on-line
Сейчас на сайте 0 пользователей и 24 гостя.
Вход в систему
Яндекс.Метрика

§36. Электрическое поле и его свойства.

 Громадные успехи механики, основанной на законах динамики И. Ньютона и закона Всемирного тяготения, привели к тому, что в течение более ста лет (весь XVIII век) в физике господствовала, так называемая, теория дальнодействия. В рамках этой теории считалось возможным, что тела могут воздействовать друг на друга на расстоянии, без всякого «посредника» передающего взаимодействия. Так, для того, чтобы лошадь тянула телегу, необходима соответствующая упряжь, для передачи звука необходима среда, хотя бы воздух. А гравитационные силы могут передаваться от одного тела к другому через пустое пространство. Так закон всемирного тяготения дает выражение для силы взаимодействия, но не объясняет механизма возникновения этой силы. Можно даже сказать, что такой вопрос и не ставился учеными − достаточно вспомнить знаменитое высказывание И. Ньютона: «Гипотез не измышляю». Еще одним важным аспектом дальнодействия является бесконечная скорость передачи взаимодействий − так изменение положения одного тела в тот же момент времени проявляется в изменении силы его воздействия на другие тела, независимо от того, на каком расстоянии они находятся.
 Первые теории электричества и магнетизма так же строились на идее дальнодействия. Основной закон электростатики Ш. Кулона совпадает с законом всемирного тяготения, его идеология также аналогична: заряженные тела могут взаимодействовать на расстоянии, изменение положения одного тела мгновенно влияет на силы, действующие на другие тела, природа электрических взаимодействий не известна и «не интересна», достаточно знать формулу для силы взаимодействия. Аналогично была построена и теория магнитных взаимодействий. Даже используя эту ошибочную, как мы теперь убеждены, концепцию дальнодействия, ученые (в основном французские Ш. Кулон, С. Пуассон, П. Лаплас, А. Ампер, Ж. Био, Ф. Савар и др.) сумели построить достаточно совершенную и математически изящную теорию электрических и магнитных явлений, многие из положений которой сохраняют свое значение до настоящего времени. «Французская» электродинамика начала XIX века добилась значительных успехов, не смотря на ошибочность общего подхода, потому, что она рассматривала «статику» электростатику и магнитостатику − поведение неподвижных (или движущихся с малыми скоростями) заряженных тел. Действительно, в стационарном случае время распространения взаимодействий не играет никакой роли − все тела либо неподвижны, либо движутся со скоростями, значительно меньшими скорости распространения взаимодействий. Поэтому модели с бесконечной скоростью распространения взаимодействий вполне приемлемы, а вопрос о наличии или отсутствии «посредника» имеет только общепознавательный интерес.
 Ситуация радикально изменилась, когда физики приступили к изучению электродинамики, изучению электрических и магнитных явлений, изменяющихся во времени. В этих описании этой группы явлений «статика» оказалась бессильна. Принципиально новые идеи были высказаны в 20-х − 30-х годах XIX века выдающимся английским ученым М. Фарадеем. Основная из них - понятие электрического и магнитного полей, или единого электромагнитного поля. Подчеркнем, не математической абстракции, а объективно существующей реальности, особого вида материи. Электромагнитное поле и является «посредником», переносчиком электрических и магнитных взаимодействий. В рамках полевых воззрений электромагнитные взаимодействия трактуются следующим образом: заряды создают электромагнитное поле, которое воздействует на другие заряженные тела. Иными словами, произошло возвращение к идее «близкодействия», взаимодействие возможно только при непосредственном контакте, была найдена «веревочка», передающее взаимодействие от одного заряженного тела к другому. Физические идеи М.Фарадея о поле развиты другим английским физиком Дж. К. Максвеллом, которому удалось найти математические уравнения, описывающие все свойства электромагнитных полей и их взаимодействий с заряженными телами. Система уравнений Дж. К. Максвелла и в настоящее время является основой электродинамики. Почти не преувеличивая, можно сказать, что теоретическая электродинамика это уравнения Дж. К. Максвелла и их решения. Фактически содержание нашего дальнейшего курса – это изучение этой системы уравнений.
В течение достаточно длительного промежутка времени (всего XIX века) считалось, что электрические и магнитные явления (в том числе и оптические!) есть процессы (натяжения, сгущения, колебания, волны) в особой среде эфире, который заполняет все пространство. Эту особую среду наделяли рядом механических свойств, пытаясь свести электромагнитные явления к механическим, дать им механическое истолкование. Электромагнитное поле также рассматривалось как поле особых напряжений эфира. С помощью теории удалось «объяснить» и описать множество явлений, даже предсказать новые, до того неизвестные явления. Однако по мере накопления опытных данных свойства эфира «становились» все более сложными и экзотическими, наконец, этот эфир никак не удавалось обнаружить экспериментально. Наконец, в начале XX века эфир оказался изгнанным из физики, так же как флогистон, теплород и электрические жидкости.
