Глава 1

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ

1.1. Общие сведения

В современной физике при рассмотрении многих явлений на­ряду с понятием вещества вводится понятие поля: электромагнит­ное, гравитационное, поле ядерных сил и др. Иными словами, предполагается, что возможны две формы существования мате­рии: вещество и поле. Несмотря на то, что вещество и электромаг­нитное поле являются различными формами существования мате­рии, их свойства сходны во многих отношениях.

Вещество состоит из отдельных частиц: молекул, атомов, элементарных частиц (протонов, электронов, нейтронов и др.). Но и распространяющееся электромагнитное поле (электромагнитные волны) можно рассматривать как поток дискретных частиц-фото­нов. Электромагнитное поле так же, как и вещество, характеризу­ется энергией, массой и импульсом. Правда, масса и импульс ха­рактерны только для распространяющегося электромагнитного поля (электромагнитных волн). В отличие от вещества электромаг­нитное поле не обладает массой покоя. Электромагнитные волны испытывают воздействие гравитационных сил. Известно, что путь распространения световых волн заметно искривляется под влия­нием гравитационных сил больших масс вещества, например Солнца. Импульс электромагнитных волн проявляется в давлении, которое они оказывают на материальные тела. С другой стороны, такие характерные для электромагнитных волн свойства, как ди­фракция и интерференция, присущи также материальным части­цам. Известны, например, явления дифракции и интерференции электронов.

Энергия электромагнитного поля может переходить в другие виды энергии. Фактически само существование жизни на Земле обусловлено преобразованием электромагнитной энергии (энергии солнечных лучей) в тепловую, химическую и другие виды энергии.

Классическая или максвелловская ,теория электромагнитного поля учитывает только макроскопические свойства вещества: предполагается, что размеры рассматриваемой области простран­ства и расстояние от источников поля до рассматриваемой точки велики по сравнению с размерами молекул, а характерное для из­менения электромагнитного поля время (например, период коле­баний) велико по сравнению со временем, характерным для внут­римолекулярных колебательных процессов. На основе классиче­ской теории электромагнитного поля может быть изучен широкий круг вопросов, встречающихся в радиотехнике. Классическая тео­рия поля не охватывает, однако, всех его свойств. За ее предела­ми остаются такие явления, как излучение и поглощение вещест­вом электромагнитных волн очень высокой частоты (например, световых), фотоэффект и др. Строгий анализ подобных явлений должен учитывать микроструктуру вещества и, следовательно, должен базироваться на квантовой теории поля. В пределах дан­ного курса изучается классическая теория электромагнитного поля, т.е. исследуются только его макроскопические свойства.

Электромагнитное поле обычно разделяют на два взаимосвя­занных поля: электрическое и магнитное.

Источниками электромагнитного поля являются электрические заряды. Неподвижные заряды создают только электрическое поле. Движущиеся заряды создают и электрическое, и магнитное поля. Токи проводимости и конвекционные токи представляют собой упорядоченно движущиеся электрические заряды и также создают электромагнитное поле. Заряды взаимодействуют друг с другом, причем сила их взаимодействия определяется законом Кулона.

Разделение единого электромагнитного поля на электриче­ское и магнитное имеет относительный характер: оно зависит от выбранной системы отсчета. Например, движущийся прямолиней­но с постоянной скоростью электрический заряд создает вокруг себя как электрическое, так и магнитное поле. Однако для наблю­дателя, движущегося в том же направлении с той же скоростью, этот заряд является неподвижным и, следовательно, создает только электрическое поле.

Оба поля проявляются в виде механических или, как их при­нято называть, "пондеромоторных" сил. Если в электрическое поле внести пробный электрический заряд, то под действием этих сил он будет перемещаться. Аналогично магнитное поле изменяет на­правление движения пробного электрического заряда, а также ориентирует пробный постоянный магнит (магнитную стрелку). Электрическое поле действует и на неподвижные, и на движущие­ся заряды, магнитное -только на движущиеся. Действие электро­магнитного поля обладает определенной направленностью, по­этому для его описания вводят векторные величины. Рассмотрим основные векторы, характеризующие электромагнитное поле.