Свойства электромагнитного поля

Из приведенных примеров силовых линий электрического и магнитного полей видно различие в характере этих полей. Действительно, электрическое поле, создаваемое зарядами, исходит из положительного заряда и входит в отрицательный заряд, т. е. это поле обладает некоторой расходимостью или дивергенцией (от английского слова divergence– расходимость).

Магнитное поле ведет себя иначе. Его силовые линии носят замкнутый характер, причем линии поля охватывают провод с током, т. е. совокупность движущихся зарядов. Говорят, что магнитное поле имеет вихревой характер (математически описывается английским термином rotor). Вихревой же характер носит и электрическое поле, порождаемое переменным магнитным полем, и магнитное поле, порождаемое переменным электрическим полем (см. рис. 4.3^*).

Отмеченные особенности описываются системой уравнений Максвелла, которые имеют вид (дифференциальная форма уравнений):

,

,

,

.

Эти уравнения записаны для случая отсутствия диэлектрических и магнитных сред. Величина – плотность электрических зарядов, численно она равна заряду в единице объема. Векторная величина – плотность электрического тока; численно эта величина равна току, протекающему через единичное сечение проводника. и – это определенным образом записанные дифференциальные операторы. Вид этих операторов при желании вы можете найти в рекомендованной литературе.

Содержание первого уравнения: электрическое поле порождается (частично) электрическими зарядами. это поле обладает расходимостью, и силовые линии электрического поля «выходят» из положительных зарядов и «заходят» в отрицательные заряды.

Содержание второго уравнения: специфических магнитных зарядов не существует. Потому магнитные поля не обладают расходимостью: силовые линии этих полей не имеют ни начала, ни конца, линии магнитного поля всегда замкнуты.

Содержание третьего уравнения: электрические поля, порождаются не только электрическими зарядами, но и переменными магнитными полями. эти поля имеют вихревой характер (вихревая часть электрического поля).

Содержание четвертого уравнения: источниками магнитного поля являются движущиеся заряды (электрические токи) и переменные электрические поля. Магнитное поле всегда носит вихревой характер.

Уравнения Максвелла имеют широчайшую область применения. Они описывают и объясняют все известные электромагнитные эффекты и явления. В частности, в этих уравнениях уже содержатся известные из школьного курса явление электромагнитной индукции и процесс распространения электромагнитных волн.

5. Фундаментальные поля
и квантовая картина взаимодействия

Электромагнитное поле является одним из четырех фундаментальных полевых форм материи, выделяемых современным естествознанием. Другие фундаментальные поля связывают с тремя другими фундаментальными взаимодействиями – гравитационным, слабым и цветовым.

Помимо электрического заряда можно ввести понятия «гравитационный заряд», «слабый заряд» и «цветовой заряд». При этом надо иметь в виду, что «цвет» не имеет ничего общего с обычным цветом. Это условное название некоторого вида заряда, которое обусловливает способность такого заряда участвовать в особого рода взаимодействии – цветовом. Этим видом зарядов обладают субэлементарные частицы, называемые кварками.

Электрон помимо электрического заряда обладает также слабым зарядом и гравитационным зарядом (это его масса). Это означает, что он может принимать участие в трех видах фундаментальных взаимодействий.

Содержание понятий «вещество» и «поле» для микромира настолько переплетено, что эти понятия не носят характер противопоставления дискретного и непрерывного. Дискретность и непрерывность здесь особая – квантовая. Что это значит? Электрон – одна из частиц вещества, и он действительно регистрируется как дискретность. Однако в своем поведении электрон проявляет себя особенным образом: он, скорее, не движется, а распространяется как поле. Это очень сложно представить, но этот факт твердо установлен экспериментально. Говорят, что электрон проявляет корпускулярно-волновой дуализм. С другой стороны, электромагнитное поле не является чисто континуальным, т. е. непрерывным объектом в традиционном стандартном понимании. Это поле в определенном смысле состоит из дискретностей – квантов электромагнитного поля – частиц, называемых фотонами.

Аналогичные представления имеются обо всех остальных фундаментальных взаимодействиях. Для каждого из фундаментальных полей вводятся свои кванты поля. В результате, наряду с силовой и полевой, возникает третья – квантовая картина взаимодействия фундаментальных структурных элементов вещества – элементарных и субэлементарных частиц.

Некоторое представление об этой картине взаимодействия можно получить из приведенной ниже таблицы, взятой из Интернета (адрес сайта http://particleadventure.org/frameless/chart_frame.html). Вы можете скопировать это изображение, распечатать в нужном масштабе и рассмотреть более подробно. Английский язык знать в совершенстве не обязательно, ведь нужно получить лишь некоторое представление о квантовой картине взаимодействия в микромире.

Литература

Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. – вып. 5. – М.: Мир, 1966. – 296 с.

Купер Л. Физика для всех. – Т. 1. – М.: Мир, 1973. – 480 с.

Орир Дж. Популярная физика. – М.: Мир, 1964. – 446 с.

Карцев В.П. Приключения великих уравнений. – М.: Знание, 1970. – 320 с.

Окунь Л.Б. a, b, g, Z. Элементарное введение в физику элементарных частиц. – М.: Наука, 1985. – 112 с. (Библиотечка Квант. Вып. 45).