Основы электродинамики. Нестаци-онарные процессы в вакууме. Возбуждение вихревого электрического поля переменным магнитным потоком в проводниковом контуре Из истории электродинамики Предмет классической электродинамики

Курс общей физики (лекции)

Раздел II Электродинамика

Москва, 2003

Лекция 1 «Основы электростатики»

План лекции

1.Введение. Предмет классической электродинамики.

a. Из истории электродинамики.

b. Электродинамика и научно-технический прогресс.

2.Электрические заряды.

a. Свойства электрических зарядов.

b. Закон Кулона.

3.Электрическое поле.

a. Идеи близко – и дальнодействия.

b. Напряжённость электрического поля. Поле точечного заряда. Графическое представление электрических полей.

4.Принцип суперпозиции электрических полей.

a. Поле диполя.

b. Поле бесконечной заряженной нити.

Введение. Предмет классической электродинамики

Из истории электродинамики

Разнообразные электрические и магнитные явления, которые люди наблюдают с незапамятных времён, всегда пробуждали их любопытство и интерес. Однако, «наблюдать» ещё не значит «исследовать».

Первые научные шаги в изучении электричества и магнетизма были сделаны только в конце 16 века врачом английской королевы Елизаветы Уильямом Гильбертом (1540 – 1603). В своей монографии «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земля», Гильберт впервые ввёл понятие «магнитное поле Земли»… Экспериментируя с различными материалами, он обнаружил, что свойством притягивать легкие предметы обладает не только янтарь, потёртый о шёлк, но и многие другие тела: алмаз, хрусталь, смола, сера и т.д. Эти вещества он назвал «электрические», то есть «как янтарь». Так возник термин «электричество».

Первую теорию электрических явлений попытался создать французский исследователь Шарль Дюфэ (1698 – 1739). Он установил, что существует электричество двух родов: «Один род, — писал он, — я назвал «стеклянным» электричеством, другой — «смоляным». Особенность этих двух родов электричества: отталкивать однородное с ним и притягивать противоположное…» (1733 г.).

Дальнейшее развитие теория электричества получила в работах американского учённого Бенджамина Франклина (1706 – 1790). Он ввёл понятие «положительное» и «отрицательное» электричество, установил закон сохранения электрического заряда, исследовал «атмосферное электричество», предложил идею громоотвода. Целый ряд созданных им экспериментальных установок стали классикой и уже более 200 лет украшают физические лаборатории учебных заведений (например, «колесо Франклина»).

В 1785 году французский исследователь Шарль Кулон (1736 – 1806) экспериментально установил закон взаимодействия неподвижных электрических зарядов и позднее — магнитных полюсов. Закон Кулона — фундамент электростатики. Он позволил, наконец-то, установить единицу измерения электрического заряда и магнитных масс. Открытие этого закона стимулировало разработку математической теории электрических и магнитных явлений.

Впрочем, долгое время (ещё со времён Гильберта) считалось, что электричество и магнетизм не имеют ничего общего. Только в 1820 году датчанин Ганс Эрстед (1777 – 1851) обнаружил влияние электрического тока на магнитную стрелку, которое он объяснил тем, что «вокруг проволоки с током образуется магнитный вихрь». Иными словами Эрстед установил, что электрический ток является источником магнитного поля. Это положение стало первым из двух основных законов электродинамики. Второе было установлено экспериментально английским физиком Майклом Фарадеем (1791 – 1867). В 1831 году он впервые наблюдал явление «магнитоэлектрической индукции», когда в проводящем контуре возникал индукционный электрический ток при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур.

В конце 19-го столетия разрозненные результаты исследований электромагнитных явлений обобщил молодой шотландский физик Джемс Кларк Максвелл (1831 – 1879). Он создал классическую теорию электродинамики, в которой в частности предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света, вычислил объемную плотность энергии электромагнитной волны, рассчитал давление, которое должна производить электромагнитная волна при падении на поглощающую поверхность.

Определение 1

Электродинамика – это теория, что рассматривает электромагнитные процессы в вакууме и различных средах.

Электродинамика охватывает совокупность процессов и явлений, в которых ключевую роль играют действия между заряженными частицами, что осуществляются посредством электромагнитного поля.

История развития электродинамики

История развития электродинамики – это история эволюции традиционных физических понятий. Еще до середины 18 столетия были установлены важные опытные результаты, что обусловлены электричеством:

• отталкивание и притяжение;
• деление вещество на изоляторы и проводники;
• существование двух типов электричества.

Также достигнуты немалые результаты в изучении магнетизма. Применение электричества начиналось со второй половины 18 столетия. Возникновение гипотезы об электричестве как особенной материальной субстанции связано с именем Франклина (1706-1790 гг.) А в 1785 году Кулон установил закон взаимодействия точечных зарядов.

Вольт (1745-1827 гг.) изобрел множество электроизмерительных приборов. В 1820 году был установлен закон, что определял механическую силу, с которой магнитное поле воздействует на элемент электрического тока. Данное явление приобрело название закон Ампера. Также Ампер установил закон силового воздействия нескольких токов. В 1820 году Эрстед открыл магнитное действие электрического тока. В 1826 году установлен закон Ома.

