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 = 310⁸ 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 многие 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 электриче­ского полей. Физический смысл четырех уравнений Максвелла заключается в следующем.

1. Закон Кулона, определяющий силу F взаимодействия заря­дов q_l и д₂,

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 Е —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 Е и магнитного В 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 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. немецкий физик Герц (1857—1894) 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 Ю²⁰ Гц). Гам- ма-излучение с частотой колебаний выше Ю²⁰ Гц испускается атомными ядрами. Таким образом, было установлено, что при­рода всех электромагнитных излучений одинакова и все они от­личаются лишь частотами.