Частина іі. Теорія електромагнічного поля вступ. Електромагнітне поле – фізична субстанція

Електромагнітне поле – особлива фізична субстанція. Воно характеризується неперервним розподілом у просторі і разом з тим проявляє дискретну структуру у вигляді квантів. Будь-яка електрична заряджена частинка оточена електромагнітним полем, що утворює з нею єдине ціле. Але електромагнітне поле може існувати у вільному, окремому від зарядженої частинки стані і поширюватися у просторі.

Пізнати поле – пізнати одну з найважливіших таємниць природи. Всесвіт складається з нескінченної кількості елементарних частинок. З таких самих частинок складається і наше тіло. Кожна з частинок оточена гравітаційним полем, а заряджені з них й електромагнітним. Усі ці поля взаємодіють між собою і творять єдність фізичних явищ у Всесвіті.

Рух електронів далекої зірки на хвилях електромагнітного поля збуджує електрони нашого ока. Якби не взаємодіяли магнітні поля, ми б взагалі нічого не знали про зовнішній світ. Якщо ми скеруємо свої помисли всередину себе, то й тут виявляємо, що хімічна взаємодія у нашому тілі, як і в оточуючому світі, і, нарешті, саме життя пояснюється законами електромагнетизму. Ми тісно пов’язані полями з кожним електроном і протоном у Всесвіті.

Електромагнітне поле – носій певної кількості енергії. Воно володіє і певною масою, що відповідає цій енергії, яка може бути обчислена за загальною формулою: , де – повна енергія, – маса, – швидкість світла. Але густина маси в реальних полях надто мала, і це дає підстави не цікавитися цією характеристикою, а зосередити увагу на енергетичному боці справи.

Електромагнітне поле, володіючи масою, володіє кількістю руху, подібно до речовини. Воно може перетворюватися у речовину, як і речовина в поле. Як і в речовині, у полі є потоки енергії і може переміщуватися його маса. Наявність у полі інерціальної маси експериментально було підтверджено у 1899 році П. Лебедєвим, який виміряв світловий тиск. На наявність гравітаційної маси вказало скривлення світлового променя в полі тяжіння Сонця під час повного затемнення у 1960 році, коли Р. Паунд виявив, що швидкість променя збільшується під час руху вниз і зменшується під час руху вгору. У 1933 році було виявлено перетворення електрона і позитрона в два кванти електромагнітного випромінювання, а пізніше зворотне явище – перетворення фотона в пару електрон-позитрон.

Лебедєв Петро (1866 – 1912) – російський фізик. Основні дослідження стосуються акустики, електрики, оптики. Виміряв тиск світла на тверді тіла і гази, держав на той час найкоротші електромагнітні хвилі довжиною 6 мм.

Найвидатнішою подією ХІХ століття, без сумніву, є відкриття Максвеллом рівнянь електромагнітного поля. Записані вони стосовно векторів електромагнітного поля і опубліковані у 1873 році. Існування електромагнітних хвиль, що випливало з цих рівнянь, було підтверджено лише через 15 років у експериментах Герца.

Уже в наступному столітті у 1926 році з’являється квантова фізика. У хвилевих рівняннях Шредінгера появляється векторний потенціал електромагнітного поля, який не може бути замінений на вектори поля. Відтак формуються рівняння електромагнітного поля у потенціалах. Останні з перших однозначно одержуються в результаті диференціальних операцій.

Шредінгер Ервін (1887 – 1961) – австрійський фізик-теоретик, один з творців квантової механіки. Одержане ним основне рівняння квантової механіки і методи його розв’язання лежать в основі висвітлення всіх нерелятивістських мікроявищ сучасної фізики. Нобелівська премія, 1933.