В физике особое значение имеет гипотеза молекулярных токов, которая была предложена Ампером еще в 1820 году. Фарадей в 1831 году открыл закон электромагнитной индукции. Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879 гг.) в 1873 году изложил уравнения, которые позже стали теоретической базой электродинамики. Следствием уравнений Максвелла является предсказание электромагнитной природы света. Также он предсказал возможность существования электромагнитных волн.

Со временем в физической науке сложилось представление об электромагнитном поле как о независимой материальной сущности, которая является неким носителем электромагнитных взаимодействий в пространстве. Различные магнитные и электрические явления всегда пробуждали интерес людей.

Зачастую под термином «электродинамика» понимается традиционная электродинамика, которая описывает только непрерывные свойства электромагнитного поля.

Электромагнитное поле – это главный предмет изучения электродинамики, а также особый вид материи, который проявляется при взаимодействии с заряженными частицами.

Попов А.С. в 1895 году изобрел радио. Именно оно оказало ключевой воздействие на дальнейшее развитие техники и науки. При помощи уравнений Максвелла можно описать все электромагнитные явления. Уравнения устанавливают взаимосвязь величин, которые характеризуют магнитные и электрические поля, распределяя в пространстве токи и заряды.

Рисунок 1. Развитие учения об электричестве. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Становление и развитие традиционной электродинамики

Ключевым и наиболее значимым шагом в развитии электродинамики стало открытие Фарадея – явление электромагнитной индукции (возбуждение электродвижущей силы в проводниках при помощи переменного электромагнитного поля). Именно это стало основой электротехники.

Майкл Фарадей – это английский физик, который родился в семье кузнеца в Лондоне. Он окончил начальную школу и с 12 лет работал разносчиком газет. В 1804 году он стал учеником французского эмигранта Рибо, который поощрял стремление Фарадея к самообразованию. На лекциях он стремился пополнить свои знания по естественным наукам химии и физике. В 1813 году ему подарили билет на лекции Гемфри Дэви, которые сыграли решающую роль в его судьбе. С его помощью Фарадей получил место ассистента в Королевском институте.

Научная деятельность Фарадея проходила в Королевском институте, где он сначала помогал Дэви в его химических экспериментах, после чего начал проводить их самостоятельно. Фарадей получил бензол, осуществив снижение хлора и других газов. В 1821 году он обнаружил, как вращается магнит вокруг проводника с током, создав при этом первую модель электродвигателя.

На протяжении последующих 10 лет Фарадей занимается исследованием связей между магнитными и электрическими явлениями. Все его исследования были увенчаны открытием явления электромагнитной индукции, что свершилось в 1831 году. Он детально изучил это явление, а также сформировал его основной закон, в ходе которого выявил зависимость индукционного тока. Также Фарадей исследовал явления замыкания, размыкания и самоиндукции.

Открытие электромагнитной индукции произвело научное значение. Данное явление лежит в основе всех генераторов переменного и постоянного тока. Поскольку Фарадей постоянно стремился выявить природу электрического тока, это привело его к проведению экспериментов по прохождению тока через растворы солей, кислот и щелочей. В результате проведения этих исследований появился закон электролиза, который был открыт в 1833 году. В этом году он открывает вольтметр. В 1845 году Фарадей открыл явление поляризации света в магнитном поле. В этом году он также открыл диамагнетизм, а в 1847 году – парамагнетизм.

Замечание 1

На развитие всей физики ключевое влияние оказали идеи Фарадея о магнитном и электрическом полях. В 1832 году он высказал мысль о том, что распространение электромагнитных явлений – это волновой процесс, который происходит с конечной скоростью. В 1845 году Фарадей впервые употребляет термин «электромагнитное поле».

Открытия Фарадея получили широкую популярность во всем научном мире. В его честь Британское химическое общество учредило медаль Фарадея, которая стала почетной научной наградой.

Объясняя явления электромагнитной индукции и встретившись с затруднениями, Фарадей высказал предположение о реализации электромагнитных взаимодействий при помощи электрического и магнитного поля. Это все положило начало созданию концепции электромагнитного поля, что была оформлена Джеймсом Максвеллом.

Вклад Максвелла в развитие электродинамики

Джеймс Клерк Максвелл – это английский физик, который родился в Эдинбурге. Именно под его руководством создана Кавендишская лаборатория в Кембридже, которую он возглавлял всю свою жизнь.

Работы Максвелла посвящаются электродинамике, общей статистике, молекулярной физике, механике, оптике, а также теории упругости. Наиболее значимый вклад он сделал в электродинамику и молекулярную физику. Одним из основателей кинетической теории газов является Максвелл. Он установил функции распределения молекул по скоростям, что основаны на рассмотрении обратных и прямых столкновений максвелл развил теорию переноса в общем виде и применил ее к процессам диффузии, внутреннего трения, теплопроводности, а также ввел понятие релаксации.

В 1867 году он впервые показал статистическую природу термодинамики, а в 1878 году ввел понятие «статистическая механика». Наиболее значимым научным достижением Максвелла является созданная им теория электромагнитного поля. В своей теории он использует новое понятие «ток смещения » и дает определение электромагнитного поля.

