Электродинамика является наукой о свойствах и закономерностях поведения особого вида матери — электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами. Электродинамика — раздел физики, посвященный научную электрических и магнитных явлений, в которых основную роль играют взаимодействии между телами и частицами, имеющими электрический заряд. Это взаимодействие осуществляется через электромагнитной поле, связанное с этим телами или частицами.
Ключевые слова: электродинамика, электрические и магнитные явление, электрический заряд, электромагнитной поле, электрические частицы, оболочка атома, классическая электродинамика, квантовая электродинамика.
Electrodynamics is a science about the properties and behavior patterns of a special type of matter — the electromagnetic field, which carries out the interaction between electrically charged bodies. Electrodynamics is a section of physics devoted to the scientific study of electrical and magnetic phenomena, in which the main role is played by the interaction between bodies and particles that have an electric charge. This interaction is carried out through the electromagnetic field associated with these bodies or particles.
Keywords: electrodynamics, electrical and magnetic phenomena, electric charge, electromagnetic field, electrical particles, atomic shell, classical electrodynamics, quantum electrodynamics.
В современной электродинамике можно выделить три основные части: классическую электродинамику, квантовую электродинамику и электродинамику движущихся сред. Классическая электродинамика — это, по существу, теория электромагнитного поля Максвелла и электронная теория Лоренца. Квантовая электродинамика — это квантовая теория электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами. Электродинамика движущихся сред изучает особенности электромагнитных явлений в движущихся средах.
Однако в курсе физики средней школы речь идет лишь об основах электродинамики, т. е. о том, что должен знать каждый, получающий среднее образование [1, 2, 3].
Основными понятиями электродинамики, являются понятия электрического заряда и электрического поля. С этим понятием школьники встречались в VII классе. В 1733 г. французский физик Ш.Дюфе впервые установил существование электрических зарядов двух родов при электризации тел происходит перераспределение заряженных частиц, в результате на одном теле появляется избыток положительного заряда, а на другом — избыток отрицательного заряда. Оба эти заряды равны между собой по модулю. Следовательно, суммарный заряд электризующихся тел не изменяется [4, 5].
Магнетизм известен по крайней мере с V в. до нашей эры, но изучение магнитных явлений продвигалось медленно. На основе опытных исследований Гильберт установил, что магнитное притяжение и отталкивание присущи только магнитным телам: что магнит всегда имеет два полюса. Объясняя действие магнитной стрелки компаса, Гильберт утверждал, что Земля представляет собой большой магнит.
В 1729 г. С.Грей открыл явление электропроводности и разделил все тела на проводники и непроводники электричества. В 1734 г. Ш. Ф. Дюфе высказал мысль, что электрические явления можно объяснить, предположив существование двух родов электричества: стеклянного (положительного) и смоляного (отрицательного).
Б.Франклин опытным путем доказал неравномерность распределения электрических зарядов на поверхности проводников и открыл свойство зарядов скапливаться на острие. Он выдвинул гипотезу об электрической природе молнии. Изучением природы молнии в России занимались Б.Рихман и М. В. Ломоносов [1,5].
Начало количественному изучению электрических и магнитных явлений было положено Г.Кавендишем и Ш. О. Кулоном. Кулон опытным путем установил закон взаимодействия электрических зарядов. Заслуга Кулона состоит еще и в том, что он ввел важные, сохранившиеся до наших дней понятия: количество электричества, плотность электричества, напряженность и т. др. [4,5].
Следующий этап в развитии учения об электричестве начинается с работ Л.Гальвани, опубликовавшего в 1791 г. свой «Трактат о силах электричества при мышечном движении», и А. Вольта, который в 1800 г. изобрел так называемый вольтов столб — первый источник постоянного тока. С момента изобретения этого источника тока появилась возможность проводить исследования явлений, связанных с электрическим током. Первые успехи в этом направлении касались исследования действий электрического тока. Уже в 1800 г. было открыто разложение воды на кислород и водород электрическим током. Большую роль в изучении тепловых и световых действий тока сыграл русский физик В. В. Петров, открывший в 1802 г. электрическую дугу.
