Доклад на тему: Электромагнитное поле, электромагнитные волны. Формула Максвелла. Генрих Герц.

Электромагнитное поле

- это порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля.

Теория электромагнитного поля создана Джеймсом Максвеллом в 1865 г.

"Нет стремления более естественного, чем стремление к знанию." - М.Монтень

МАКСВЕЛЛ, Джеймс Клерк ( 1831, Шотландия, Эдинбург - 1879 )  - выдающийся английский физик. Его наиболее замечательные исследования относятся к кинетической теории газов и электричеству; является создателем теории электромагнитного поля и электромагнитной теории света. ___ Согласно опросу, проведенному среди ученых журналом "Физик уолд", физик Джеймс Клерк Максвелл вошел в первую тройку названных: Максвелл, Ньютон, Эйнштейн.  ___

Его страсть к исследованиям и приобретению новых знаний была беспредельна. С юности Максвелл решил посвятить себя физике. Его наставник Гопкинс писал: «Это был самый экстраординарный человек, которого я когда-либо видел. Он органически был неспособен думать о физике неверно. Я растил его как великого гения, со всей его эксцентричностью и пророчеством о том, что он в один прекрасный день будет сиять в физике – пророчеством, с которым убежденно были согласны и его коллеги-студенты». ___

Однажды при приеме экзамена у аспирантов профессор поставил цель отсеять как можно больше студентов и давал неразрешимые, по его мнению, задачи. Однако, Максвелл с такой задачей справился!

Так Максвелл открыл знаменитое распределение молекул по скоростям в газе, впоследствии названное его именем (распределение Максвелла), еще в годы своей учебы. ___ С 1871 года  Максвелл становится профессором Кембриджского университета. ___ В 1873 году Максвелл пишет двухтомный фундаментальный «Трактат об электричестве и магнетизме», в котором сформулирована знаменитая максвелловская теория электромагнитного поля.

Максвелл сумел   выразить законы электромагнитного поля в виде системы 4 дифференциальных уравнений в частных производных (уравнения  Максвелла), из которых следовало существование электромагнитных волн Теория электромагнетизма  Максвелла получила опытное подтверждение и стала общепризнанной классической основой современной физики.  ___

Многочисленные его увлечения другими отраслями физики были тоже очень плодотворны: он изобрел волчок, поверхность которого, окрашенная в разные цвета, при вращении образовывала самые неожиданные сочетания. При смещении красного и желтого получался оранжевый цвет, синего и желтого – зеленый, при смешении всех цветов спектра получался белый цвет – действие, обратное действию призмы – «диск Максвелла»; он нашел термодинамический парадокс, много лет не дававший покоя физикам – «дьявол  Максвелла»(  мысленный эксперимент 1867 года, а также его главный персонаж — воображаемое разумное существо микроскопического размера, придуманное британским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом с целью проиллюстрировать кажущийся парадокс Второго начала термодинамики (pассматривая второе начало термодинамики, один ученый пришёл к выводу, что энтропия Вселенной как замкнутой системы стремится к максимуму, и в конце концов во Вселенной закончатся все макроскопические процессы. Это состояние Вселенной получило название «тепловой смерти»).; в кинетическую теорию были введены им «распределение Максвелла» (описывает распределение по скоростям молекул (частиц) макроскопической физической системы, находящейся в статическом равновесии, при условии, что движение молекул подчиняется законам классической механики (например классический идеальный газ) и «статистика  Максвелла – Больцмана»; есть «число Максвелла».  Кроме того, его перу принадлежит исследование об устойчивости колец Сатурна, за которое ему была присуждена академическая медаль и после которого он становится «признанным лидером математических физиков".  Максвелл создал множество небольших шедевров в самых разнообразных областях – от осуществления первой в мире цветной фотографии до разработки способа радикального выведения с одежды жировых пятен. ___

Максвелл написал ряд статей для Британской энциклопедии, популярные книги: "Теория теплоты", "Материя и движение", "Электричество в элементарном изложении", переведённые на русский язык.  ___

Но главная память о  Максвелле, вероятно, единственном в истории науки человеке, в честь которого имеется столько названий, – это «уравнения  Максвелла», «электродинамика Максвелла», «правило Максвелла», «ток Максвелла» и, наконец, –максвелл– единица магнитного потока в системе CGS ((сантиметр-грамм-секунда) — система единиц измерения, которая широко использовалась до принятия международной системы единиц (СИ). Другое название — абсолютная физическаясистема единиц.) В системе СИ единица магнитного потока ВЕБЕР, по имени немецкого физика.