Замечание 2

Максвелл предсказывает новый важный эффект: существование электромагнитного излучения и электромагнитных волн в свободном пространстве, а также распространение их со скоростью света. Также он сформулировал теорему в теории упругости, устанавливая соотношение между ключевыми теплофизическими параметрами. Максвелл развивает теорию цветного зрения, исследует устойчивость колец Сатурна. Он показывает, что кольца не являются жидкими или твердыми, они представляют собой рой метеоритов.

Максвелл был известным популяризатором физических знаний. Содержание его четырех уравнений электромагнитного поля сводятся к следующему:

1. Магнитное поле зарождается при помощи движущихся зарядов и переменного электрического поля.
2. Электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями зарождается при помощи переменного магнитного поля.
3. Линии магнитного поля всегда замкнуты. Данное поле не имеет магнитных зарядов, которые подобны электрическим.
4. Электрическое поле, которое имеет незамкнутые силовые линии, порождается электрическими зарядами, что являются источниками данного поля.

Классическая электродинамика – это теория, объясняющая поведение электромагнитного поля, осуществляющего электромагнитное взаимодействие между электрическими зарядами.

Законы классической макроскопической электродинамики сформулированы в уравнениях Максвелла, которые позволяют определять значения характеристик электромагнитного поля: напряженности электрического поля Е и магнитной индукции В в вакууме и в макроскопических телах в зависимости от распределения в пространстве электрических зарядов и токов.

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов описывается уравнениями электростатики, которые можно получить как следствие уравнений Максвелла.

Микроскопическое электромагнитное поле, создаваемое отдельными заряженными частицами, в классической электродинамике определяется уравнениями Лоренца-Максвелла, которые лежат в основе классической статистической теории электромагнитных процессов в макроскопических телах. Усреднение этих уравнений приводит к уравнениям Максвелла.

Среди всех известных видов взаимодействия электромагнитное взаимодействие занимает первое место по широте и разнообразию проявлений. Это связано с тем, что все тела построены из электрически заряженных (положительных и отрицательных) частиц, электромагнитное взаимодействие между которыми, с одной стороны, на много порядков интенсивнее гравитационного и слабого, а с другой – является дальнодействующим в отличие от сильного взаимодействия.

Электромагнитным взаимодействием определяется строение атомных оболочек, сцепление атомов в молекулы (силы химической связи) и образование конденсированного вещества (межатомное взаимодействие, межмолекулярное взаимодействие).

Законы классической электродинамики неприменимы при больших частотах и, соответственно, малых длинах электромагнитных волн, т.е. для процессов, протекающих на малых пространственно-временных интервалах. В этом случае справедливы законы квантовой электродинамики.

1.2. Электрический заряд и его дискретность. Теория близкодействия

Развитие физики показало, что физические и химические свойства вещества во многом определяются силами взаимодействия, обусловленными наличием и взаимодействием электрических зарядов молекул и атомов различных веществ.

Известно, что в природе существуют два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные. Они могут существовать в виде элементарных частиц: электронов, протонов, позитронов, положительных и отрицательных ионов и др., а также «свободного электричества», но только в виде электронов. Поэтому положительно заряженное тело представляет собой совокупность электрических зарядов с недостатком электронов, а отрицательно заряженное тело – с их избытком. Заряды различных знаков компенсируют друг друга, следовательно, в незаряженных телах всегда имеются заряды обеих знаков в таких количествах, что их суммарное действие скомпенсировано.

Процесс перераспределения положительных и отрицательных зарядов незаряженных тел, или среди отдельных частей одного и того же тела, под влиянием различных факторов называется электризацией.

Так как при электризации происходит перераспределение свободных электронов, то электризуются, например, оба взаимодействующих тела, причем одно из них положительно, а другое – отрицательно. Количество же зарядов (положительных и отрицательных) при этом остается неизменным.

Отсюда следует вывод, что заряды не создаются и не исчезают, а лишь перераспределяются между взаимодействующими телами и частями одного и того же тела, в количественном отношении оставаясь неизменными.

В этом заключается смысл закона сохранения электрических зарядов, который математически можно записать так:

т.е. в изолированной системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается величиной постоянной.

Под изолированной системой понимают такую систему, через границы которой не проникает никакое другое вещество, за исключением фотонов света, нейтронов, так как они не несут заряда.

Надо иметь в виду, что полный электрический заряд изолированной системы является релятивистки инвариантным, т.к. наблюдатели, находящиеся в любой заданной инерциальной системе координат, измеряя заряд, получают одно и то же значение.

Ряд экспериментов, в частности законы электролиза, опыт Милликена с каплей масла, показали, что в природе электрические заряды дискретны заряду электрона. Любой заряд кратен целому числу заряда электрона.

В процессе электризации заряд изменяется дискретно (квантуется) на величину заряда электрона. Квантование заряда является универсальным законом природы.

В электростатике изучаются свойства и взаимодействия зарядов, неподвижных в той системе отсчета, в которой они находятся.

