Электродинамика Максвелла

Электродинамика Джеймса Максвелла и развитие физической картины мира

Электродинамика Максвелла

Джеймс Максвелл публикует итоговый двухтомный Трактат об электричестве и магнетизме / A Treatise on Electricity and Magnetism. Clarendon Press, Oxford. 1873, где обобщает результаты серии своих предыдущих работ по электромагнетизму.

Исходно, в основу своих рассуждений учёный положил гипотезы и эксперименты в области электромагнитного поля, сделанные Майклом Фарадеем. Заметим, что гипотезу о существовании электромагнитных волн, которая следовала из составленных им уравнений, Джеймс Максвелл  высказал ранее в 1861 году.

Начинался трактат так:

«Для изучающего любой предмет чтение оригинальных трудов представляет собой большое преимущество, так как наука всегда наиболее полно усваивается в состоянии рождения; а в том, что касается «Исследований» Фарадея, это сравнительно легко, поскольку они изданы по частям и могут читаться в последовательном порядке. Если чем-либо из написанного здесь я окажу любому изучающему содействие в понимании способов мышления и выражений Фарадея, я буду считать, что одна из моих основных целей, а именно передать другим то восхищение, которое я испытал сам, читая «Исследования» Фарадея, будет выполнена.

Описание явлений и главных частей теории каждого предмета даётся в первых главах каждой из четырёх частей, на которые разделен этот трактат. В этих главах читатель найдет достаточно сведений для элементарного знакомства со всем предметом.

Остальные главы каждой части содержат в себе более трудные разделы теории, численные расчеты и описание приборов и методов экспериментального исследования. Отношения между электромагнитными явлениями и явлениями излучения, теория молекулярных электрических токов и результаты размышлений о природе действия на расстоянии рассматриваются в последних четырёх главах второго тома.

1 февраля 1873 г.».

Цитриуется по: Д. Максвелл, Трактат об электричестве и магнетизме / Жизнь науки. Антология вступлений в классике естествознания / Сост.: С.П. Капица, М., «Наука», 1973 г. с. 190.

Как выяснилось позже, в этом трактате Джеймсу Максвеллу удалось принципиально дополнить физическую картину мира:

«Вместо традиционной интерпретации взаимодействия между положительным и отрицательным зарядом как силы притяжения, подобной притяжению двух масс в механике Ньютона, Фарадей и Максвелл нашли более корректное представление: каждый заряд создаёт вокруг себя такое «возмущение», или «состояние», что всякий другой заряд испытывает ею присутствие как силовое воздействие. Это состояние пространства, эта потенциальная способность оказывать силовое действие и называется полем.

Поле создается отдельным зарядом и существует независимо от того, находится ли поблизости и «чувствует» ли его воздействие какой-либо другой заряд. Это был самый глубокий и самый важный переворот в нашем понимании физической реальности.

Ньютон считал, что силы неразрывно связаны с телами, между которыми они действуют.

Теперь же понятие силы уступило место более сложному понятию поля, которое имеет собственную природу и может изучаться без какой-либо связи с материальными телами.

Вершиной этой теории, получившей название электродинамики, было осознание того, что свет — не что иное, как переменное электромагнитное поле высокой частоты, движущееся в пространстве в форме волн.

Сегодня мы знаем, что и радиоволны, и волны видимого света, и рентгеновские лучи представляют собой колеблющиеся электромагнитные поля, которые различаются только частотой колебаний, и что свет — лишь незначительная часть огромного спектра электромагнитных волн.

Несмотря на новые открытия, в основе физики все ещё лежала механика Ньютона.

Сам Максвелл пробовал объяснить результаты своих исследований с механистической точки зрения, считая поле напряжённым состоянием эфира — очень лёгкой среды, заполняющей всё пространство, а электромагнитные волны — колебаниями эфира.

Это было вполне естественно, так как в волнах обычно видели колебание какой-либо среды: воды, воздуха и так далее. Однако Максвелл одновременно использовал несколько механистических объяснений своих открытий, очевидно не воспринимая ни одного всерьез.

Видимо, он интуитивно чувствовал, если и не говорил этого открыто, что главное в его теории — поля, а не механистические модели. На этот факт через десять лет обратил внимание Эйнштейн, заявивший, что эфира не существует и что электромагнитные поля имеют собственную физическую сущность, могут перемешаться в пустом пространстве и не поддаются объяснению через понятия механики».

Фритьоф Капра, Дао физики: общие корни современной физики и восточного мистицизма, М., «София», 2008 г., с. 69-71.

Уравнения Максвелла описывали как множество ранее открытых физиками явлений электромагнетизма, так и предсказали – в том числе – существование электромагнитных волн, позже экспериментально отрытых Генрихом Герцем, которым также была предложена одна из современных записей этих уравнений.