Каковы же подтверждения объективного существования электромагнитного поля?
 Как мы уже подчеркивали, электромагнитные явления в статических системах с неподвижными (или медленно движущимися) зарядами могут быть достаточно точно описаны и без привлечения понятия поля. Существование полей проявляется только в системах, быстроизменяющихся со временем. В таких системах существенным и наблюдаемых является запаздывание взаимодействий − изменение системы в одной точке проявляется в других точках через некоторый промежуток времени, необходимый для распространения возмущения от одной точки до другой. Дж. К. Максвеллу удалось вычислить (!) скорость распространения электромагнитных взаимодействий, она оказалась равной скорости света. Этот открытие позволило выдвинуть гипотезу об электромагнитной природе света.
 Еще одним подтверждением объективного существования электромагнитного поля является М. Фарадеем в 1831 году явление электромагнитной индукции. Суть этого явления заключается в возникновении электрического поля (легко регистрируемого) при изменении магнитного поля. То есть, на заряженное тело может подействовать электрическая сила, даже если нет других электрических зарядов − сила со стороны поля. Противоположное явление – порождение магнитного поля изменяющимся электрическим полем было теоретически предсказано Дж. К. Максвеллом. В последствии это предсказание было подтверждено экспериментально.
 Так как электрические и магнитные поля могут порождать друг друга, электромагнитное поле может существовать в виде волн. Существование электромагнитных волн также было предсказано Дж. К. Максвеллом, экспериментально эти волны были открыты1 и исследованы немецким физиком Г. Герцем. Начиная свои эксперименты, Г.Герц ставил целью опровергнуть теорию Дж. К. Максвелла. Однако, по его же словам, чем больше он ставил экспериментов, тем больше убеждался в ее справедливости. Электромагнитное поле в виде волн может оторваться от зарядов, то есть существовать (и регистрироваться) без зарядов, его породивших, «как свет угасших звезд». Не является ли это окончательным доказательством того, что электромагнитное поле материальная реальность!
 Упомянутые явления указывают, что реально существует единое электромагнитное поле. Однако в некоторых простых случаях оказывается возможным разделить электрические и магнитные поля, рассматривать их независимо. Так в системе неподвижных электрических зарядов электромагнитное поле проявляется как электрическое (электростатическое), в системе постоянных электрических токов – как магнитное (магнитостатическое). Условность такого разделения легко показать. Пусть в некоторой системе отсчета все заряды неподвижны − создаваемое ими поле является электростатическим. Если описывать эти же заряды в другой «движущейся системе отсчета, то заряды будут движущимися, следовательно, они будут создавать и магнитное поле.
 Так как электромагнитное поле является объективной реальностью, то для его изучения необходимо ввести, определить, набор его характеристик, параметров. Среди них есть, как новые для нас, с которыми предстоит познакомиться, так и наши «старые знакомые» − энергия, импульс и т.д.
 Не смотря на то, что существование полей проявляется наиболее ярко только при их изменение, изучение характеристик и свойств электромагнитного поля мы начинаем с изучения поля, создаваемого неподвижными электрическими зарядами, такое поле называется электростатическим.
 Современная теория электромагнитного поля базируется на концепции близкодействия. Эта общая идея не могла не оказать влияния на теорию гравитации. В 1916 году знаменитый немецкий физик А. Эйнштейн выдвинул новую теорию гравитации − общую теорию относительности. Эта теория также основана на идее близкодействия, в этой теории описывается гравитационное поле, гравитационные волны и др. Не смотря на ряд существенных экспериментальных подтверждений справедливости новой теории, до настоящего времени она представляет скорее теоретический интерес. При описании движений планет, спутников, космических кораблей используется ньютоновская теория, так скорости движения этих тел значительно меньше скорости света, поэтому модель мгновенной скорости распространения гравитационного взаимодействия оказывается приемлемой. Для описания поведения микрочастиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, гравитационные силы слишком слабы, поэтому ими пренебрегают.


1Нельзя сказать, что электромагнитные волны не были известны − ведь свет это тоже электромагнитная волна, но до Дж. К. Максвелла никто не знал этого.