Концепция электромагнетизма представляет единую теорию магнитных и электрических явлений, возникшую как переложение идей М. Фарадея на строгий математический язык.
Уравнения Максвелла
Основу концепции электромагнетизма представляют уравнения электромагнитного поля Максвелла. Они обобщают экспериментальные законы электромагнетизма и называются уравнениями Максвелла. Основу концепции электромагнетизма Максвелла составляют четыре уравнения:
Электрическое поле бывает вихревым и потенциальным. Напряженность результирующего поля определяется формулой:
Рисунок 1. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Из этого следует еще одна формула:
Рисунок 2. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Обобщенную теорему циркуляции вектора выражает формула:
Рисунок 3. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Теорема Гаусса для поля выражена формулой:
Рисунок 4. Теорема Гаусса для поля. Теорема Гаусса для поля
Уравнения Максвелла имеют следующие свойства:
- Линейность. Уравнения содержат только первые производные полей по пространственным координатам и времени, а также первые степени плотности токов и электрозарядов. Свойство линейности уравнений имеет выражает принцип суперпозиции: если два отдельных поля удовлетворяют уравнениям Максвелла, то это будет относиться и к сумме этих полей.
- Непрерывность. Уравнения выражают закон сохранения электрозаряда. Для получения уравнения непрерывности требуется взять дивергенцию от двух частей первого из уравнений в дифференциальной форме записи.
- Уравнения Максвелла могут выполняться во всех инерциальных системах отсчета. Они релятивистки инвариантны. Это - следствие принципа относительности, по которому все инерциальные системы отсчета являются физически эквивалентными друг другу.
- Вид уравнений Максвелла при переходе между инерциальными системами отсчета не изменяется. При этом величины, входящие в них, преобразуются, согласно определенным правилам. Уравнения Максвелла считаются правильными релятивистскими уравнениями в отличие от уравнений механики Ньютона.
- Несимметричность относительно магнитного и электрического полей. Это обусловлено существованием в природе электрических зарядов и отсутствием магнитных.
Из уравнений Максвелла вытекает вывод о принципиально новом явлении: существование электромагнитного поля может быть возможным без оков и электрических зарядов. При этом его изменению обязательно свойственен волновой характер.
Поля такого рода называются электромагнитными волнами. В вакууме они будут всегда распространяться со скоростью, подобной скорости света. Концепция Максвелла не только предсказала существование электромагнитных волн, но и позволила установить все их главные свойства.
Электромагнетизм
Электромагнетизм (электромагнитное взаимодействие) представляет одно из четырех фундаментальных взаимодействий. Он существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. Электромагнитное взаимодействие возникает между заряженными частицами не прямо, а исключительно с помощью электромагнитного поля.
С позиции квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится с помощью безмассового бозона – фотона (частицы, которую можно представить в виде квантового возбуждения электромагнитного поля). Сам фотон не владеет электрическим зарядом, и тем самым он не способен взаимодействовать с другими фотонами.
Гравитационное и электромагнитное взаимодействия проявляют себя (в отличие от сильного и слабого) на макроуровне (на больших масштабах). Электромагнетизм играет важную роль практически во всех явлениях, встречающихся в повседневной жизни. Исключение составляет только гравитация.
Движение ядер и электронов внутри атомов также подчиняется законам электромагнетизма. Химические процессы обусловлены электромагнитным взаимодействием. Они представляют результат перераспределения электронов на энергетических уровнях.
Электромагнетизм проявляется в магнитных и в электрических полях. Оба этих поля представляют просто различные стороны электромагнетизма и неразрывно связаны между собой. Сменное электрическое поле может создавать магнитное поле, и наоборот изменение магнитного порождает электрическое. Такой эффект называется в физике электромагнитной индукцией, и положен в основу работы трансформаторов, электрических генераторов и асинхронных двигателей.
Концепция электромагнетизма Максвелла
Согласно уравнениям Максвелла, переменное магнитное поле будет всегда связано с электрическим полем, порождаемым им и наоборот. Таким образом, переменное магнитное поле без электрического существовать не может, как и электрическое без магнитного, поскольку они формируют единое электромагнитное поле.
Концепция электромагнетизма Максвелла, обобщая законы электромагнитных явлений, предсказала новые явления. Одним из таких явлений считается существование электромагнитных волн у переменного электромагнитного поля, которое распространяется в пространстве с конечной скоростью. Изложение данной концепции Максвелл представил в своем трактате о магнетизме и электричестве в 1871 г.
Экспериментальное доказательство существования электромагнитных волн было получено в 1887 г. немецким ученым Г. Герценом. Физик провел опыты, показавшие наличие у электромагнитных волн всех свойств света:
- отражения;
- преломления;
- интерференции;
- поляризации;
- дифракции.
Свет, таким образом, является электромагнитной волной.
В истории развития электромагнетизма знаменательным стал тот факт, что в данной области научные исследования впервые предшествовали техническим применениям. Так, если паровая машина была создана задолго до возникновения теории тепловых процессов, то конструирование электродвигателя или радиоприемника стало возможным только после открытия и исследования законов электродинамики. Многочисленные практические применения электромагнитных явлений способствовали значительному преобразованию сферы деятельности человека и развитию цивилизации в целом.