Довгий час векторний потенціал вважали суто розрахунковою величиною, позбавленої фізичного змісту. Та невдовзі була виявлена силова дія електромагнітного поля на рухомі електрони за відсутністю вектора магнітної індукції , але в ролі вектора . Цей факт змусив переглянути ставлення до вектора . Остаточну крапку було поставлено в 1956 році двома американськими вченими: Бором і Ароновим і тепер у загальній теорії квантової електродинаміки – у системі рівнянь, що замінюють рівняння Максвелла, векторний і скалярний потенціали уже вважаються фундаментальними величинами. Вектори і поступово зникають із сучасного запису фізичних законів: їх витісняють потенціали і .

Поділ об’єктивноіснуючого електромагнітного поля на дві його складові – поле електричне і поле магнітне – є відносним і узалежненим від умов спостереження. Як було доказано пізніше, взагалі можна обійтися без поняття магнітного поля. Теорію електромагнітного поля можна побудувати, виходячи із закону Кулона й перетворення Лоренца. Але такий шлях був би надто кропітким. Поняття магнітного поля значно спрощує розрахунки, тому воно корисне. Магнітне поле насправді є релятивістським ефектом, викликаним рухом електричних зарядів. У механіці цей ефект стає відчутним при швидкостях, близьких до світла, в електромагнетизмі – при ледь помітних. Релятивістська теорія виникла з рівнянь Максвелла. У цій теорії останні не зазнали змін, як такі, що враховували релятивістські ефекти у вигляді поняття магнітного поля.

Основоположниками вчення про електромагнітне поле є Герц, Лоренц, Максвелл, Пуанкаре.

Пуанкаре Анрі (1854 – 1912) – французький математик, фізик, астроном, філософ. Діяльність Пуанкаре дуже широка: вона охопила всі області фізико-математичних наук. Ним зроблений вагомий внесок у розвиток вищого аналізу, неевклідової геометрії, арифметики, астрономії, математичної фізики та інших наук. Пуанкаре, як автор релятивістської теорії гравітації, започаткував нову еру небесної механіки. Фізичні дослідження стосуються теорії відносності, термодинаміки, електромагнетизму, оптики, теорії пружності, молекулярної фізики. Як філософ Пуанкаре відомий працями із загально методологічних проблем науки.

Найславетніша сторінка життя Пуанкаре – розробка теорії відносності. Проблема відносності ще до Ейнштейна була глибоко проаналізована Пуанкаре. Саме йому належить істотний внесок у майбутнє розв’язання цієї проблеми. Вже тоді Пуанкаре володів усіма найістотнішими елементами цієї теорії: зокрема, йому були відомі формули релятивістського складання швидкостей, він глибоко дослідив динаміку електрона з масою, залежною від швидкості, розробив формули релятивістської кінематики тощо. Постановка питання про одночасність і визначення цього поняття на підставі постійної швидкості світла – дані Пуанкаре ще у 1898 р. Саме у викладі Пуанкаре теорія відносності набула строгої математичної форми. Він задовго до Мінковського, але значно пізніше українського вченого Миколи Гулака, ввів у неї чотиривимірне уявлення, додавши до трьох просторових координат четверту – власний час системи відліку. Торкаючись чотиривимірної геометрії, Пуанкаре показав, що час і простір нероздільні і є частинами одного цілого.

Очевидним є те, що пізнання природи електромагнетизму немислиме без знання теорії електромагнітного поля. Разом з тим знання цієї теорії має велике практичне значення: жодного розрахунку не можна виконати, не вдавшись до інтегрування рівнянь електромагнітного поля. Широко використовувані поняття параметрів електричних кіл із зосередженими діленими параметрами одержані в результаті саме такого інтегрування за тих чи інших спрощень. Але існує безліч практичних задач, коли такі спрощення недопустимі. Це перш за все стосується розповсюдження електромагнітних хвиль у просторі, випадків, коли вихрові електромагнітні поля виконують безпосередньо робочі функції, особливо у нелінійних середовищах тощо. У таких випадках треба безпосередньо звертатися до рівнянь електромагнітного поля. Цьому звертанню щораз настійливіше сприяє сучасна комп’ютерна техніка. Тому методи теорії електромагнітного поля завойовують все нові простори в електротехнічних розрахунках.