2. Электромагнитное поле и его взаимодействие с веществом

2.1 Материальность электромагнитного поля, его основные законы и характерные состояния

2.1.1 Материа­льность электромагнитного поля

☻ Электромагнитное поле имеет двойную физическую природу. Это два взаимосвязанных поля - электрическоеи магнитное. Только в особых случаях их можно разделить, но это будут всего лишь частные варианты того же электромагнитного поля. Материальность электромагнитного поля проявляется физически в том, что оно производит силовое действие на частицы, обладающие электрическим зарядом, электрическим или магнитным моментами, а так же в том, что оно обладает энергией, массой и импульсом. При таких свойствах электромагнитное поле проявляет себя как реальный вид материи, а не как теоретическая модель, оторванная от реальности. Как вид материи, электромагнитное поле может быть сплошным и не обладать дискретной структурой, но может быть и в дискретном квантованном состоянии. Квантованное электромагнитное поле подчинено законам квантовой механики, тогда как сплошное классическое электромагнитное поле подчинено уравнениям Максвелла, и применение квантовой механики не требует. Резкого разграничения между этими полями по их поведению в переходной области частот практически нет. Это область оптических частот10 ¹² – 10 ¹⁶ Гц. В этой области электромагнитные процессы могут рассматриваться как на основе классических так на основе квантовых представлений.

2.1.2 Основные состояния электромагнитного поля

Поле считается электромагнитным, если в данной точке среды или свободного пространства есть одновременно два поля – электрическое и магнитное. Возможны следующие состояния этого поля и его частных вариантов:

- Переменное электромагнитное поле, когда каждое из полей ипеременны, т.е. нестационарны во всех точках пространства.

- Стационарное электромагнитное поле, когда каждое из полей истационарны во всех точках пространства.

- Стационарное электрическое поле, когда поле стационарно во всех точках пространства при отсутствии в них переменного магнитного поля. При таких условиях электрическое поле является электростатическим.

- Стационарное магнитное поле, когда полестационарно во всех точках пространства при отсутствии в них переменного поля. При таких условиях магнитное поле является магнитостатическим.

2.1.3 Энергия электромагнитного поля

☻ Электромагнитное поле является носителем энергии во всех своих состояниях, в том числе, когда оно является только электрическим или только магнитным. В зависимости от состояния плотность энергии поля определяется одним из трёх выражений:

где учтено, что

В случае стационарных сверхсильных полей, когда их интенсивность поднимается до уровня Е = 10 ⁹ или

Н = 10 ⁶ плотность энергии илидостигает значения около10 ⁶ .

2.1.4 Масса и плотность массы электромагнитного поля

☻ Материальность электромагнитного поля означает, что оно, будучи носителем энергии, обладает массой как своим неотъемлемым свойством. Связь между энергией поля и его массой, а также связь между плотностями энергии и массы определяется известными релятивистскими уравнениями

где с – скорость света.

Отсюда следует выражения плотности массы электрического, магнитного и электромагнитного полей.

В случае стационарных сверхсильных полей, когда плотность энергии идостигает значений до10 ⁶ , плотность массы принимает значение около 10 ^-11 . Это естественно верхний предел возможных значений, тогда как нижний предел плотности массы может опускаться до значений10 ^-17 , а в слабых полях даже приближаться к нулевым значениям. Плотность массы электромагнитного поля по сравнению с плотностью вещества оказывается крайне незначительной, но именно она определяет инертные свойства электромагнитного поля.

2.1.5 Потоки энергии и импульса электромагнитного поля

☻ Стационарные электрические, магнитные и электромагнитные поля связаны со своими источниками и от них не отделяются. В отличие от стационарных полей переменное электромагнитное поле может отделяться от своего источника, существовать самостоятельно и распространяться по свободному пространству со скоростью света. При этом с такой же скоростью вместе с полем переноситься его энергия, масса и импульс. Это приводит к образованию потоков энергии и импульса электромагнитного поля в направлении его распространения. Очевидно, произведения ивыражают при этом плотности указанных потоков

где П и К соответственно плотность потока энергии и плотность потока импульса. Это векторные величины. Их значения и направление в пространстве задаются векторами иэлектромагнитного поля, и определяется выражениями

, .

2.1.6 Электрмагнитное поле в уравнениях Максвелла

☻ Электромагнитные явления связаны с зарядами и токами, с электрическими, магнитными и электромагнитными полями. Многообразие этих явлений весьма обширно, но все они подчинены четырём уравнениям Максвелла, обладающим статусом фундаментальных всеобъемлющих физических законов для данных явлений (см. раздел 1.14)

1.

2.

3.

4.

Принятая нумерация уравнений Максвелла в дальнейшем будет учитываться для определённости ссылок на них. Дифференциальная форма этих уравнений выявляет локальную связь между полями и их источниками в отдельной точке пространства. С учётом материальных уравнений

дифференциальные уравнения Максвелла могут быть преобразованы к другому виду путём соответствующих подстановок. Интегральная форма уравнений Максвелла относиться не к точкам, а к областям пространства и в дальнейшем такие уравнения приводятся по мере необходимости.