используется для описания всех типов фундаментальных взаимодействий.

Не в каждом теле есть условия для прохождения электрического тока. Дело в том, что атомы и молекулы различных веществ обладают неодинаковыми свойствами. В металлах, например, электроны легко покидают оболочки и беспорядочно, хаотично движутся между атомами. В металлах особенно много свободных электронов. По существу, металл состоит из положительных ионов, расположенных в определенном порядке, пространство между которыми заполнено свободными электронами. В металле невозможно различить, какой электрон к какому из атомов относится, они сливаются в единое электронное облако. Огромное количество свободных электронов в металлах создает в них наиболее благоприятные условия для электрического тока. Нужно только хаотическое движение электронов упорядочить, заставить их двигаться в одном направлении.

В некоторых телах и веществах почти нет свободных электронов, так как они прочно удерживаются ядрами. У молекул и атомов таких тел трудно «отобрать» или «навязать» им лишние электроны. В таких телах нельзя создавать электрический ток. В них отрицательно заряженные электроны крепко связаны электрическими силами с положительными ядрами, и внешнее поле не способно привести к значительному перераспределению зарядов. В таких веществах электрическое поле оказывается меньшим по сравнению с полем, которое создавали бы свободные заряды в вакууме.

Тела и вещества, в которых можно создавать электрический ток, называют проводниками. Те же тела и вещества, в которых его создать нельзя, называют диэлектриками или непроводниками тока.

К проводникам, кроме металлов, относятся также уголь, растворы солей, кислоты, щелочи, живые организмы и многие другие тела и вещества. Причем в растворах солей электрический ток создается не только электронами, но и положительными ионами.

Диэлектриками являются воздух, стекло, парафин, слюда, лаки, фарфор, резина, пластмассы, различные смолы, маслянистые жидкости, сухое дерево, сухая ткань, бумага и другие вещества. Фарфоровыми, например, делают изоляторы для электропроводки, лаки используют для покрытия проводов, чтобы изолировать провода друг от друга и от других предметов.

Но есть еще большая группа веществ, называемых полупроводниками. К полупроводникам, в частности, относятся германий и кремний. По электропроводности они занимают среднее место между проводниками и непроводниками. Считавшиеся когда-то непригодными для практических целей, сейчас они стали основным материалом для производства современных полупроводниковых приборов, например транзисторов.

Для того чтобы заставить упорядоченно двигаться в одном направлении свободные электроны в нити накала электрической лампочки, нужно создать в проводнике электрическое поле, подключив, например, проводник к гальваническому элементу. Элемент состоит из цинковой и медной пластинок, называемых электродами, которые помещены в электролит - раствор соли или кислоты, допустим, серной. В результате химической реакции, происходящей между электродами и электролитом, на цинковом электроде образуется избыток электронов, и он приобретает отрицательный электрический заряд, а на медном, наоборот недостаток электронов, и он приобретает положительный заряд. При этом между разноименными электрическими зарядами такого источника тока возникает электрическое поле, действует электродвижущая сила (сокращенно ЭДС), или напряжение. Как только проводник окажется подключенным к полюсам элемента или батареи, в нем возникнет электрическое поле, под действием которого электроны будут двигаться туда, где их недостаток, то есть от отрицательного полюса через проводник к положительному полюсу источника электрической энергии. Это и есть упорядоченное движение электронов в проводнике - электрический ток. Ток течет через проводник потому, что в получившейся цепи (положительный полюс элемента, проводники, отрицательный полюс элемента, электролит) действует электродвижущая сила.

Установлено, что электроны в проводнике движутся от отрицательного полюса (где избыток их) к положительному (где недостаток в них), однако и сейчас, как в прошлом веке, принято считать, что ток течет от плюса к минусу, т. е. в направлении, обратном движению электронов. Условное направление тока, кроме того, положено учеными в основу ряда правил, связанных с определением многих электрических явлений. В то же время такая условность никаких особых неудобств не создает, если твердо помнить, что направление тока в проводниках противоположно направлению движения электронов. В тех же случаях, когда ток создается положительными электрическими зарядами, например, в электролитах химических источников постоянного тока, таких противоречий вообще нет, потому что направление движения положительных зарядов совпадает с направлением тока.

Пока элемент или батарея действуют, во внешнем участке электрической цепи ток течет в одном и том же направлении. Такой ток называют постоянным. Если полюсы элемента поменять местами, то изменится только направление движения электронов, но ток и в этом случае будет постоянным. А если полюсы источника тока менять местами очень быстро и к тому же ритмично? В этом случае электроны во внешнем участке цепи тоже будут попеременно изменять направление своего движения. Сначала они потекут в одном направлении, затем, когда полюсы поменяют местами - в другом, обратном предыдущему и так далее. В цепи появится переменный ток.

При переменном токе электроны в проводнике как бы колеблются из стороны в сторону. Поэтому переменный ток называют также электрическими колебаниями. Переменный ток выгодно отличается от тока постоянного тем, что он легко поддается преобразованию. Так, например, при помощи трансформатора можно повысить напряжение переменного тока или, наоборот, понизить его. Переменный ток, кроме того, можно выпрямить, то есть преобразовать в постоянный ток.