Источник: https://vikent.ru/enc/1026/

Электромагнитное поле. Теория Максвелла

Электродинамика Максвелла
Подробности Категория: Электричество и магнетизм 05.06.2015 20:46 15118

Переменные электрическое и магнитное поля при определённых условиях могут порождать друг друга. Они образуют электромагнитное поле, которое вовсе не является их совокупностью. Это единое целое, в котором эти два поля не могут существовать друг без друга.

Из истории

Опыт датского учёного Ханса Кристиана Эрстеда, проведенный в 1821 г., показал, что электрический ток порождает магнитное поле. В свою очередь, изменяющееся магнитное поле способно порождать электрический ток. Это доказал английский физик Майкл Фарадей, открывший в 1831 г. явление электромагнитной индукции. Он же является автором термина «электромагнитное поле».

В те времена в физике была принята концепция дальнодействия Ньютона. Считалось, что все тела действуют друг на друга через пустоту с бесконечно большой скоростью (практически мгновенно) и на любом расстоянии.

  Предполагалось, что и электрические заряды взаимодействуют подобным образом. Фарадей же считал, что пустоты в природе не существует, а взаимодействие происходит с конечной скоростью через некую материальную среду.

Этой средой для электрических зарядов является электромагнитное поле. И оно распространяется со скоростью, равной скорости света.

Теория Максвелла

Объединив результаты предыдущих исследований, английский физик Джеймс Клерк Максвелл в 1864 г. создал теорию электромагнитного поля. Согласно ей, изменяющееся магнитное поле порождает изменяющееся электрическое поле, а переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле. Конечно, вначале одно из полей создаётся источником зарядов или токов.

Но в дальнейшем эти поля уже могут существовать независимо от таких источников, вызывая появление друг друга. То есть, электрическое и магнитное поля являются составляющими единого электромагнитного поля. И всякое изменение одного из них вызывает появление другого. Эта гипотеза составляет основу теории Максвелла. Электрическое поле, порождаемое магнитным полем, является вихревым.

Его силовые линии замкнуты.

Эта теория феноменологическая. Это означает, что она создана на основе предположений и наблюдений, и не рассматривает причину, вызывающую возникновение электрических и магнитных полей.

Свойства электромагнитного поля

Электромагнитное поле — это совокупность электрического и магнитного полей, поэтому в каждой точке своего пространства оно описывается двумя основными величинами: напряжённостью электрического поля Е и индукцией магнитного поля В.

Так как электромагнитное поле представляет собой процесс превращения электрического поля в магнитное, а затем магнитного в электрическое, то его состояние постоянно меняется.

Распространяясь в пространстве и времени, оно образует электромагнитные волны.

В зависимости от частоты и длины эти волны разделяют на радиоволны, терагерцовое излучение, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское и гамма-излучение.

Векторы напряжённости и индукции электромагнитного поля взаимно перпендикулярны, а плоскость в которой они лежат, перпендикулярна направлению распространения волны.

В теории дальнодействия скорость распространения электромагнитных волн считалась бесконечной большой. Однако Максвелл доказал, что это не так. В веществе электромагнитные волны распространяются с конечной скоростью, которая зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости вещества. Поэтому Теорию Максвелла называют теорией близкодействия.

Экспериментально теорию Максвелла подтвердил в 1888 г. немецкий физик Генрих Рудольф Герц. Он доказал, что электромагнитные волны существуют. Более того, он измерил скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, которая оказалась равной скорости света.

В 1895 г. русский физик Александр Степанович Попов применил электромагнитные волны в беспроводной связи.

Электромагнитное поле материально. Ему присущи все признаки материальных тел: энергия, конечная скорость распространения, масса, импульс.

Уравнения Максвелла

Теорию электромагнитного поля Максвелл описал с помощью математических формул. Он обобщил множество законов и объединил их в систему из четырёх дифференциальных уравнений, которые устанавливают связь между электрическими и магнитными полями. По своей значимости в электродинамике они имеют такое же значение, как законы Ньютона в механике.

Закон Гаусса

Электрическое поле создаётся электрическим зарядом. Следовательно, заряд является источником электромагнитной индукции

В интегральной форме этот закон выглядит так:

Закон Гаусса для магнитного поля

Поток магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю

Физический смысл этого закона в том, что в природе не существует магнитных зарядов. Полюса магнита разделить невозможно. Силовые линии магнитного поля замкнуты. 

,

или

Закон индукции Фарадея

Изменение магнитной индукции вызывает появление вихревого электрического поля.

,

или   

Теорема о циркуляции магнитного поля

В этой теореме описаны источники магнитного пόля, а также сами поля, создаваемые ими.

Электрический ток и изменение электрической индукции порождают вихревое магнитное поле.

