Электромагнитное поле и его особенности

Первоначально в исследованиях М. Фарадея понятие электромагнитного поля играло вспомогательную роль, и служило в качестве наглядной иллюстрации для демонстрации сил поля. Однако впоследствии оно стало таким же фундаментальным понятием, как и понятие вещества. В его основе, как мы видели, лежат два важнейших открытия, связавшие в одно целое электрические и магнитные поля. Как мы уже знаем, Эрстед установил, что вокруг проводника, по которому течет электрический ток, возникает магнитное поле. Продолжая его исследования, Роуланд открыл, что новая сила, возникающая под воздействием тока, зависит от скорости движения электрического заряда и направлена, перпендикулярно к плоскости этого движения.

В дальнейшем Фарадей открыл совершенно противоположное явление электромагнитной индукции, которое свидетельствовало о том, что изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле и, следовательно, вызывает электрический ток.

Таким образом, электрическое и магнитное поле являются не изолированными объектами, а образуют взаимосвязанное, единое электромагнитное поле. Там, где существует электрическое поле, там обязательно возникает и магнитное поле, и наоборот, магнитное поле создает электрическое поле. Однако этот важнейший вывод относится только к изменяющимся полям. Если не будет движения электрических зарядов, тогда не возникнет и магнитное поле. Например, вокруг неподвижного, заряженного электричеством шара, существует статическое электрическое поле, но поскольку шар остается неподвижным, то никакого магнитного поля вокруг него не образуется. Стоит только привести шар в движение, как вокруг него возникнет магнитное поле. Аналогично этому, неподвижный магнит, вокруг которого существует статическое магнитное поле, не создает в замкнутом проводнике, находящемуся поблизости, электрического поля, а тем самым и электрического тока. Следовательно, статические, не изменяющиеся в пространстве и со временем электрические и магнитные поля, не создают единого электромагнитного поля.

Установление глубокой внутренней связи и единства между ранее изолированными электрическими и магнитными явлениями, которые прежде рассматривались как особого рода невесомые жидкости, было выдающимся достижением в физике. Возникшее на этой основе понятие электромагнитного поля покончило с многочисленными попытками механической интерпретации электромагнитных явлений. Даже истолкование силовых линий как механических натяжений поля, которыми пользовался еще Фарадей, потеряло смысл после того, как великим английским физиком Д.К. Максвеллом была построена математическая теория электромагнитного поля.

Эта теория представляет собой обобщение всех эмпирических зависимостей, установленных Эрстедом, Роуландом, Фарадеем и другими учеными при исследовании электрических и магнитных явлений. Но это обобщение отнюдь не сводится к суммированию их результатов, а предполагает идеализацию изучаемых процессов. Между законами электромагнитного поля, выраженными в уравнениях Максвелла, и законами механики Ньютона существует определенная связь. При изучении механических законов мы выяснили, что, зная координаты материальной точки, его скорость и уравнение движения, можно точно определить его положение и скорость в любой точке пространства в каждый момент времени в будущем или прошлом. Для этого используются обыкновенные дифференциальные уравнения.

Уравнения Максвелла дают возможность, зная состояние поля в какой - либо момент времени, определить, как оно будет изменяться с течением времени. Но между законами механики и электромагнетизма имеется и существенное отличие. Если при заданном состоянии движения материальной точки законы механики позволяют определить его траекторию и положение в любой произвольный момент времени в любом месте, то законы Максвелла дают возможность определить состояние электромагнитного поля в непосредственной близости с предыдущим его состоянием. Условно говоря, в механике при определении состояния движения системы опираются на представление о дальнодействии. Согласно принципу дальнодействия, автором которого был французский ученый и философ Рене Декарт, силовое воздействие можно передать мгновенно на любое расстояние через пустое пространство. В теории электромагнитного поля такая возможность отрицается и поэтому она опирается на принцип близкодействия. Это позволяет шаг за шагом проследить изменение электромагнитного поля с течением времени.

При изучении движения материальных частиц или систем, образованных из них, историю изменения их состояний можно изучать по их траекториям. В электромагнитной теории приходится обращаться уже к изменениям, происходящим с полем в пространстве. Поэтому для математического описания электромагнитного поля обращаются к уравнениям с частными производными. Если в механике изменение и движение всегда рассматривается с учетом взаимодействия самих тел, являющихся источником движения, то есть внешней силой, вызывающей это движение, то в теории электромагнитного поля абстрагируются от подобных источников и рассматривают лишь изменение поля в пространстве с течением времени в целом. Более того, источник, создающий поле, со временем может перестать действовать, хотя порожденное им поле продолжает существовать.

Наконец, из уравнений Максвелла вытекает следствие о существовании электромагнитных волн и скорости их распространения. Действительно, колеблющийся электрический заряд создает изменяющееся электрическое поле, которое сопровождается изменяющимся магнитным полем. Если поблизости от него находится замкнутый проводник, то в нем возникает электрический ток, который создает магнитное поле и т.д. В результате колебаний электрических зарядов в окружающее пространство излучается определенная энергия в виде электромагнитных волн, которые распространяются с определенной скоростью. Поскольку направление распространения энергии перпендикулярно направлению силовых линий поля, постольку электромагнитные волны являются поперечными.

Поскольку было установлено, что скорость распространения электромагнитных волн равна 300 000 км/сек., и с такой же скоростью распространяется свет, постольку было логично предположить, что между электромагнитными и световыми явлениями существует определенная общность.

Дата добавления: 2015-06-28