Непосредственную связь между электричеством и магнетизмом открыл в 1819 г. датский профессор физики Ганс Эрстед. Проводя опыты, ученый обнаружил, что всякий раз, когда он включал ток, магнитная стрелка, находящаяся поблизости от проводника с током, стремилась повернуться перпендикулярно проводнику, а когда выключал, магнитная стрелка возвращалась в исходное положение. Ученый сделал вывод: вокруг проводника с током возникает магнитное поле, которое воздействует на магнитную стрелку. Это свойство тока используется во множестве электрических приборов. Если магнитную стрелку поднести к проводу с переменным током, то она останется неподвижной. Однако это не значит, что вокруг проводника с переменным током нет магнитного поля. Магнитное поле есть, но оно тоже переменное. Магнитная же стрелка не будет отклоняться только вследствие своей инерционности, она не будет успевать следовать за изменениями магнитного поля.

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов осуществляется посредством электростатического поля. Электростатическое поле создается заряженными частицами. В случае нескольких частиц выполняется принцип суперпозиции: полное поле равно сумме полей, создаваемых каждым из источников. Количественной характеристикой электростатического поля является вектор напряженности Е, равный по определению силе, действующей со стороны поля на единичный заряд, помещенный в рассматриваемую точку пространства.

Графически поле удобно изображать в виде силовых линий, кривых, в каждой точке которых вектор Е направлен по касательной. Величина напряженности определяется густотой линий. Линии вектора Е начинаются на положительных зарядах или на бесконечности, оканчиваются - на отрицательных или на бесконечности. Замкнутых линий электростатического поля не существует. Движение частиц в электростатических полях определяется тем, что электрические силы (F=QE), направленные вдоль поля (в случае положительно заряженных частиц) и против (в случае отрицательных), способны изменять скорость зарядов как по величине, так и по направлению. Это обуславливает широкое использование электростатических полей для разгона и управления движением заряженных частиц. Так в электронно-лучевых трубках телевизоров и осциллографов электроны создаются и разгоняются в заряженном до разности потенциалов около 30 кВ. конденсаторе - электронной пушке и посылаются в нужную точку флюоресцирующего при их ударах экрана при помощи изменяемых во времени полей в конденсаторах, образующих отклоняющую систему.

Движущиеся заряды (электрический ток) наряду с электрическим полем возбуждают и магнитное поле, то есть порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляются электромагнитные взаимодействия. Таким образом, электричество неразрывно связано с магнетизмом. Магнитные поля создаются движущимися зарядами, подчиняются принципу суперпозиции и могут быть рассчитаны.

Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой, в основе которой лежат уравнения Д. К. Максвелла. Он полностью воспринял идеи М. Фарадея о существовании электромагнитного поля, то есть о реальности процессов в пространстве возле зарядов и токов. Он считал, что тело не может действовать там, где его нет. Первое, что сделал Максвелл, – он придал идеям Фарадея строгую математическую форму, столь необходимую в физике. Выяснилось, что с введением понятия поля законы Кулона и Ампера стали выражаться наиболее полно, глубоко и изящно. В явлении электромагнитной индукции Максвелл усмотрел новое свойство полей: переменное магнитное поле порождает в пустом пространстве электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (так называемое вихревое электрическое поле). Развивая идеи М. Фарадея, он создал теорию электромагнитного поля, ввел понятие о токе смещения, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света.

Открытие основных свойств электромагнитного поля было сделано Максвеллом без какой-либо опоры на эксперимент. Им была высказана гениальная догадка о том, что переменное электрическое поле порождает магнитное поле, как и обычный электрический ток (гипотеза о токе смещения). К 1869 все основные закономерности поведения электромагнитного поля были установлены и сформулированы в виде системы четырех уравнений, получивших название уравнений Максвелла. Из уравнений Максвелла следовал фундаментальный вывод: конечность скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Скорость оказалась равной скорости света в вакууме: около 300000 км/с. Отсюда Максвелл сделал заключение, что свет есть форма электромагнитных волн.

Электромагнитные силы не универсальны. Они действуют лишь между электрически заряженными частицами. Тем не менее, они определяют структуру материи и физические процессы в широком пространственном интервале масштабов от 10^-13 до 10־⁷ см (на меньших расстояниях определяющими становятся ядерные взаимодействия, а на больших нужно учитывать и гравитационные силы). Главная причина в том, что вещество построено из электрически заряженных отрицательных электронов и положительных атомных ядер. Именно существование зарядов двух знаков обеспечивает действие как сил притяжения между разноименными зарядами, так и сил отталкивания между одноименными, и эти силы очень велики по сравнению с силами гравитации. С увеличением расстояния между заряженными частицами электромагнитные силы медленно (обратно пропорционально квадрату расстояния) убывают, подобно гравитационным силам. Но заряженные частицы образуют нейтральные системы атомы и молекулы, силы взаимодействия, между которыми проявляются лишь на очень малых расстояниях. Существенен также сложный характер электромагнитных взаимодействий: они зависят не только от расстояний между заряженными частицами, но и от их скоростей и даже ускорений.

По отношению к реакции на внешнее магнитное поле вещества подразделяются на диамагнетики (ослабляют магнитное поле), парамагнетики (поле в веществе незначительно увеличивается) и ферромагнетики (поле возрастает в десятки тысяч раз и не исчезает после выключения внешнего поля).

С прогрессом науки значение классического учения об электричестве не уменьшилось. Были определены лишь границы применения классической электродинамики. Эти границы устанавливаются квантовой теорией. Классическая электродинамика успешно описывает поведение электромагнитного поля при достаточно медленных колебаниях этого поля. Чем больше частота колебаний, тем отчетливее обнаруживаются квантовые (корпускулярные) свойства электромагнитного поля.

Дата добавления: 2013-12-13