79

Введение

План

I. Предмет и метод электродинамики. Представления о поле и веществе в электродинамике.

II. Краткая история развития электродинамики.

III. Концепции близко и дальнодействия.

I. Электродинамика - раздел теоретической физики, изучающий свойства электромагнитного поля и взаимодействие поля с веществом. Электродинамика - фундаментальная физическая наука. Без открытий электродинамики, внедренных в практику человеческой деятельности, существование современной цивилизации невозможно. Это производство и потребление электроэнергии, это связь, обусловленная применением электромагнитных волн, это радио и телевидение, электротранспорт и многое другое, что обусловило невиданный в истории человечества научно-технический прогресс XX века.

Изучение электродинамики способствует формированию современной научной картины мира.

Неслучайно поэтому электродинамика составляет примерно третью часть

школьного курса физики.

В основе электродинамики лежат представления о поле и веществе. Отметим – в дальнейшем мы часто будем просто говорить "поле", опуская "электромагнитное". Электромагнитно поле - вид материи, который характеризуется такими же физическими величинами, как и вещество - энергия, импульс, масса. Но имеет и свои специфические характеристики - векторы напряженности и индукции, потенциалы. Наглядно представить себе поле сложно, но, по словам Ландау, "мы можем понять даже то, что себе вообразить не можем". И это одна из основных задач курса электродинамики.

Электромагнитное поле оказывает силовое воздействие на заряженные тела. В вакууме поле распространяется со скоростью . В классическом представлении поле непрерывно. Однако уже в 1905 г. Эйнштейн ввел представление о дискретном распределении поля в виде квантов - фотонов, но в классической электродинамике, к изучению которой мы приступаем, эти представления не используются, они используются в квантовой электродинамике. Необходимо особо отметить, что электромагнитное поле не имеет электрического заряда. Электрический заряд - свойство вещества. Наименьший электрический заряд - это заряд электрона

В классической электродинамике используются различные представления

о веществе. Вещество трактуется как непрерывная среда - это макроскопическая или феноменологическая электродинамика. Учет дискретности вещества проводится в микроскопической электродинамике.

В макроскопической электродинамике поле характеризуется четырьмя векторами: . Первые два – электрическая напряженность и электрическая индукция, вторая пара – магнитная индукция и магнитная напряженность. Вещество описывается физическими величинами: ℰ – диэлектрическая проницаемость,µ – магнитная проницаемость, 𝜆 – электропроводность, а так же зарядом q, ρ – объемная плотность распределения заряда, σ – поверхностная плотность заряда.

В основе макроскопической электродинамики лежит система четырех уравнений Максвелла.

В микроскопической электродинамике поле описывается двумя векторами: - микроскопические (иногда говорят "истинные") электрическая и магнитная напряженности. Вещество описывается элементарным зарядоме, концентрацией зарядов n, массой заряженной частицы m, скоростью . Четыре уравнения Максвелла-Лоренца – основа микроскопической электродинамики.

II. В истории развития электродинамики условно можно выделить три основных этапа.

1) Накопление экспериментальных фактов, открытие экспериментальных законов. Этот этап начинается, конечно, с открытия закона Кулона. Но, главное, с опубликования в 1820 году опыта Эрстеда. Опыты Эрстеда означали, что вокруг проводника с током появляется магнитное поле! Затем наступил, как отмечает В. Карцев [], «звездный час Ампера». Ампер ввел в физику термин "электродинамика", открыл закон – закон Ампера, силу – силу Ампера и т.п. Затем в течение первого года последовало установление закона Био-Савара и его математическое оформление Лапласом, наконец, в 1831 году - открытие Фарадеем явления электромагнитной индукции, увенчавшим его идею "превратить магнетизм в электричество". После этого наступил основной этап.

2) Создание теории электромагнитного поля, связанное с именем Максвелла. Кратко отметим основные результаты работ Максвелла:

1. Максвелл обобщил всю совокупность экспериментальных фактов, накопленных к тому времени, создав теорию электромагнитного поля.

