Тема 4. Концепция поля

В древние и средние века континуальные представления – представления о непрерывном характере объектов – были самыми распространенными. Например, вода, воздух и вообще стихии были непрерывными. Вода – это была вода как таковая, непрерывная, льющаяся непрерывно, искрящаяся на солнце. Никаких структурных представлений!

Современный человек, конечно же, так же хорошо относится к воде, как и человек древний или средневековый, однако при произнесении слова «вода» на занятиях физики или химии он сразу рисует в голове формулу H₂O, т. е. немедленно строит структурное представление о воде. Такова сила обучения тем или иным правильным или неправильным представлениям!

Настоящее, правильное, как считает современное естествознание, представление о непрерывном, континуальном возникло лишь в связи с электромагнитными явлениями. Здесь речь пойдет в основном о концептуальных представлениях о материи в виде электромагнитного поля.

1. Силовая картина взаимодействия
электрических зарядов

Элементарные частицы (электроны, протоны), ионы, а также макроскопические тела (заряженные тела) обладают электрическим зарядом. Это означает их способность участвовать в определенном виде взаимодействия, называемом электрическим.

Согласно закону взаимодействия зарядов, установленному Шарлем Огюстом Кулоном в 1785 г., два точечных неподвижных заряда и , находящихся на расстоянии в вакууме, действуют друг на друга с силами, равными по величине:

( – электрическая постоянная, Ф – «фарада» – единица измерения электроемкости). При этом одинаковые по знаку заряды отталкиваются, разные по знаку заряды притягиваются. Силу такого взаимодействия неподвижных зарядов мы называем электрической.

Если эти же заряды движутся (например, параллельно друг другу), то в силу релятивистских эффектов возникает дополнительная к электрической сила, которая называется магнитной. Это твердо установленный экспериментальный факт.

Зададимся простым вопросом. Пусть каким-либо образом два заряда удерживаются на своих местах, т. е. оба заряда неподвижны относительно нас как наблюдателей. И пусть в некоторый момент времени оба заряда начинают двигаться (их перестали удерживать, например). Спрашивается, когда второй заряд «узнает» о произошедшем и начнет реагировать на изменившуюся ситуацию?

Теория, основанная на силовой картине взаимодействия неподвижных и движущихся зарядов, дает ответ на этот вопрос: мгновенно. То есть магнитная сила возникает мгновенно, как только у второго заряда появляется движение, а электрическая сила мгновенно начинает изменяться в соответствии с изменившимся положением второго заряда. В этом смысле эта теория взаимодействия называется теорией дальнодействия.

Более правильной оказывается теория, основанная на иных представлениях.

2. Полевая картина взаимодействия
электрических зарядов

Любой электрический заряд , как полагает современное естествознание, изменяет свойства пространства в следующем смысле. Этот заряд порождает непрерывную материю – электрическое поле, количественно характеризуемую векторной физической величиной – напряженностью электрического поля Е . Если взять другой, очень малый заряд и поместить его в какое-либо место в пространстве на расстоянии , то этот заряд не реагирует непосредственно на удаленный от него заряд , а прямо «у своих ног» ощущает на себе действие порожденного зарядом электрического поля Е. Сила, которую испытывает на себе пробный заряд, равна

.

Эта формула иначе описывает взаимодействие. Согласно новой картине взаимодействия, которую назовем полевой картиной взаимодействия, заряд порождает электрическое поле

.

Второй, пробный, заряд испытывает непосредственно влияние этого поля, он испытывает на себе действие электрической силы

.

Что происходит в случае движения заряда со скоростью , а заряда со скоростью ? При движении заряда характер изменения свойства пространства вокруг него является другим. Во-первых, порождаемое им электрическое поле по своим свойствам становится иным. Во-вторых, помимо этого поля появляется поле другого плана – магнитное поле, описываемое количественно векторной физической величиной – индукцией магнитного поля.

Проходит некоторое время, в течение которого эти изменения доходят до места расположения заряда (говорят, что поле распространяется и на это требуется время), и в результате через конечное время этот заряд ощущает на себе изменение в ситуации «под ногами»: он испытывает на себе действие теперь двух сил:

и .

Вторая сила и есть магнитная сила, называемая также силой Лоренца. По величине эта сила равна , где – угол между векторами и .

Индукция магнитного поля, порожденная движущимся зарядом , равна

.

Здесь – магнитная постоянная, Гн – генри – единица измерения индуктивности.

Источник обоих полей и один – покоящийся или движущийся электрический заряд . Поэтому правильнее говорить о едином электромагнитном поле. Исторически объединение электрических и магнитных явлений проходило очень длительно и сложно.

Электромагнитное поле подчиняется принципу суперпозиции: если есть несколько зарядов, то они создают в некоторой точке пространства электромагнитное поле, являющееся суммой полей каждого из зарядов:

, .