Наличие у тел электрического заряда вызывает взаимодействие их с другими заряженными телами. При этом тела, заряженные одноименно, отталкиваются, а заряженные разноименно – притягиваются.

Теория близкодействия – одна из теорий взаимодействия в физике. Под взаимодействием в физике понимают всякое воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения.

В механике Ньютона взаимное действие тел друг на друга количественно характеризуется силой. Более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия.

Первоначально в физике утвердилось представление о том, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействия. Передача взаимодействия происходит мгновенно. Так, считалось, что перемещение Земли должно сразу же приводить к изменению силы тяготения, действующей на Луну. В этом состоял смысл так называемой теории взаимодействия, получившей название теория дальнодействия. Однако эти представления были оставлены как не соответствующие действительности после открытия и исследования электромагнитного поля.

Было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно и перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а лишь спустя конечное время.

Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие частицы, т.е. взаимодействие передается через «посредника» – электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости распространения света в вакууме. Возникла новая теория взаимодействия теория близкодействия.

Согласно данной теории, взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение посредством гравитационного поля), непрерывно распределенных в пространстве.

После появления квантовой теории поля представление о взаимодействиях существенно изменилось.

Согласно квантовой теории, любое поле является не непрерывным, а имеет дискретную структуру.

Вследствие корпускулярно-волнового дуализма, каждому полю соответствуют определенные частицы. Заряженные частицы непрерывно испускают и поглощают фотоны, которые и образуют окружающее их электромагнитное поле. Электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами (квантами) электромагнитного поля, т.е. фотоны являются переносчиками такого взаимодействия. Аналогично другие виды взаимодействий возникают в результате обмена частиц квантами соответствующих полей.

Несмотря на многообразие воздействий тел друг на друга (зависящих от взаимодействия слагающих их элементарных частиц), в природе, по современным данным, имеется лишь четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное (в порядке возрастания интенсивности взаимодействия). Интенсивности взаимодействий определяются константами связи (в частности, электрический заряд для электромагнитного взаимодействия является константой связи).

Современная квантовая теория электромагнитного взаимодействия превосходно описывает все известные электромагнитные явления.

В 60 – 70-х годах века в основном построена единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий (так называемое электрослабое взаимодействие) лептонов и кварков.

Современной теорией сильного взаимодействия является квантовая хромодинамика.

Делаются попытки объединения электрослабого и сильного взаимодействий в так называемое «Великое объединение», а также включения их в единую схему гравитационного взаимодействия.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Донской государственный технический университет»

(ДГТУ)

Контрольная работа

по дисциплине «Концепции современного естествознания»

Тема № 1.25Становление и развитие классической электродинамики

(М. Фарадей, Д. Максвелл, Г. Герц).

Электродинамическая картина мира.

Выполнила: Онучина А.А.

студентка 1курса направление подготовки заочное обучение

группа ИЗЭS11№ зачетной книжки 1573242

Проверил ________________

Ростов-на-Дону

План:

1. История электродинамики……………………………………………………..3

2. Становление и развитие классической электродинамики.…………….…… 5

3. Электродинамическая картина мира.…………………..……………………10

Список используемой литературы……..………………………………….……13

История электродинамики.

Классическая электродинамика – это теория электромагнитных процессов в различных средах и в вакууме. Охватывает огромную совокупность явлений, в которых основную роль играют взаимодействия между заряженными частицами, осуществляемые посредством электромагнитного поля.

История электродинамики – это история эволюции фундаментальных физических понятий. До середины 18 века были установлены важные опытные результаты, обусловленное электричеством: притяжение и отталкивание, открыто деление веществ на проводники и изоляторы, существование двух видов электричества. Достигнуты успехи в изучении магнетизма.

Практическое применение электричества началось со второй половины 18 века. С именем Фраклина (1706-1790гг.) связано появление гипотезы об электричестве как особой материальной субстанции. В 1785 году Ш.Кулоном установлен закон взаимодействия двух точечных зарядов. С именем А.Вольта (1745-1827гг.) связан ряд изобретений электроизмерительных приборов. В 1826 году установлен закон Ома. В 1820 году Эрстедом открыто магнитное действие электрического тока. В 1820 году установлен закон, определяющий механическую силу, с которой магнитное поле действует на внесенный в него элемент электрического тока – закон Ампера. Ампером также установлен закон силового взаимодействия двух токов.

Особое значение в физике имеет гипотеза молекулярных токов, предложенная Ампером в 1820 году.

В 1831 году Фарадеем открыт закон электромагнитной индукции. В 1873 году Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879гг.) изложил короткие уравнения, ставшие теоретической основой электродинамики. Одним из следствий уравнений Максвелла явилось предсказание ЭМ природы света, он же предсказал возможность существования ЭМ волн. Постепенно в науке сложилось представление об ЭМ поле как о самостоятельной материальной сущности, являющейся носителем ЭМ взаимодействий в пространстве. Разнообразные электрические и магнитные явления, которые люди наблюдают с незапамятных времён, всегда пробуждали их любопытство и интерес. Чаще всего под термином электродинамика понимается классическая электродинамика, описывающая только непрерывные свойства электромагнитного поля. Электромагнитное поле — это основной предмет изучения электродинамики, вид материи, проявляющийся при взаимодействии с заряженными телами. В 1895 году Попов А.С., сделал величайшее изобретение-радио. Оно оказало колоссальное воздействие на последующее развитие науки и техники. Все электромагнитные явления можно описать с помощью уравнений Максвелла, которые устанавливают связь величин, характеризующих электрические и магнитные поля, с распределением в пространстве зарядов и токов.

