Концепции классической электродинамики

Электродинамика – раздел физики, который изучает электромагнитное взаимодействие.

Хотя некоторые электрические и магнитные явления были известны еще древним, их техническое применение стало возможным лишь в XIX веке. К этому же времени относится становление электродинамики как науки. Первоначально она возникла в работах Кулона и Ампера как некая механическая аналогия электрических и магнитных явлений.

1) Основным понятием являлся электрический заряд (q) – мера способности тела участвовать в электромагнитном взаимодействии. В системе СИ [q] = Кл.

2) Под электрическим током понималось любое упорядоченное движение тел, имеющих электрический заряд (движение зарядов). Сила тока, , [I] = А, характеризует быстроту этого движения.

3) Движение зарядов вызывается электрическими силами ( ), а во время движения они подвергаются также влиянию магнитных сил ( ).

4) Для нахождения сил пользовались экспериментальными законами Кулона и Ампера:

, ,

,

Здесь – сила воздействия точечного заряда q₁ на заряд q₂, – сила воздействия элемента тока на элемент , – радиус-вектор q₂ относительно q₁ или относительно , и – постоянные.

Таким образом, силы в любой момент времени определяются распределением зарядов или токов в тот же момент времени, т.е. электромагнитное взаимодействие происходит мгновенно, и концепцию Ампера можно назвать теорией дальнодействия. Как показывает опыт, эта теория хорошо описывает только взаимодействие неподвижных зарядов или взаимодействие постоянных токов. Эксперименты Эрстеда и Фарадея по магнетизму свидетельствовали об условности механического объяснения взаимодействия зарядов.

Чтобы истолковать открытое им явление электромагнитной индукции, Фарадей придал понятию электромагнитного поля статус материального объекта.

Так как сила или может быть обнаружена только при наличии двух зарядов, то Фарадей предложил изучать пространство вблизи данного заряженного тела при помощи других «пробных» зарядов. При этом удобно считать, что электромагнитные силы существуют независимо от того, видим мы их проявление или нет, т.е. пространство вокруг заряженного тела имеет особые силовые свойства.

Абсолютизируя это понятие пространства-поля, Фарадей пришел к выводу, что любое заряженное тело есть просто «центр сил», возмущение в силовом пространстве поля. Все тела, все атомы проникают друг в друга, следовательно, нет никакой дискретности, а есть только непрерывные материальные объекты-поля.

Максвелл математически оформил эти идеи. Электромагнитное поле в любой материальной среде описывается четырьмя векторами: , , и . Если заданы начальные и граничные условия для этих величин и плотность распределения зарядов ρ и токов , то система уравнений Максвелла позволяет найти единственное решение , , , в любой момент времени и в любой точке пространства среды:

,

.

Здесь обозначает вектор с компонентами:

,

,

, а .

При этом необходимо учесть так называемые материальные уравнения:

, , ,

где ε, μ, γ характеризуют электрические и магнитные свойства среды и должны быть известны из опыта.

Таким образом, уравнения связывают значения силовых векторов в смежных точках пространства в смежные моменты времени. Поэтому любое возмущение поля в данной точке пространства непосредственно влияет только на смежные участки поля. Следовательно, согласно концепции Фарадея-Максвелла, электромагнитное взаимодействие передается от точки к точке с конечной скоростью, и ее можно назвать теорией близкодействия.

Скорость эта в вакууме равна скорости света м/с.

Из уравнений также следовала возможность передачи любого периодического изменения характеристик поля от точки к точке, названной электромагнитной волной. Открытие Герцем электромагнитных волн и исследование их свойств окончательно подтвердило как конечность скорости передачи взаимодействия, так и материальность поля.

После открытия электрона и изучения атома пришлось вернуться к материальности зарядов. Электронная теория Лоренца рассматривает вещество состоящим из движущихся заряженных частиц, создающих микроскопические поля и , передающие взаимодействия. Эти поля описываются уравнениями Лоренца:

,

,

,

, , где – скорость зарядов.

Макроскопические характеристики и , измеряемые экспериментально, могут быть получены путем пространственно-временного усреднения, т.е.

, .

Таким образом, все электромагнитные явления объясняются расположением, движением и взаимодействием электрических зарядов, из которых состоят атомы и молекулы. Эти явления говорят о реальности электромагнитных полей, которые хотя и могут существовать независимо от заряженных частиц вещества, но обнаруживают себя только в их присутствии.