,

или  

 ,

где

Е – напряжённость электрического поля;

Н – напряжённость магнитного поля;

В – магнитная индукция. Это векторная величина, показывающая, с какой силой магнитное поле действует на заряд величиной q, движущийся со скоростью v;

D – электрическая индукция, или электрическое смещение. Представляет собой векторную величину, равную сумме вектора напряжённости и вектора поляризации. Поляризация вызывается смещением электрических зарядов под действием внешнего электрического поля относительно их положения, когда такое поле отсутствует.

Δ – оператор Набла. Действие этого оператора на конкретное поле называют ротором этого поля.

Δ х Е = rot E

ρ — плотность стороннего электрического заряда;

j — плотность тока — величина, показывающая силу тока, протекающего через единицу площади;

с – скорость света в вакууме.

Изучением электромагнитного поля занимается наука, называемая электродинамикой. Она рассматривает его взаимодействие с телами, имеющими электрический заряд. Такое взаимодействие называется электромагнитным.

Классическая электродинамика описывает только непрерывные свойства электромагнитного поля с помощью уравнений Максвелла. Современная квантовая электродинамика считает, что электромагнитное поле обладает также и дискретными (прерывными) свойствами.

И такое электромагнитное взаимодействие происходит с помощью неделимых частиц-квантов, не имеющих массы и заряда. Квант электромагнитного поля называют фотоном.

Электромагнитное поле вокруг нас

Электромагнитное поле образуется вокруг любого проводника с переменным током.

Источниками электромагнитных полей являются линии электропередач, электродвигатели, трансформаторы, городской электрический транспорт, железнодорожный транспорт, электрическая и электронная бытовая техника – телевизоры, компьютеры, холодильники, утюги, пылесосы, радиотелефоны, мобильные телефоны, электробритвы — словом, всё, что связано с потреблением или передачей электроэнергии. Мощные источники электромагнитных полей – телевизионные передатчики, антенны станций сотовой телефонной связи, радиолокационные станции, СВЧ-печи и др. А так как таких устройств вокруг нас довольно много, то электромагнитные поля окружают нас повсюду. Эти поля воздействуют на окружающую среду и человека. Нельзя сказать, что это влияние всегда негативное. Электрические и магнитные поля существовали вокруг человека давно, но мощность их излучения ещё несколько десятилетий назад был в сотни раз ниже нынешнего.

До определённого уровня электромагнитное излучение может быть безопасным для человека.

Так, в медицине с помощью электромагнитного излучения низкой интенсивности заживляют ткани, устраняют воспалительные процессы, оказывают обезболивающее действие.

Аппараты УВЧ снимают спазмы гладкой мускулатуры кишечника и желудка, улучшают обменные процессы в клетках организма, снижая тонус капилляров, понижают артериальное давление.

Но сильные электромагнитные поля вызывают сбои в работе сердечно-сосудистой, имунной, эндокринной и нервной систем человека, могут вызывать бессонницу, головные боли, стрессы. Опасность в том, что их воздействие практически незаметно для человека, а нарушения возникают постепенно.

Каким образом защититься от окружающего нас электромагнитного излучения? Полностью это сделать невозможно, поэтому нужно постараться свести к минимуму его воздействие.

Прежде всего нужно расположить бытовые приборы таким образом, чтобы они находились подальше от тех мест, где мы находимся чаще всего. Например, не нужно садиться слишком близко к телевизору. Ведь чем дальше расстояние от источника электромагнитного поля, тем слабее оно становится.

Очень часто мы оставляем прибор, включенным в розетку. Но электромагнитное поле исчезает, лишь когда прибор отключается от электрической сети.

Влияют на здоровье человека и естественные электромагнитные поля – космическое излучение, магнитное поле Земли.

Источник: http://ency.info/materiya-i-dvigenie/elektrichestvo-i-magnetizm/455elektromagnitnoe-pole-teoriya-maksvella

История — Джеймс Максвелл. Уравнения электромагнитного поля

Электродинамика Максвелла

Если мы примем эту среду в качестве гипотезы, я считаю, что она должна занимать выдающееся место в наших исследованиях, и что нам следовало бы попытаться сконструировать рациональное представление о всех деталях её действия, что и было моей постоянной целью в этом трактате.

Подобная электродинамическая среда явилась абсолютно новым понятием для ньютоновской физики. Последняя изучала взаимодействие между собой материальных тел. Максвелл же записал уравнения, которым должна подчиняться среда, определяющая взаимодействие зарядов и токов и существующая даже в их отсутствие.

Электрический ток создаёт магнитную индукцию (закон Ампера)

Анализируя известные эксперименты, Максвелл получил систему уравнений для электрического и магнитного полей.