Становление и развитие классической электродинамики

(М. Фарадей, Д. Максвелл, Г. Герц).

Важным шагом в развитии электродинамики было открытие М.Фарадеем явления электромагнитной индукции — возбуждения переменным магнитным полем электродвижущей силы в проводниках, — ставшей основой электротехники.

Майкл Фарадей — английский физик, родился в предместье Лондона в семье кузнеца. Окончив начальную школу, с двенадцати лет он работал разносчиком газет, а в 1804 г. поступил в ученики к переплетчику Рибо, французскому эмигранту, всячески поощрявшему страстное стремление Фарадея к самообразованию. Чтением и посещением лекций Фарадей стремился пополнить свои знания, причем его влекли главным образом естественные науки — химия и физика. В 1813 г. один из заказчиков подарил Фарадею пригласительные билеты на лекции Гемфри Дэви, сыгравшие решающую роль в судьбе юноши. Обратившись с письмом к Дэви, Фарадей с его помощью получил место лабораторного ассистента в Королевском институте.

Научная деятельность Фарадея протекала в стенах Королевского института, где он сначала помогал Дэви в химических экспериментах, а затем начал самостоятельные исследования. Фарадей осуществил сжижение хлора и некоторых других газов, получил бензол. В 1821 году он впервые наблюдал вращение магнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита, создал первую модель электродвигателя. В течение последующих 10 лет Фарадей занимался исследованием связи между электрическими и магнитными явлениями. Его исследования увенчались открытием в 1831 году явления электромагнитной индукции. Фарадей детально изучил это явление, вывел его основной закон, выяснил зависимость индукционного тока от магнитных свойств среды, исследовал явление самоиндукции и экстратоки замыкания и размыкания.

Открытие явления электромагнитной индукции сразу же приобрело огромное научное и практическое значение; это явление лежит, например, в основе работы всех генераторов постоянного и переменного тока. Стремление выявить природу электрического тока привело Фарадея к экспериментам по прохождению тока через растворы кислот, солей и щелочей. Результатом этих исследований стало открытие в 1833 г. законов электролиза. В 1845 г. Фарадей обнаружил явление вращения плоскости поляризации света в магнитном поле. В том же году он открыл диамагнетизм, в 1847 году — парамагнетизм, также в 1833 году он изобрел вольтметр.

Идеи Фарадея об электрическом и магнитном полях оказали большое влияние на развитие всей физики. В 1832 году Фарадей высказал мысль о том, что распространение электромагнитных взаимодействий есть волновой процесс, происходящий с конечной скоростью, а в 1845 году он впервые употребил термин «магнитное поле».

Открытия Фарадея завоевали широчайшее признание во всём научном мире. В честь Майкла Фарадея Британское химическое общество учредило медаль Фарадея – одну из почётнейших научных наград.

Пытаясь объяснить явление электромагнитной индукции на основе концепции дальнодействия, но встретившись с затруднениями, он высказал предположение об осуществлении электромагнитных взаимодействий по средством электромагнитного поля, на основе концепции близкодействия. Это положило начало формированию концепции электромагнитного поля, оформленную Д.Максвеллом. Джеймс Клерк Максвелл — английский физик. Родился в Эдинбурге. Под его руководством была создана известная Кавендишская лаборатория в Кембридже, которую он возглавлял до конца своей жизни.

Работы Максвелла посвящены электродинамике, молекулярной физике, общей статистике, оптике, механике, теории упругости. Наиболее весомый вклад Максвелл сделал в молекулярную физику и электродинамику. В кинетической теории газов, одним из основателей которой он является, установил функции распределения молекул по скоростям, основанный на рассмотрении прямых и обратных столкновений, развил теорию переноса в общем виде, применив ее к процессам диффузии, теплопроводности и внутреннего трения, ввел понятие релаксации. В 1867 году первый показал статистическую природу второго начала термодинамики, в 1878 году ввел термин «статистическая механика».

Самым большим научным достижением Максвелла является созданная им в 1860-1865 годах теория электромагнитного поля. В своей теории электромагнитного поля Максвелл использовал новое понятие — ток смещения, дал определение электромагнитного поля и предсказал новый важный эффект: существование в свободном пространстве электромагнитного излучения, электромагнитных волн и его распространение в пространстве со скоростью света. Ученый также сформулировал теорему в теории упругости, установил соотношения между основными теплофизическими параметрами, развивал теорию цветного зрения, исследовал устойчивость колец Сатурна, показав, что кольца не являются твердыми или жидкими, а представляют собой рой метеоритов. Максвелл сконструировал ряд приборов. Он был известным популяризатором физических знаний.