2. Впервые в истории теоретической физики создал теорию, объединяющую взаимодействия - электрическое и магнитное - в электромагнитное.

Это особенно актуально в настоящее время, когда делаются попытки создания теории, объединяющей все четыре фундаментальных взаимодействия.

3. Теоретически - "на кончике пера" - предсказал существование электромагнитных волн в природе, теоретически доказал, что свет есть электромагнитные волны.

Позднее в 1905 году Эйнштейн показал, что электромагнитное поле не нуждается ни в каком материальном носителе - эфире, оно само является видом материи, причем разделение на электрическое и магнитное поле условно, связано с выбором системы отсчета. Кроме того ввел представление о квантовом характере электромагнитного поля.

3) Экспериментальное подтверждение, внедрение.

Здесь необходимо отметить работы Герца по экспериментальному - в физической лаборатории - созданию электромагнитных волн и изучению их свойств. А затем изобретение радио А.С.Поповым и продолжающееся и поныне внедрение в практику человеческой деятельности результатов электродинамики, которые трудно переоценить.

В последующих лекциях будут приводиться некоторые исторические справки установления определенных законов и следствий электродинамики.

III. В физике используются две концепции, которые по-разному трактуют взаимодействие материальных объектов. Это концепции близко и дальнодействия. Рассмотрим, например, взаимодействие двух заряженных тел с зарядами , находящимися на расстояниидруг от друга (см. Рис.I.)

Рис. I. Два заряженных тела

Концепция дальнодействия: взаимодействие происходит мгновенно, время взаимодействия . Это означает, что скорость взаимодействия бесконечна. Взаимодействие происходит на любом расстоянии, и никакого переносчика взаимодействия нет. При этом причина и следствие находятся в разных точках пространства. Формально применяется интегральная формa описания взаимодействия. Эта концепция приводит к большим трудностям. В самом деле, представим себе, что расположенное в какой-то точке заряженное тело с зарядом перемешается в некоторую сторону, вправо, например. (см. Рис. 2)

Рис. 2. Перемещение заряженного тела

А где же искать причину? По закону Кулона это должен быть заряд , который либо притягивает, либо отталкивает заряд (зависит от знакови), но находится на одной прямой с вектором . Но может быть и несколько разных зарядов, расположенных в различных точках пространства, которые дают тот же эффект. В принципе придется учитывать заряды во всей Вселенной. Как видите, это весьма неблагодарная задача. Оговорка? В дальнейшем везде используется научный жаргон - для краткости будем говорить "заряд" вместо "заряженная частица" или "заряженное тело".

Концепция близкодействия: взаимодействие осуществляется за конечное время, т.е.. Скорость взаимодействия конечна. Предельной скоростью физического взаимодействия согласно специальной теории относительности является скорость света в вакууме. При этом материальным носителем взаимодействия является поле, в данном случае электромагнитное. Причина (состояние поля в данной точке) и следствие - сила, действующая на заряд, находятся в одной и той же точке пространства (или в бесконечно близких точках) - отсюда название концепции - близкодействие. Можно представить себе, как происходит взаимодействие: заряд создает поле, но это состояние поля доходит до места, где находитсяне мгновенно, а через некоторое время и тогда только подействует с некоторой силой на! Для того чтобы определить эту силу, надо знать характеристику поля в том же месте, где находится наш "подопытный" заряд. В этом огромное преимущество концепции близкодействия. Существенно, что в этой концепции вводится представление о поле, как о переносчике взаимодействия. Для описания физических явлений применяется дифференциальная форма. Поэтому в электродинамике появляются уравнения в дифференциальной форме.

Современная теоретическая физика использует концепцию близкодействия. Математическим аппаратом электродинамики является векторный анализ, основы которого изучаются либо в курсе высшей математики, либо в курсе "Методы математическое физики" (см. Приложение 1).