3.1, Краткая история становления электромагнетизма
79
сматривается как проявление поступательного движения, а электрическое поле -как проявление вращательного (вихревого) движения эфира. Такой точки зрения придерживались, в частности, Гельмгольц, Челлис, В.Томсон, Дж.Томсон,
Н.П.Кастерин. Во второй группе магнитное поле рассматривалось как проявление вихревого движения эфира, а электрическое - как проявление поступательного движения. Этой точки зрения придерживались Дж.К.Максвелл и В.Ф.Миткевич. В пользу последних представлений свидетельствовало открытое Фарадеем явление поворота плоскости поляризации света в магнитном поле.
Однако основным недостатком подобных моделей было то, что обычное поступательное движение любого предмета должно было бы в соответствии с этими моделями сопровождаться либо появлением дополнительного магнитного поля, либо электрическим напряжением, а этого не было обнаружено.
Вторым крупным недостатком указанных моделей, включая максвелловскую, была идеализация движений эфирных жидкостей и распространение их на все пространство, окружающее область электромагнитных явлений. Эта идеализация явилась следствием представлений Гельмгольца о движениях идеальной среды, согласно которой вихри не могли ни появляться, ни уничтожаться, а могли лишь перемещаться и меняться в сечении при сохранении циркуляции. Но в электромагнитных явлениях поля и возникают, и уничтожаются, что противоречило указанным моделям.
Идеализированные представления о движениях эфира привели к парадоксам энергии, аналогичных тем, что имеют место в гидромеханике при рассмотрении движений идеальной жидкости вокруг вихревых столбов: энергия единицы длины столба вихря оказывается бесконечно большой.
Подавляющее большинство моделей электромагнетизма носило частный характер до появления трудов выдающегося английского физика Джеймса Клерка Максвелла (1831-1879).
Сам Максвелл работал в области кинетической теории газов. Возможно, именно поэтому к электричеству он подошел с точки зрения развивающейся тогда применительно к жидкости и газам теории гидродинамики, особую роль в которой играли разработки таких выдающихся ученых, как Г.Гельмгольц, У.Ранкин и ряд других. По мысли Максвелла, все пространство заполнено эфиром, представляющим собой идеальную несжимаемую и невязкую жидкость, в которой и распространяются все электрические и магнитные поля, составляющие единый физический процесс.
Основные труды Максвелла опубликованы в виде серий статей «О фарадее-вых силовых линиях» (1855-1856), «О физических силовых линиях» (1861-1862) и, наконец, в виде двухтомного «Трактата об электричестве и магнетизме» (1873). В этой «Библии электричества» громадный экспериментальный материал, добытый многими исследователями, был обобщен концепцией электромагнитного поля.
Электромагнитное поле, согласно Максвеллу, это процессы, происходящие в эфире, - материальной среде, заполняющей пространство. Опираясь на законы гидродинамики, уже известные в то время, Максвелл разработал систему дифференциальных уравнений, которая в принципе может описать любой процесс, происходящий в электромагнитном поле.
Новая теория обладала величайшей предсказательной силой. Из нее естественным образом следовало, что переменные электрические поля должны сосуществовать с магнитными и волнообразно распространяться в пространстве со скоростью света. Теория предсказывала существование электромагнитных волн. Световые волны в новой теории являлись электромагнитными волнами.
Теория Максвелла предсказывала существование светового давления. Она связывала электрические и оптические свойства веществ. Из нее вытекал доступный экспериментальной проверке результат:
где показатель преломления п - оптическая характеристика вещества связан с электрической и магнитной проницаемостями г и р..
Теория Максвелла была последовательно континуальна. Электрические заряды рассматривались в ней как непрерывные функции координат или как особые точки пространства, в которых начинаются или кончаются силовые линии поля, трактовавшиеся в духе Фарадея. Теория Максвелла сыграла выдающуюся роль в развитии электромагнетизма и создании на этой основе многих прикладных областей техники - электротехники, радиотехники, электроники с многочисленными приложениями в самых различных областях естествознания. Теория оказалась столь плодотворна, что еще и сейчас, когда с момента ее создания прошло более 130 лет, мало у кого возникает сомнение в том, что она может быть хоть в чем-то некорректна. Но тем не менее необходимо помнить, что ни у одной области науки, если она остается наукой, нет конца и что всегда найдутся проблемы, которые уже созданная теория или объясняет лишь частично, или вообще не в состоянии объяснить. И в этом плане теория электромагнетизма Максвелла не является исключением.
3.2. Основные понятия теории электромагнетизма
Современная теория электромагнетизма представляет собой замкнутую и хорошо выверенную систему. Практически все ее представления и основные положения были сформулированы в XIX столетии. Ниже перечислены основные определения электричества и магнетизма в том виде, как они приняты современной наукой.
Электричество - совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически заряженных тел или частиц. Взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью электромагнитного поля (в случае неподвижных зарядов - электростатического поля). Движущиеся заряды (электрический ток) наряду с электрическим возбуждают и магнитное поле, т.е. порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие. Учение о магнетизме является составной частью общего учения об электричестве. Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой, в основе которой лежат уравнения Максвелла.