Обобщая, можно сказать, что Максвелл теоретически доказал, что: любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле. Если электрические заряды движутся с ускорением, то создаваемое ими электрическое поле периодически меняется и само создает в пространстве переменное магнитное поле и т.д. Источниками электромагнитного поля могут быть: - движущийся магнит; - электрический заряд, движущийся с ускорением или колеблющийся ( в отличие от заряда движущегося с постоянной скоростью, например, в случае постоянного тока в проводнике, здесь создается постоянное магнитное поле). Электрическое поле существует всегда вокруг электрического заряда, в любой системе отсчета, магнитное – в той, относительно которой электрические заряды движутся,  электромагнитное – в системе отсчета, относительно которой электрические зарядыдвижутся с ускорением.

УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА:

И Ампер, и Фарадей считали, что каждый электрический ток окружен магнитным полем. Максвелл решает записать этот тезис в форме уравнения

Здесь H – вектор напряженности магнитного поля; j – вектор плотности электрического тока, в который Максвелл включает и никем пока не наблюдавшийся «ток смещения» (это ток, который обусловлен смещением электрических зарядов на границе «проводник – диэлектрик» (например, ток через конденсатор); c – некоторая постоянная.

Смысл этого выражения может быть понят относительно легко даже неспециалистом.

Обозначение rot – сокращение от слова rotor – вихрь. (Максвелл использовал слово curl – завиток); операция rot, грубо говоря, показывает в данном случае, что вектор напряженности магнитного поля вращается вокруг вектора тока плотностью j.

Другой, сразу завоевавшей признание Максвелла идеей стало представление Фарадея о природе электромагнитной индукции – то есть возникновение электричества в контуре, число магнитных силовых линий в котором изменяется то ли вследствие относительного движения контура и магнита, то ли вследствие изменения магнитного поля. Эта зависимость также вполне укладывалась во внешне формальные математические операции. После многолетних трудов Максвелл записал строку:

Здесь E – вектор электрического поля;  – изменение магнитного поля во времени; с – некоторая постоянная величина, о которой нам предстоит еще говорить.

Формула настолько физически прозрачна, что ей тоже можно, при известном упрощении, придать ясный смысл.

Операция означает, грубо говоря, вращение вектора E, охват им некоторого источника, которым в данном случае является изменение магнитного поля B. В контуре, охватывающем источник изменяющегося магнитного поля, наведется электродвижущая сила, а в пространстве возникнет новое электрическое поле. Что означает минус перед правой частью уравнения? Он тоже вполне физически обоснован – на основании закона, открытого русским физиком Э.Х. Ленцем, направление тока, возникающего в замкнутом контуре в результате электромагнитной индукции, таково, что ток препятствует изменению магнитного потока (инерция магнитного поля).

Но необходимо учесть еще одно важное свойство векторов электрической и магнитной индукций E и B, представляющих собой математическое обозначение электрических и магнитных силовых линий: в то время как электрические силовые линии начинаются и кончаются на зарядах, являющихся источниками поля, магнитные силовые линии располагаются кольцеобразно: а у кольца, как известно, «нет ни начала, ни конца», следовательно, силовые линии магнитного поля не могут где-то начинаться, где-то кончаться – они замкнуты сами на себя. В математике для обозначения ситуации с источниками поля можно применить операцию «дивергенция» (Максвелл использовал слово «конвергенция»).

Дивергенция – мера источника. Например, свеча – источник света – обладает положительной дивергенцией, ночной мрак за окном, где свет рассеивается, поглощается, обладает дивергенцией отрицательной. Что касается оконного стекла, где число «лучей», пришедших из комнаты, равно числу лучей, ушедших в темноту, то там дивергенция равна нулю. В стекле свет не создается, не поглощается (если оно, разумеется, достаточно прозрачное).

Поэтому Максвелл добавляет к двум имеющимся уравнениям еще два:

divD = 4πρ, где ρ – плотность электрических зарядов;

divB = 0.

Физический смысл уравнений прозрачен.

Силовые линии электрического поля кончаются на зарядах, плотность которых ρ.

Силовые линии магнитного поля не кончаются нигде – они замкнуты сами на себя.