1) магнитное поле порождается движущимися зарядами и переменным электрическим полем (током смещения);

2) электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (вихревое поле) порождается переменным магнитным полем;

3) силовые линии магнитного поля всегда замкнуты (это означает, что оно не имеет источников — магнитных зарядов, подобных электрическим);

4) электрическое поле с незамкнутыми силовыми линиями (потенциальное поле) порождается электрическими зарядами — источниками этого поля.

Из теории Джеймса Максвелла вытекает конечность скорости распространения электромагнитного взаимодействия и существование электромагнитных волн. Максвелловская теория электромагнитного поля является фундаментальным обобщением электродинамики, поэтому она по праву занимает почётное место в ряду величайших научных достижений человечества, таких как классическая механика, релятивистская физика и квантовая механика. В 1861-1862 годах Джеймс Максвелл публикует свою статью о физических силовых линиях. Основываясь на практическом совпадении скорости распространения электромагнитных возмущений и скорости света, Максвелл предположил, что свет тоже является электромагнитным возмущением. И эта, казалось бы, абсолютно фантастическая для того времени идея вдруг начала обрастать экспериментальными подтверждениями.

И все бы вроде ничего, да вот в 1885 году некий преподаватель школы для девочек в Базеле Иоганн Якоб Бальмер, после своих экспериментов, пишет коротенькую, буквально на пару страничек, статью где говорится: «Обратите внимание на спектральные линии водорода». Которая ввела физиков-теоретиков в состояние ступора на ближайшие два десятилетия. Четкие спектральные линии серии Бальмера наглядно продемонстрировали мировому физическому научному сообществу, что не всё так просто в этом мире.

Развитие классической электродинамики после Максвелла шло по нескольким направлениям, из которых отметим два основных. Во-первых, совершенствовалась математическая сторона теории Максвелла и были получены некоторые новые результаты. Во-вторых, произошло объединение теории электромагнитного поля с основными идеями теории строения вещества. Последнее направление привело к созданию электронной теории.

Также хочу отметить выдающегося немецкого физика Генриха Рудольф Герца. Окончил Берлинский университет, с 1885 года по 1889 год был профессором физики Университета в Карлсруэ. С 1889 года — профессор физики университета в Бонне.

Основное достижение — экспериментальное подтверждение электромагнитной теории света Джеймса Максвелла. Герц доказал существование электромагнитных волн.

Он построил электродинамику движущихся тел, исходя из гипотезы о том, что эфир увлекается движущимися телами. Однако его теория электродинамики не подтвердилась опытами и позднее уступила место электронной теории Хендрика Лоренца. Результаты, полученные Герцем, легли в основу создания радио. В 1886 году Герц впервые наблюдал и дал описание внешнего фотоэффекта. Герц разрабатывал теорию резонансного контура, изучал свойства катодных лучей, исследовал влияние ультрафиолетовых лучей на электрический разряд. Именем Герца с 1933 года называется единица измерения частоты Герц, которая входит в международную метрическую систему единиц СИ.

Физика — одна из важнейших наук, изучаемых человеком. Ее присутствие заметно во всех сферах жизни, иногда открытия даже меняют ход истории. Поэтому великие физики так интересны и значимы для людей.

Электродинамика — это область физики, в которой изучаются свойства и закономерности по­ведения электромагнитного поля и движение электрических зарядов, взаимодействующих друг с другом посредством этого поля.

Многие великие учёные физики посвятили свои жизни попыткам найти ответы на необходимые человечеству вопросы. Мир не стоит на месте, все течет и меняется, планета вращается вокруг оси, гроза всегда приходит с молнией и громом, а листья падают на землю. И именно простые на первый взгляд вещи пробудили в человеке интерес к точным и естественным наукам.

Похожая информация.

История развитияклассической электродинамики являетсяпоучительным примером того, какматематизация естественно научнойдисциплины и переход к изящному (хотяи достаточно сложному) языку описания повлекли за собой качественный скачокв понимании целого ряда явлений природы,часть из которых была первоначальнопредсказана теоретически (“на кончикепера”), а потом получила блестящееэкспериментальное подтверждение. Внастоящей теме будет содержатьсядостаточно большое количествоматематических формул, приводимых лишьс целью иллюстрации красоты и компактностиязыка математики.

Непрерывныераспределения зарядов.Входящие в выражения для электростатическихи магнитостатических полей (9_4) и (9_8)суммы в случае макроскопическихзаряженных тел содержат очень большоечисло слагаемых, соответствующих вкладамв поля от точечных зарядов. Их вычислениенеудобно с чисто “технической” точкизрения: математическая операциясуммирования более трудоемка, чем,например, интегрирование (сказанноеотносится к аналитическим расчетам,при компьютерном счете суммированиепредпочтительнее взятия интегралов,однако в 19 веке подобной альтернативыв математике не существовало). Переходк интегрированию требовал приближеннойзамены дискретногораспределенияэлементарных зарядов на непрерывное,характеризуемое плотностьюэлектрического заряда(отношение величины заряда к объемусодержащего его небольшого, номакроскопического элемента пространства):

Естественно, что замена (1) приводила к “сглаживанию”рассчитываемых макроскопических полейпо сравнению с реальными микроскопическими,сильно изменяющимися на сравнимых сразмером атома расстояниях. Описанныйпереход к непрерывному распределениезарядов существенно упрощал расчеты,не снижая их практическую ценность(наука и техника 19 века еще не дорослидо эффектов, происходящих на микроскопическомуровне организации материи).