С появлением «вольтова столба» возникла и начала развиваться новая область учения об электричестве, названная впоследствии одним из ее основоположников, А. М. Ампером, электродинамикой. На этом этапе учение об электричестве развивалось чрезвычайно быстро. Наряду с исследованиями электрических явлений не прекращались исследования и по магнетизму. В 1820 г. Г. X. Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку. Опыт Эрстеда был проверен и подтвержден другими учеными. Важное открытие, углубившее знания о взаимосвязи электрических и магнитных явлений, принадлежит Ж. Био и Ф. Савару, которые установили количественный закон действия прямого - тока на магнитную стрелку. Открытие Эрстеда дало возможность создать удобные измерители тока. С появлением измерительных приборов исследования в области электромагнетизма расширялись, и вскоре был открыт ряд новых свойств электрического тока. В 1821 г. Т.Зеебек открыл явление термоэлектричества, обнаружив этим связь между теплотой и электричеством. В 1834 г. Ж.Пельтье открыл явление, противоположное явлению Зеебека [5,6].
В 1820 г. электромагнитными явлениями заинтересовался Ампер. Он высказал идею о взаимодействии токов и экспериментально доказал ее правильность. Математическая формулировка закона взаимодействия элементов токов была дана Ампером в 1826 г. В работах Ампера существенно важны два момента: — идея о связи магнетизма с электрическим током и — дифференциальный закон взаимодействия элементов токов. Для описания процессов, происходящих в гальванической цепи, Ампер ввел термины «электрический ток», «электрическое напряжение», «сила тока», без которых сейчас невозможно представить учение об электрическом токе. Термин потенциал был впервые введен в математическую теорию электричества и магнетизма в 1828 г. Д. А. Грином.
Большое внимание в начале XIX в. ученые уделяли поиску количественных методов измерения токов, напряжений, исследованию электропроводящих свойств твердых тел. Количественно зависимость между величинами, характеризующими электрический ток в электрической цепи, была опытно установлена в 1827 г. Георг Омом. Ему также принадлежит термин сопротивление. Опыт Ома — один из основополагающих опытов в электродинамике.
Чрезвычайно важным для развития электродинамики было открытие явления электромагнитной индукции. Этот эффект удалось М.Фарадею в результате длительных исследований в 1831 г. Анализируя опыты по получению индукционного тока, Фарадей впервые высказал гипотезу, согласно которой электрические и магнитные действия не непосредственно передаются от тела к телу, а переносятся через лежащую между ними среду. В 1833 г. Э. X. Ленц открыл закон, с помощью которого можно определить направление индукционного тока.
Открытия в области электричества и магнетизма сразу же находили широкое применение в технике. В первой половине XIX в. начались попытки применения электричества в качестве движущей силы. Первый практически пригодный электродвигатель был построен в России Б.Якоби. Во второй половине XIX в. уже были изобретены электромеханические генераторы, электрическое освещение, электрическая сварка, передача электрической энергии на расстояние, трехфазный ток и др. К началу XX в. уже складывалась электроэнергетика и начиналась электрификация промышленности и транспорта. Широко применялись законы электромагнетизма также при создании новых средств связи. Первый практически пригодный электромагнитный телеграф был сконструирован русским изобретателем П. Л. Шиллингом.
Максвелл в 1862 г. внес в электродинамику понятие тока смещения и написал уравнения электромагнитного поля. Эти уравнения являются гениальным теоретическим обобщением экспериментальных основ электродинамики, в первую очередь таких фундаментальных опытов, как опыты Фарадея и Эрстеда [6].
Максвелл на первый план выдвигает запаздывающий характер электромагнитного взаимодействия и локализацию энергии в пространстве. Максвелл вполне отчетливо рассматривает электромагнитное поле как физически реальную систему, в которой локализована определенная энергия. Развитие теории Максвелла привело к замене механической картины мира электродинамической картиной.
Одним из основных следствий, вытекающих из теории Максвелла, было то, что все процессы в электромагнитном поле распространяются не мгновенно, а с конечной скоростью. Эта скорость равна некоторой постоянной величине, фигурирующей в уравнениях Максвелла: она может быть определена электрическими измерениями. Найденное таким путем значение совпало со скоростью света, измеренной оптическими методами. Это послужило для Максвелла указанием на то, что свет имеет электромагнитную природу. Опыты по определению диэлектрической проницаемости ряда твердых веществ и газов, проведенные Л. Больцманом, подтвердили теорию Максвелла. С этой теорией согласуется также явление двойного лучепреломления в электрическом поле, открытое Дж.Керром в 1875 г. Но решающим подтверждением теории Максвелла явилось экспериментальное обнаружение Г.Герцем полученных электрическими методами свободных электромагнитных волн. Получив такие волны, Герц измерил их длину, продемонстрировал их отражение, преломление, дифракцию и интерференцию. Герц развил теорию Максвелла дальше, написав уравнения электромагнитного поля в такой форме, в какой они используются до настоящего времени; он исследовал решение этих уравнений для конкретного случая — поля излучения диполя [7]..