Вот какая система уравнений появилась в результате работ Максвелла:

Входящие в эти уравнения векторы электрической и магнитной индукции (D и B) и векторы напряженностей электрического и магнитного полей (E и H) связаны соотношениями: D = εE и B = μH,

где μ – магнитная проницаемость среды ( безразмерная физическая величина, характеризующая изменение магнитной индукции В среды под воздействием магнитного поля напряженностью Н._, ε – диэлектрическая постоянная среды (безразмерная величина, характеризующая изолирующие свойства среды).

Четыре строчки этих уравнений и составляют «уравнения Максвелла», а система взглядов, которая легла в основу уравнений, получила название «максвелловой теории электромагнитного поля».

ИЛИ:

Уравнения Максвелла — основные уравнения классической электродинамики, описывающие эволюцию электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами.

Название	Дифференциальная форма			Интегральная форма			Примерное словесное выражение
Закон индукции Фарадея							Изменение магнитной индукции порождает вихревое электрическое поле
Закон Ампера (с добавкой от Максвелла)							Электрический ток и изменение электрической индукции порождают вихревое магнитное поле
Теорема Гаусса							Электрический заряд является источником электрической индукции
Теорема Гаусса							Магнитная индукция не расходится (не имеет источников). (Неприменима к монополям. До сих пор монополей в природе не обнаружено.)

Приведенные выше уравнения Максвелла не составляют еще полной системы уравнений электромагнитного поля, поскольку они не содержат свойства среды, в которой возбуждено электромагнитное поле. Соотношения, связывающие величины , , , и , в которых учитываются индивидуальные свойства среды, называются материальными уравнениями.

Введённые обозначения:

 — плотность стороннего электрического заряда (в единицах СИ — Кл/м³)

 — плотность электрического тока (плотность тока проводимости) (в единицах СИ — А/м²)

 — напряжённость электрического поля (в единицах СИ — В/м)

 — напряжённость магнитного поля (в единицах СИ — А/м)

 — электрическая индукция (в единицах СИ — Кл/м²)

 — магнитная индукция (в единицах СИ — Тл = Вб/м²= кг·с-2·А-1)

 — сторонний электрический заряд, заключенный внутри поверхности (в единицах СИ — Кл)

 — электрический ток, проходящий через поверхность вызванный движением свободных зарядов (в единицах СИ — А)

— коэффициенты, зависящие от системы единиц.

 — дифференциальный оператор ротора, Обозначение rot – сокращение от слова rotor – вихрь. (Максвелл использовал слово curl – завиток); операция rot, грубо говоря, показывает в данном случае, что вектор напряженности магнитного поля вращается вокруг вектора тока плотностью j

 — дифференциальный оператор дивергенции

 — замкнутая двумерная поверхность

 — замкнутый контур

В 1887 г. немецкий физик Г. Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические выводы Максвелла. Его экспериментальная установка состояла из находящихся на некотором расстоянии друг от друга передатчика и приёмника электромагнитных волн, и фактически представляла собой исторически первую систему радиосвязи, хотя сам Герц не видел никакого практического применения своего открытия, и рассматривал его исключительно как экспериментальное подтверждение теории Максвелла.

Элм волны - неиссякаемый источник энергии порождают колебания электрических зарядов атомов и молекул. Если заряд колеблется, то он движется с ускорением, а значит, излучает электромагнитные волны. Изменяющееся магнитное поле возбуждает вихревое электрическое поле, а оно, в свою очередь, возбуждает вихревое магнитное поле. Процесс захватывает одну точку пространства за другой.

Распространяющееся электромагнитное поле и называют электромагнитной волной.

Скорость распространения электромагнитной волны в вакууме С = 299 792 458 м/с. К такому выводу приводит теория электромагнитного поля, созданная в 60 годах 19 века Максвеллом, и описанная им в книге «Трактат об электричестве и магнетизме»(1873). Лишь в конце 1880-х годов немецкий физик Г.Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн и исследовал некоторые их свойства.

Герц получал электромагнитное излучение с помощью вибратора - пары металлических стержней, разделённых небольшим воздушным пространством, на которые подавалось сильное электрическое напряжение. Электромагнитное излучение направлялось на большой металлический лист. Падающая и отражённая волна складывались, образуя стоячую волну. По геометрическим размерам элементов вибратора и по расстоянию между излучающим и передающим вибраторами Герц и определил скорость распространения электромагнитной волны. Получилась величина равная скорости света. Это доказывало электромагнитную природу света.