Тема 4.
Электромагнетизм.
Поля и волны (макромир)
Электромагнетизм – это раздел физики, изучающий электриче-
ские и магнитные явления. С электричеством люди были знакомы с
древних времен. Еще древние греки знали, что если кусок янтаря
потереть шерстью, то он начинает притягивать легкие предметы.
Слово «электрон» по-гречески означает янтарь. До XVIII в. наука
электричеством не занималась. Первым ученым, начавшим изучать
заряженные тела, был француз Ш. Кулон, открывший основной за-
кон электростатики – науки о неподвижных электрических зарядах
(именно его именем названа единица измерения заряда). Поначалу
электрические явления никак не связывали с магнетизмом (послед-
ний был известен еще древним китайцам, которые изобрели компас).
На рубеже XIII и XIX веков датчанин Х. Эрстед и француз А. Ампер
продемонстрировали на опыте, что проводник с током порождает
эффект отклонения магнитной стрелки. Ампер стал творцом нового
раздела физики – электродинамики, его именем названа единица
измерения силы тока. Эстафету изучения электромагнетизма далее
принял великий английский экспериментатор М. Фарадей, открыв-
ший закон электромагнитной индукции – явления возникновения
электрического тока в проводнике, находящемся в переменном маг-
нитном поле. Именем Фарадея названа единица измерения электро-
емкости. Эрстед, Ампер и Фарадей были великими экспериментато-
рами. Единую теорию электромагнетизма разработал выдающийся
английский физик и математик Дж. Максвелл. Он вывел четыре
уравнения, описывающие электромагнитные явления, записав их в
дифференциальной и интегральной форме, т.е. используя весь аппа-
рат высшей математики. Другим важным открытием Максвелла бы-
ло установление того факта, что свет имеет электромагнитную при-
Концепции современного естествознания
17
роду. Наконец, Максвелл ввел понятие поля как пространства вне
масс и зарядов, передающего их взаимодействие. Стало ясно, что ма-
терия существует не только в виде вещества, состоящего из частиц,
но и в виде поля (об идее близкодействия будет сказано ниже). Пере-
дается поле с помощью волн. Волну можно определить как передачу
энергии без передачи вещества. Волны бывают продольными (звук)
и поперечными (электромагнитные). Наука о распространении звука
называется акустикой. Звук хорошо передается в воздухе, жидкости
и в твердом веществе (кристалле), но не распространяется в вакууме.
Скорость звука в воздухе составляет примерно 340 м/сек.
Вернемся к понятию поля. Максвелл ввел два вида поля – грави-
тационное, описываемое законом Всемирного тяготения, и электро-
магнитное, описываемое уравнениями Максвелла. Забегая несколь-
ко вперед, следует заметить, что уже в ХХ веке появилось еще два
вида полей (взаимодействий) – сильное и слабое. Частицы, участ-
вующие в сильном взаимодействии, называются адронами, к ним
относятся, в частности, протоны и нейтроны. Одно из проявлений
сильного взаимодействия – ядерные силы, связывающие протоны и
нейтроны в атомных ядрах. Сильные взаимодействия имеют очень
малый радиус действия, равный размеру атомного ядра, и на этих
расстояниях превосходят все другие типы взаимодействий. В слабых
взаимодействиях участвуют элементарные частицы – электроны, по-
зитроны, мюоны и нейтрино. Наиболее распространенный процесс,
обусловленный слабым взаимодействием – бета-распад радиоактив-
ных атомных ядер (подробнее обо всех этих частицах см. в разделе
МИКРОМИР). По интенсивности эти поля располагаются так: самое
интенсивное – сильное поле, затем – электромагнитное (оно пример-
но в 1000 раз менее интенсивно), затем слабое и, наконец, гравита-
ционное. Но природа едина, и поэтому лучшие умы ХХ века – А.
Эйнштейн, наши выдающиеся соотечественники Л.Д. Ландау, П.Л.
Капица, А.Ф. Иоффе, И.Е. Тамм – пытались создать единую теорию
поля. Пока что эти попытки не увенчались успехом, и на сегодняш-
ний день (начало XXI века) единая теория поля еще не создана, а
создана только теория электрослабых взаимодействий.
Рассмотрим несколько подробнее электромагнитное поле. Пред-
сказанные Максвеллом электромагнитные волны, распространяю-
щиеся со скоростью света (3Ч108 м/сек), имеют различную длину и
образуют электромагнитный спектр. Самые коротковолновые – это
гамма- и рентгеновские лучи, затем с возрастанием длины волны
следуют ультрафиолетовое, видимое инфракрасное и микроволновое
Разумова Е.Р.
18
излучение и, наконец, радиоволны. Впервые экспериментальное до-
казательство существования электромагнитных волн было осуществ-
лено немецким физиком Г. Герцем. Первое практическое примене-
ние электромагнитных волн для связи было осуществлено русским
ученым А.С. Поповым в 1896 г. Однако изобретателем радиосвязи в
мировой науке считают итальянца Г. Маркони: с незапамятных вре-
мен на достижения русской науки закрывают глаза, их просто игно-
рируют.
В какой среде распространяются электромагнитные волны? Мак-
свелл выдвинул идею существования неподвижного эфира, запол-
няющего пространство и имеющего ненулевую плотность. Система
отсчета, связанная с неподвижным эфиром, отождествлялась с абсо-
лютным пространством. Впоследствии А. Майкельсон своим блестя-
щим опытом опроверг существование эфира (об опыте Майкельсона
см. в Теме 8, посвященной теории относительности А. Эйнштейна).
Электромагнитное поле может проявляться в разных формах: это
электрический ток, различные виды излучения, о которых было ска-
зано выше (в их числе и тепловое излучение), а также химические
связи между атомами в молекулах. Наконец, нервные импульсы в
живых организмах – это также специфические слабые электрические
токи, человеческий мозг является источником слабого электромаг-
нитного поля, называемого биополем. Примеры научного и псевдо-
научного подходов к проблеме биополя.
Таким образом, к концу XIX века наука об электромагнетизме бы-
ла закончена как экспериментально (труды Ампера, Эрстеда, Фара-
дея) так и теоретически (работы Максвелла).
Контрольные вопросы по Теме 4:
1. Кто открыл закон электромагнитной индукции и в чем его
суть?
2. Создана ли единая теория поля и если да, то кем?
3. Какие существуют формы электромагнитного поля?
Литература: 17, 18, 21, 22.
Концепции современного естествознания
19