До опытов Герца появилась работа Дж. Пойнтинга (1883 г.) о переносе энергии электромагнитным полем, которая в свою очередь была частным случаем общей теории движения энергии, разработанной в России в 1873 г. Н. А. Умовым. Герц применил вектор Пойнтинга — Умова к вычислению потока энергии, излучаемого диполем в окружающее пространство. Полученный им результат был отправным для теории антенн [6].
Подлинным триумфом теории Максвелла было практическое применение электромагнитных волн для связи. Это впервые осуществил в России А. С. Попов, который в 1896 г. демонстрировал передачу и прием радиосигналов из одного здания в другие на расстояние 250 м. Так были заложены основы радиотехники [1, 2, 3].
Теперь кратко остановимся на развитии электронной теории. Экспериментальные факты, в первую очередь открытие Фарадеем в 1834 г. электролиза, приводили к мысли, что электричество каким-то образом связано с атомами вещества. Вебер в 1862 г. выдвинул гипотезу, что с каждым атомом вещества связан атом электрический. Идею атомистического строения электричества высказал также Г.Гельмгольц в 1881 г. в своей речи, посвященной памяти Фарадея. Г.Дж.Стоней предложил назвать элементарный электрический заряд электроном. Открыт же был электрон лишь в 1897 г. Дж.Дж.Томсоном. В опытах с катодными лучами в магнитном и электрическом полях Томсон измерил удельный заряд электрона. Убедительное доказательство дискретной природы электрического заряда было получено в опытах А. Ф. Иоффе и Р.Милликена, относящихся к 1911–1916 гг.
Создателем электронной теории, в которой был осуществлен синтез учений об электромагнитном поле и электрической структуре атома, был Г. А. Лоренц. Он выдвинул идею учесть в уравнениях Максвелла дискретную структуру электричества. Первым успехом этой теории было объяснение открытого в 1896 г. П.Зееманом явления расщепления спектральных линий в магнитном поле. В дальнейшем электронная теория позволила объяснить целый ряд электрических, магнитных и оптических явлений [6,7].
Теоретическое объяснение электропроводности металлов на основе классической электронной теории дал в 1900 г. П.Друде. В том, что электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение электронов, убедили опыты по инерционному движению электронов. Идея этого опыта была высказана и практически реализована в 1913 г. А. С. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. В 1916 г. Ч. Стюарт и Т. Толмен определили удельный заряд носителей тока в металлах. Оказалось, что заряд движущихся в металлах частиц отрицательный, а их удельный заряд совпадает с удельным зарядом электронов.
В 1905 г. А.Эйнштейн, развивая электродинамику движущихся сред, пересмотрел используемые в классической физике представления о пространстве и времени и создал специальную теорию относительности. Уравнения Максвелла не могли дать полного описания всех электромагнитных и оптических явлений в движущихся телах [7]. С развитием квантовой механики начался новый период в развитии электродинамики — период квантовой электродинамики.
В настоящее время учение об электричестве объединяет обширный круг самых разнообразных явлений и служит фундаментом не только для ряда физических теорий, но и для таких исключительно важных практических областей, как электротехника и радиотехника. Ученые, работающие в области электродинамики, решают многочисленные проблемы: использование высокотемпературной плазмы для получения управляемого термоядерного синтеза, изучение и моделирование распространения электромагнитных волн в ионизированной среде, методика диагностики плазмы, создание источников заряженных частиц путем вытягивания электронов и ионов из разряда, разработка газовых лазеров, использование катодного распыления для структурного анализа и получения тонких пленок и др.
В развитии электродинамики можно выделить следующие основные периоды: дофарадеевский период; фарадей-максвелловский период; период классической электронной теории; период релятивистской электродинамики; период квантовой электродинамики.
Литература:
- Учебники по физике для средней щколы, 2023 г.
- Учебники физики разного уровня для средней школы, Москва, 2020
- Шахмаев Н. М., Шахмаев С. Н., Шодина Д. Ш., учебник «Физика» для Х класса, Из.-во Просвещение, Москва, 1991.
- А. М. Прохоров. Большая физическая энциклопедия (в 5-ти томах), 1988.
- Голин Г. М. Хрестоматия по истории физики. Классическая физика, Изд. Высшкола, 1978, 272 с.
- Калашников С. Г. «Электричество», -М.: Из.-во Просвещение, Москва, 2000.
- Оптика. Учеб. пособие: Для вузов. — 6-е изд., стереот. — М.: ФИЗМАТ. ЛИТ., 2003, 848 с.
