Электричество и магнетизм

Электричество и магнетизм

Электричество и магнетизм.

В течение веков наука и техника и их развитие были тесно связаны с учением об электричестве и магнетизме. Это учение и в наше время является основой научно-технического прогресса.

По современным данным, вещество состоит из молекул и атомов, а атомы, в свою очередь, построенные из элементарных частиц, которые имеют электрический заряд: сравнительно тяжелых положительно заряженных протонов, которые входят в состав ядер, и легких негативных электронов. Заряд электрона является наименьшей частицей электричества в природе, а заряд ядер всегда кратен заряду электрона. Заряженные частицы, как и сами атомы и молекулы, находятся в непрерывном движении и взаимодействуют между собой.

Движением и взаимодействием электрических зарядов предопределены наиболее распространенные ц нашем повседневном окружении электромагнитные явления. Они и являют собой предмет изучения раздела физики "электрика и магнетизм", основным заданием которого является раскрытие природы и свойств электромагнитного поля, характера взаимодействия его с веществом, изучение электрических и магнитных свойств самого вещества, теоретическое обоснование возможностей практического применения электромагнитных явлений.

Современная физика установила существование четырех видов фундаментальных взаимодействий : сильной, электромагнитной, слабой и гравитационной. Сильное взаимодействие короткодействующее и проявляется между частицами (адронами) лишь в ядерных масштабах (м); слабая - еще более короткодействующая (порядку м), проявляется между элементарными частицами и играет важную роль при их взаимных превращениях; гравитационное взаимодействие далекодействующая, но становится существенной лишь для астрономических объектов большой массы.

Электромагнитное же взаимодействие в силу того, что она на много порядков более интенсивная от гравитационной и слабой и далеко действующей, в противовес сильному взаимодействию, наиболее часто встречается и богатая проявлениями в мега-, макро- и микромире. Электромагнитным является взаимодействие между ядрами и электронами в атомах, межмолекулярное взаимодействие. К электромагнитной природе сводятся силы упругости, трения, поверхностного натяжения и тому подобное; ими определяются химические и агрегатные превращения, разнообразные электрические, магнитные, оптические явления.

Электромагнитные явления играют существенную роль в космосе: магнитные поля планет приводят к возникновению радиационных слоев, излучения электромагнитной энергии Солнцем и звездами влияет на земные процессы. Законы электромагнетизма лежат в основе строения и действия разнообразных радиотехнических, электротехнических, электронных и многих других приборов и устройств, без которых невозможно представить нашу жизнь.

Разнообразие и богатство проявлений электромагнитных явлений требуют их объяснения на основе определенных обобщающих теоретических представлений, которые являются важным инструментом познания законов природы. Теоретический анализ электрических и магнитных явлений проводят на основе двух дополняя друг друга методов или подходов : макроскопического (феноменологического ли) и микроскопического (структурного ли).

Объектом исследования в обоих случаях является произвольная макроскопическая система, однако первая теория не учитывает микроструктуру вещества, а вторая, напротив, выводит макроскопические свойства из микроструктурных представлений.

Макроскопический метод лежит в основе классической теории электромагнитного поля, или теории Максвелла. Основным в ней является то, что не учитывается атомно-молекулярная структура вещества, которая заполняет пространство, где есть поле. Наличие вещества теория Максвелла учитывает введением ряда констант, которые характеризуют усредненные электрические или магнитные свойства среды, : диэлектрическую и магнитную проницаемости, удельную электропроводимость, показатель преломления и тому подобное.

При этом в большинстве случаев допускается, что среда является однородной (во всех точках свойства одинаковы) и изотропной (свойства не зависят от направления в пространстве). Если эти условия не выполняются, то учитывают зависимость отмеченных параметров от координат и времени, а в отдельных случаях от внешних условий: напряженности поля, температуры и тому подобное.

В теории Максвелла не учитывается также атомистическая (дискретная) структура заряда. Из макроскопической точки зрения без существенных погрешностей можно не учитывать дискретность заряда на телах и пользоваться представлениями о равномерном и непрерывном распределении зарядов. Во многих случаях такие представления приводят к теоретический выводов, которые удовлетворительно согласуются с опытными результатами.

Классическая макроскопическая теория электромагнитного поля Максвелла, построенная на вышеупомянутых представлениях, устанавливает систему фундаментальных уравнений, которые являются обобщением опытных законов электрических и магнитных явлений и развитием идеи Фарадея о взаимодействии электрически заряженных тел через электромагнитное поле. Уравнения Максвелла связывают силовые характеристики электромагнитного поля с распределением в пространстве электрических зарядов и токов.

Эти уравнения дают возможность определить основные характеристики поля в каждой точке пространства в любой момент времени, если известные источники поля как функции координат и времени.

Невзирая на успехи в выяснение многих электрических и магнитных явлений, теория Максвелла оказалась несостоятельной прояснить ряд явлений, в которых существенную роль играют дискретность вещества и атомистическая природа заряда (излучение и поглощение света, фотоэффект, дисперсия светлая, свойства металлов, стабильность атомов и тому подобное).

Учет внутреннего строения вещества и атомистической структуры электричества привел к созданию классической электронной теории (классической микроскопической электродинамики), основателем которой был Г.Лоренц (теория Лоренца). Электронная теория основывается на структурном подходе, при котором макроскопические электромагнитные закономерности приобретают модельное обоснование, исходя из анализа атомно-молекулярных взаимодействий через микроскопические электромагнитные поля.

В теории Лоренца вещество рассматривается как совокупность электрических зарядов (электронов и атомных ядер), которые размещены в вакууме. Учет взаимодействия между этими зарядами и влияния на них внешних электромагнитных полей дает возможность объяснить электрические и магнитные свойства веществ. Полет в произвольной точке вещества эти теория рассматривает как суперпозицию внешнего (макроскопического) и внутреннего (микроскопического, созданного подвижными в вакууме зарядами, которые входят в состав атомов вещества) полей.

Теория Лоренца является чисто классической теорией, поскольку она базируется на утверждении, что на всех пространственно-временных уровнях проявляются одинаковые закономерности, то есть в макро- и микромире существуют лишь количественные, а не качественные отличия.

Переход от микроскопических параметров к макроскопическим осуществляется с помощью усреднения.

Теория электромагнитных явлений Максвелла-Лоренца имела большое значение для формирования современной физической картины мира. Теория Максвелла обнаружила новую форму существования материи в виде электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие и электромагнитное поле входят в современную физическую картину как важны составные части. Невзирая на то, что вещество и электромагнитное поле являются разными формами материи, их свойства во многих отношениях подобны.