Математическийформализм.Переходк непрерывным распределениям зарядови токов позволил переписать законыэлектро и магнитостатики сразу внескольких математических формах,эквивалентных по физическому смыслу,но существенно различающихся по техникевыполнения конкретных расчетов:

интегральныеформулировки:

дифференциальныеформулировки:

(3) ;

расчетполей через скалярный и векторный потенциалы:

Т.о.адекватное описание одних и тех жезаконов естествознания возможно наразличных языках математики.

Операторы.В начале 20 века в математике были введеныновые объекты — операторы,без использования которых современнаяфизика была бы немыслима. Понятиеоператора является естественнымобобщением традиционного для классическойматематики понятия функции. Если подфункцией понимается закон (правило,отображение), по которому одному числу(набору чисел) ставится в соответствиедругое число (набор чисел), то подоператором подразумевают закон,по которому одному объекту (группеобъектов) ставится в соответствие другойобъект (группа).Наиболее часто встречаются операторы,действующие на функции (операторыумножения на число, дифференцирования,интегрирования и т.д.) или векторы(оператор поворота, проектирования ит.д.). Весьма полезной оказалась идеяопределения математических операцийнад операторами. Например, под произведениемдвух операторов подразумеваетсяоператор, выполняющий последовательнодействия каждого из перемножаемыхоператоров. Для операции умноженияоператоров в общем случае не выполняетсясвойство коммутативности:

(5) .

Использованиеязыка операторов существенно сокращаетзапись многих математических формул иделает их более “элегантными”. Таквведение лишь одного дифференциальногооператора “набла”

припомощи стандартным образом определенныхопераций скалярного (,) и векторного [, ]умножения позволяет записать системыуравнений (3) и (4) в весьма компактнойформе:

(3’) ;

(4’) , .

Впоследних равенствах использованоператорЛапласа:

(7) .

Помимократкости записи преимущество операторногометода состоит в том, что. с самимоператором набла можно обращаться почтитак же, как с обычным вектором, что,несомненно, облегчает громоздкиевыкладки.

Законэлектромагнитной индукции Фарадея.Долгое время электрические и магнитныеявления считались независимыми, хотядаже на уровне магнитостатики это несовсем верно: магнитостатическое полепорождается постоянными токами,существование которых в вещественевозможно без наличия электрическогополя. Фарадей экспериментальным путемустановил, что изменяющеесяво времени магнитное поле может порождатьэлектрическое.Это электрическое поле в отличие отпорождаемого зарядами потенциальногоэлектростатического является вихревым,т.е. его линии представляют собойзамкнутые кривые (рис. 11_1). ОткрытыйФарадеем закон индукции впоследствииимел колоссальное практическое значение,поскольку открыл весьма удобный идешевый способ преобразования механическойэнергии движения источников магнитногополя в электрическую, ныне лежащий воснове промышленного производстваэлектроэнергии.

С точки зренияматематической записи уравнений дляполя открытое Фарадеем явление требуетвидоизменения системы уравнений (6):

(10).

ГипотезаМаксвелла. Рассмотрев совместно систему уравнений(7) и (10) Максвелл обратил внимание наследующие ее недостатки:

1. Указанная системанесовместна с законом сохранения заряда.

2. Система оказаласьвесьма несимметричной даже для случаяописания электромагнитного поля впустом пространстве (=0и j=0).

Несоответствиеуравнений закону сохранения зарядабыло достаточным аргументом для того,чтобы усомниться в их истинности,поскольку законы сохранения носятвесьма общий характер. Оказалось, чтосуществует множество способоввидоизменения системы уравнений (7),(10), приводящих их в соответствие сзаконом сохранения. Максвеллом былвыбран простейшийиз возможных путь, приводящий системук симметричномувиду вслучае ее использования для описанияполей в пустом пространстве. В последнееуравнение было добавлено слагаемое,описывающее возможность генерациивихревого магнитного поля изменяющимсяэлектрическим (“ток смещения”):

(11).

Чистоматематическими следствиями извидоизмененной системыуравнений Максвеллабыли утверждение о сохранении энергиив электромагнитных процессах итеоретический вывод о возможностинезависимого от зарядов и токовсуществования поля в виде электромагнитныхволн впустом пространстве. Это последнеепредсказание нашло блестящееэкспериментальное подтверждение взнаменитых опытах Герца и Попова,положивших основу современной радиосвязи.Рассчитываемая из системы (11) скоростьраспространения электромагнитных волноказалась равной экспериментальноизмеренной скорости распространениясвета в вакууме, что означало объединениепрактически ранее независимых разделовфизики электромагнетизма и оптики водну законченную теорию.

