Лекция 4. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы. Электромагнетизм. Поля и волны. (макромир)

Электромагнетизм - это раздел физики, изучающий электрические 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 ХУШ в наука электричеством не занималась. Первым ученым, начавшим изучать заряженные тела, был француз Ш. Кулон, открывший основной закон электростатики - науки о неподвижных электрических зарядах ( именно его именем названа единица измерения заряда). Поначалу электрические явления никак не связывали с магнетизмом (последний был известен еще древним китайцам, которые изобрели компас). На рубеже ХVШ и Х1Х 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, открывший закон электромагнитной индукции – явления возникновения электрического тока в проводнике, находящемся в переменном магнитном поле. Именем Фарадея названа единица измерения электроемкости. Эрстед, Ампер и Фарадей были великими экспериментаторами. Теорию электромагнетизма разработал выдающийся английский физик и математик Дж. Максвелл. Он вывел четыре уравнения, которые можно записать в дифференциальной и интегральной форме, т.е. используя весь аппарат высшей математики. Другим важным открытием Максвелла было установление того факта, что свет имеет электромагнитную природу. Наконец, Максвелл ввел понятие поля как пространства вне масс и зарядов, передающего их взаимодействие. Стало ясно, что материя существует в виде вещества, состоящего из частиц, и поля определяющую их взаимодействие. Передаются взаимодействия 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 – гравитационное, описываемое законом Всемирного тяготения, и электромагнитное, описываемое уравнениями Максвелла. Забегая несколько вперед, следует заметить, что уже в ХХ веке появилось еще два вида полей (взаимодействий) - сильное и слабое. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами, (о частицах см. далее) к ним относятся, в частности, протоны, нейтроны и мезоны. 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, позитроны, мюоны и нейтрино. Наиболее распространенный процесс, обусловленный слабым взаимодействием - бета – распад радиоактивных атомных ядер (подробнее обо всех этих частицах см. в разделе МИКРОМИР). По интенсивности эти поля располагаются так :самое интенсивное – сильное поле, затем – электромагнитное (оно примерно в 1000 раз менее интенсивно), затем слабое и наконец гравитационное.

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 сегодняшний день (начало XXI века) единая теория поля еще не создана. Пока что создана только теория электрослабых взаимодействий.

Рассмотрим несколько подробнее электромагнитное поле. Предсказанные Максвеллом электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света (3х108 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 излучение и , наконец, радиоволны. Впервые экспериментальное доказательство существования электромагнитных волн было осуществлено немецким физиком Г. Герцем. Первое их практическое применение для связи было осуществлено русским ученым А. С. Поповым в 1896 г. Однако изобретателем радиосвязи в мировой науке считают итальянца Г. Маркони: с незапамятных времен на достижения русской науки закрывают глаза, ее приоритет просто игнорируют.

В какой среде распространяются электромагнитные волны ? Максвелл выдвинул идею существования неподвижного эфира, заполняющего пространство, Система отсчета, связанная с неподвижным эфиром, отождествлялась с абсолютным пространством. Впоследствии А. Майкельсон своим блестящим опытом опроверг существование эфира.

Электромагнитное поле может проявляться в разных формах : это электрический ток, различные виды излучения, о которых было сказано 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 электромагнитного поля, называемого биополем. Примеры научного и псевдонаучного подходов к проблеме биополя.

Таким образом, к концу Х1Х века наука об электромагнетизме была закончена как экспериментально (труды Ампера, Эрстеда, Фарадея) так и теоретически (работы Максвелла).

Контрольные вопросы:

Кто открыл закон электромагнитной индукции ?

Кто создал теорию электромагнетизма ?

Что такое поле ?

Литература :

7, 18, 21, 22