297
Глава 8. Электромагнитные явления
Эфирная теория... дает надежду выяснить, что является собственно субстратом электрического движения, что собственно за вещь вызывает своими движениями электрические явления
Ф. Энгельс [1]
8.1. Краткая история становления теории электромагнетизма
Как известно, развитие теории электромагнетизма прошло этапы:
- стихийного накопления фактов;
- опытного накопления фактов;
- попыток создания физических теорий, объясняющих электромагнетизм;
- попыток создания физических и математических теорий, описывающих электромагнитные явления и позволяющих создать методики их расчета;
- обобщения физических и математических теорий электромагнетизма и создания единой математической теории;
- экспериментальных исследований, имеющих целью проверку и подтверждение положений общей теории;
- внедрения полученных результатов в широкую практику.
На базе многочисленных опытных данных были наработаны методы расчетов, позволившие точно рассчитать силовые и слаботочные устройства и агрегаты, линии передачи и электрические цепи. А в XX столетии на базе полученных к этому времени знаний были созданы важнейшие отрасли современной промышленности - электромашиностроение, радиотехника и электроника, без которых немыслимо существование современного человечества. Положение о том, что «нет ничего более прикладного, чем хорошая теория», полностью себя оправдало на практике.
Современной теории электромагнетизма предшествовал длительный период накопления знаний об электричестве и магнетизме. В XVII и XVIII вв. исследованию природы электричества были посвящены труды М.В.Ломоносова, Г.В.Рихмана, Б.Франклина, Ш.О.Кулона, П.Дивиша и других ученых. Решающее значение имело создание А.Вольтом первого источника непрерывного тока. В первой трети XIX столетия были проведены многочисленные исследования химических, тепловых, световых и магнитных явлений, вызываемых электрическим током (труды В.В.Петрова, Х.К.Эрстеда, Д.Ф.Арого,
298
М.Фарадея, Дж. Генри, А.М.Ампера, Г.С.Ома и других). Во второй половине XIX в. эти работы получили многочисленные практические внедрения во многих разработках, нашедших широкое применение в промышленности [2-4]. И при всем этом практически никто не знает, какова суть электричества и магнетизма, что они собой представляют, в чем заключается их физическая природа.
Нужно сказать, что в XIX в. были предприняты некоторые попытки разобраться в вопросе о том, что же представляют собой электричество и магнетизм физически, из чего они состоят и как они устроены. Так или иначе, все они были вынуждены привлечь к рассмотрению представления об эфире, движения которого, по их мнению, и лежали в основе электромагнетизма.
М. Фарадей выдвинул предположение о существовании силовых трубок электричества («Фарадеевы силовые линии») [5, 6]. Представления об электромагнитных явлениях как о вихревых движениях эфирной жидкости были сформулированы Г.Гельмгольцем [7, 8], В.Томсоном [9-13], Челлисом [14], Максвеллом [15-17],а также некоторыми другими авторами - Хевисайдом [18, 19], Кемпбеллом [20], Лармором [21], Ланжевеном [22], Абрагамом [23] и др. Значительный вклад в понимание процессов, связанных с прохождением электрического тока по проводам внесли немецкий физик П.Друде [24-26], создавшим электронную теорию проводимости металлов, и нидерландский физик Г.Лоренц [27, 28] существенно развивший и дополнивший эту теорию. В XX столетии подобные идеи высказывались Дж.Томсоном [29, 30], Н.К.Кастериным [31], В.Ф.Миткевичем [32-37].
Математическая теория электричества и магнетизма была создана и практически завершена во второй половине XIX в. Ее апофеозом явился знаменитый «Трактат об электричестве и магнетизме» [38], написанный Максвеллом в 1873 г. В нем Максвеллу удалось обобщить результаты работ ряда ученых таких как В.Томсон, М.Фарадей, Г. Гельмгольц, Кирхгоф, Ранкин, Кулон, Ампер, Риман, Нейман, Эрстед, Ленц и многих других (Стокс, Вебер, Челлис, Физо, Верде, Рив, Бир, Холл, Квинке, Грин, Дженкин, Лагранж, Феличи, Фуко, Кноблаух, Пулье) и дополнить достижения исследователей электромагнитных явлений того времени теорией электромагнитного поля. В «Трактате» Максвеллом были окончательно оформлены знаменитые уравнения электродинамики, получившие его имя. В таком виде теория электромагнетизма сохранилась до наших дней практически без изменений. Трактат Максвелла явился основой всех последующих учебников по электротехнике и электродинамике.