3.2. Законы Фарадея — Максвелла для электромагнетизма
Тем не менее оказывается, что, пользуясь этими двумя понятиями потока и
циркуляции, можно прийти к известным четырем уравнениям Максвелла, которые
описывают практически все законы электричества и магнетизма понятиями поля. В этих
уравнениях используются еще два понятия: дивергенция, т.е. расхождение (например,
того же потока в пространстве), описывающая интенсивность источника, и ротор —
вихрь. Но для качественного рассмотрения уравнений Максвелла они не понадобятся. Из
этих уравнений вытекает, что электрическое и магнитное поля связаны друг с другом,
образуя единое электромагнитное поле, в котором распространяются электромагнитные
волны со скоростью, равной скорости света с = 3•108 м/с. Отсюда и был сделан вывод об
электромагнитной природе света.
Уравнения Максвелла являются математическим описанием экспериментальных
законов электричества и магнетизма, установленных ранее многими учеными (Ампер,
Эрстед, Био-Савар, Ленц и др.) и особенно Фарадеем. Фарадей, про которого говорили,
что он не успевает записывать то, что открывает, сформулировал идеи поля как новой
формы существования материи не только на качественном, но и на количественном
уровне. Термин «электромагнитное поле» также ввел М. Фарадей. Любопытно, что свои
научные записи он запечатал в конверт, просив вскрыть его после смерти. Это было
сделано, однако, лишь в 1938 г. Поэтому справедливо считать теорию электромагнитного
поля теорией Фарадея — Максвелла. Отдавая дань заслугам Фарадея, основатель
электрохимии и президент Лондонского королевского общества Г. Дэви (1718—1829), у
которого Фарадей поначалу работал лаборантом, писал: «Хотя я сделал ряд научных
открытий, самым замечательным является то, что я открыл Фарадея».
Явления электро- и магнитостатики и динамики заряженных частиц в классическом
представлении хорошо описываются максвелловскими уравнениями. Поскольку все тела
в микро- и макромире являются так или иначе заряженными, то теория Фарадея —
Максвелла приобретает универсальный характер. В ее рамках описываются и
объясняются движение и взаимодействие заряженных частиц при наличии магнитного и
электриче-
77 ского полей. Физический смысл четырех уравнений Максвелла заключается в
следующем.
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
52
1. Закон Кулона, определяющий силу F взаимодействия зарядов q 1 и q 2 ,
отражает действие электрического поля на эти заряды; здесь
F = qE
— сила Кулона, а Е — напряженность электрического поля.
Отсюда можно получить и другие характеристики взаимодействия заряженных частиц
(тел): потенциал поля, напряжение, энергию поля и т.д.
2. Электрические силовые линии начинаются на одних зарядах (условно принято
считать — на положительных) и заканчиваются на других (отрицательных), т.е. они
прерывны и совпадают (в этом их модельный смысл) с направлением векторов
напряженности —касательных к силовым линиям. Магнитные силовые замкнуты сами
на себя, не имеют ни начала, ни конца, т.е. непрерывны. Это доказывает отсутствие
магнитных зарядов.
3. Электрический ток, как постоянный, так и переменный, создает магнитное поле,
соответственно это магнитное поле постоянное и переменное.
4. Переменное магнитное поле в результате явления электромагнитной индукции
Фарадея создает переменное электрическое поле. Таким образом, эти поля и оказывают
взаимное влияние друг на друга. Поэтому говорят о едином электромагнитном поле.
В уравнения Максвелла входит константа с, которая совпадает со скоростью света,
откуда и был сделан вывод, что свет — это поперечная волна в переменном
электромагнитном поле. При этом процесс прохождения волны в пространстве и времени
продолжается до бесконечности, так как энергия электрического поля переходит в
энергию магнитного поля, и наоборот. В электромагнитных световых волнах взаимно
перпендикулярно колеблются векторы напряженности электрического и магнитного
полей, а в качестве носителя волны выступает само пространство, которое тем самым
является напряженным. Однако скорость распространения волн (не только световых)
зависит от свойств среды. Поэтому, если гравитационное взаимодействие происходит
«мгновенно», т.е. является дальнодействующим, то электрическое взаимодействие в этом
смысле будет близкодействующим, так как распространение волн в пространстве
происходит
78 с конечной скоростью. Примерами являются затухание и дисперсия света в различных
средах.
Таким образом, уравнения Максвелла связывают световые явления с электрическими
и магнитными и тем самым придают фундаментальное значение теории Фарадея —
Максвелла. Заметим еще раз, что электромагнитное поле существует повсюду во
Вселенной, в том числе и в разных средах, и поэтому не имеет конкретного
материального носителя. Уравнения Максвелла играют в электромагнетизме ту же роль,
что уравнения Ньютона в механике, и лежат в основе электромагнитной картины мира.
В 1887 г. Герц экспериментально подтвердил наличие электромагнитного излучения в
диапазоне длин волн от 10 до 100 м с помощью искрового разряда и регистрацией
сигнала в контуре в нескольких метрах от разрядника. Измерив параметры излучения
(длину и частоту волны), он определил скорость распространения волны. Впоследствии
были изучены и освоены другие диапазоны частот электромагнитного излучения. Было
установлено, что волны могут быть любой частоты при наличии соответствующего
источника излучения. Электронными методами можно получить электромагнитные
волны до 1012 Гц (от радиоволн до микроволн); в результате излучения атомов —
инфракрасные, световые, ультрафиолетовые и рентгеновские волны (диапазон частот от
1012 до 1020 Гц). Гамма-излучение с частотой колебаний выше 1020 Гц испускается
атомными ядрами. Таким образом, было установлено, что природа всех
электромагнитных излучений одинакова и все они отличаются лишь частотами.