Проблемасуществования магнитного монополя.Колоссальный успех теории Максвеллапродемонстрировал возможностьтеоретического поиска новых законовприроды на основе анализа математическихуравнений, описывающих ранее известныезакономерности, с обязательнойэкспериментальной проверкой такимобразом “угадываемых” результатов.

Симметричнаядля описания электромагнитных полей впустом пространстве система уравненийМаксвелла (11) существенно “теряет своюкрасоту” при учете электрическихзарядов и токов: создаваемое электрическимизарядами потенциальное поле Ене имеет аналога в магнитных взаимодействиях.Эта ассиметрия послужила поводом дляпостановки множества экспериментов попоиску магнитныхмонополей(или магнитных зарядов) — гипотетическихчастиц, являющихся источникомпотенциального магнитного поля итеоретических исследований ихпредполагаемых свойств. Донастоящего времени надежныхэкспериментальных данных о существованиимагнитных монополей не получено.

Противоречиямежду электродинамикой и классическойфизикой.Сформулированные в виде законченнойтеории и выдержавшие экспериментальнуюпроверку законы электромагнетизмаМаксвелла оказались в противоречии спринципами, лежащими в основе классическогомиропонимания Галлилея — Ньютона:

1. Удовлетворяющиепринципу относительности Галилеяклассические силы могут зависеть отвремени, расстояний между телами и ихотносительных скоростей, т.е. величин,не изменяющихся при переходе из однойинерциальной системы отсчета в другую.Магнитостатические поля и связанные сними силы Лоренца являются функциямискоростей зарядов по отношению кнаблюдателю и различны в разныхинерциальных системах отсчета. Т.о.явления природы, обусловленныеэлектромагнитными взаимодействиями,с точки зрения классической физики вразличных инерциальных системах отсчетадолжны протекать по-разному.

2. Получаемая врезультате решения уравнений Максвелласкорость распространения электромагнитныхволн в пустом пространстве оказаласьнезависящей от скоростей движения какисточника этих волн, так и наблюдателя.Этот вывод полностью противоречилоклассическому закону сложения скоростей.

Все попыткивидоизменить уравнения электромагнетизматак, чтобы привести их в согласие спринципами классического естествознанияприводили к теоретическому предсказаниюэффектов, ненаблюдаемых на эксперименте,и были признаны несостоятельными.

ПреобразованияЛоренца.Посколькууравнения Максвелла не были инвариантнымиотносительно преобразований Галилея,т.е. вопреки требованиям принципаотносительности изменяли свою формупри переходе из одной инерциальнойсистемы отсчета в другую, по правилам,задаваемым соотношениями:

(12),

Лоренцем былпоставлен естественный вопрос оботыскании таких преобразований координати времени, которые не изменяли быуравнений Максвелла и были при этоммаксимально простыми. Эта задача былаим решена как чисто математическая:

(13).

Сравниваяпреобразования Галилея (12) и Лоренца(13), легко заметить, что последниепереходят в классические в случаескоростей, малых по сравнению со скоростьюсвета с.Т.о. предложенные Лоренцем соотношенияудовлетворяли принципусоответствия,согласно которому новаятеория должна согласовываться со старойо областях, где последняя была надежнопроверена на экспериментах.Кроме того, следующий из преобразованийЛоренца релятивистскийзакон сложения скоростейоставлял скорость света инвариантнойотносительно переходя в любую инерциальнуюсистему отсчета, движущуюся со скоростью,меньшей с.

ОпытыМайкельсона.Следующее из уравнений Максвеллаутверждение о постоянстве скоростисвета при переходах в другие системыотсчета полностью противоречилоклассическим представлениям. Вставалестественный вопрос о его экспериментальнойпроверке. Весьма изящный экспериментбыл осуществлен Майкельсоном с помощьюспециально сконструированного имприбора — интерферомета,позволяющего сравнивать временараспространения световых сигналоввдоль двух взаимно перпендикулярныхотрезков прямых, ограниченных на концахзеркалами (рис. 11_2). Идея опыта состоялав попытке зарегистрировать различиескоростей распространения света вдольразных плеч интерферометра, вызванноеорбитальным движением Земли. Опытыс интерферометром Майкельсона далиотрицательные результаты: скоростьсвета с высокой точностью оказаласьнезависящей от соотношения направленийего распространения и движения Земли.

Многочисленныепопытки спасти классический законсложения скоростей путем введениягипотетической среды — эфира,в которой распространяются световыеколебания потерпели полную неудачусвойства предполагаемой Среды оказывалисьвесьма экзотическими, никакихэкспериментальных подтверждений еереального существования получено небыло.

Выход извозникшей на рубеже веков в естествознаниитупиковой ситуации был предложен А.Эйнштейном, создавшим специальнуютеорию относительности(СТО),в которой на основе двух хорошо проверенныхна эксперименте постулатов(утверждений)строится внутренне непротиворечивая(хотя и весьма странная с точки зренияклассического естествознания и житейскогоопыта) концепция, объясняющая преобразованияЛоренца и предсказывающая ряд новыхявлений, реально зарегистрированных вприроде.