В 1855 году в своей самой первой статье «О фарадеевых силовых линиях» («On Faraday’s Lines of Force») он впервые записал в дифференциальной форме систему уравнений электродинамики, но не вводя ещё ток смещения.

Такая система уравнений описывала все известные к тому времени экспериментальные данные, но не позволяла связать между собой заряды и токи и предсказать электромагнитные волны. Впервые ток смещения был введён Максвеллом в работе «О физических силовых линиях» («On Physical Lines of Force»), состоящей из четырёх частей и опубликованной в 1861—1862 годах.

Обобщая закон Ампера, Максвелл вводит ток смещения, вероятно, чтобы связать токи и заряды уравнением непрерывности, которое уже было известно для других физических величин. Следовательно, в этой статье фактически была завершена формулировка полной системы уравнений электродинамики.

В статье 1864 года «Динамическая теория электромагнитного поля» («A dynamical theory of the electromagnetic field») рассмотрена сформулированная ранее система уравнений из 20 скалярных уравнений для 20 скалярных неизвестных. В этой статье Максвелл впервые сформулировал понятие электромагнитного поля как физической реальности, имеющей собственную энергию и конечное время распространения, определяющее запаздывающий характер электромагнитного взаимодействия.

Переменный поток магнитного поля создаёт электрическое поле (закон Фарадея)

Оказалось, что не только ток, но и изменяющееся со временем электрическое поле (ток смещения) порождает магнитное поле.

В свою очередь, в силу закона Фарадея, изменяющееся магнитное поле снова порождает электрическое. В результате, в пустом пространстве может распространяться электромагнитная волна.

Из уравнений Максвелла следовало, что её скорость равна скорости света, поэтому Максвелл сделал вывод об электромагнитной природе света.

Часть физиков выступила против теории Максвелла (особенно много возражений вызвала концепция тока смещения). Гельмгольцпредложил свою теорию, компромиссную по отношению к моделям Вебера и Максвелла, и поручил своему ученику Генриху Герцупровести её экспериментальную проверку. Однако опыты Герца однозначно подтвердили правоту Максвелла.

Максвелл не использовал векторных обозначений и записывал свои уравнения в достаточно громоздком компонентном виде. В своём трактате он, кроме того, частично использовал кватернионную формулировку. Современная форма уравнений Максвелла появилась около 1884 года после работ Хевисайда, Герца и Гиббса.

Они не только переписали систему Максвелла в векторном виде, но и симметризовали её, переформулировав в терминах поля, избавившись от электрического и магнитного потенциалов, игравших в теории Максвелла существенную роль, поскольку полагали, что эти функции являются лишь ненужными вспомогательными математическими абстракциями. Интересно, что современная физика поддерживает Максвелла, но не разделяет негативное отношение его ранних последователей к потенциалам. Электромагнитный потенциал играет важную роль вквантовой физике и проявляется как физически измеряемая величина в некоторых экспериментах, например, в эффекте Ааронова — Бома.

Система уравнений в формулировке Герца и Хевисайда некоторое время называлась уравнениями Герца — Хевисайда.Эйнштейн в классической статье «К электродинамике движущихся тел» назвал их уравнениями Максвелла — Герца. Иногда в литературе встречается также название уравнения Максвелла — Хевисайда.

Уравнения Максвелла сыграли важную роль при возникновении специальной теории относительности (СТО).

 Джозеф Лармор (1900 год) и независимо от него Хенрик Лоренц (1904 год) нашли преобразования координат, времени и электромагнитных полей, которые оставляют уравнения Максвелла инвариантными при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой.

Эти преобразования отличались от преобразований Галилея классической механики и, следуя Анри Пуанкаре, стали называться преобразованиями Лоренца. Они стали математическим фундаментом специальной теории относительности.

Распространение электромагнитных волн со скоростью света первоначально интерпретировалось как возмущения некоторой среды, так называемого эфира. Были предприняты многочисленные попытки (см.исторический обзор) обнаружить движение Земли относительно эфира, однако они неизменно давали отрицательный результат.

 Поэтому Анри Пуанкаре высказал гипотезу о принципиальной невозможности обнаружить подобное движение (принцип относительности).

Ему же принадлежит постулат о независимости скорости света от скорости его источника и вывод (вместе с Лоренцем), исходя из сформулированного так принципа относительности, точного вида преобразований Лоренца (при этом были показаны и групповые свойства этих преобразований).

Эти две гипотезы (постулата) легли и в основу статьи Альберта Эйнштейна (1905 год). С их помощью он также вывел преобразования Лоренца и утвердил их общефизический смысл, особо подчеркнув возможность их применения для перехода из любой инерциальной системы отсчета в любую другую инерциальную.

Эта работа фактически ознаменовала собой построение специальной теории относительности. В СТО преобразования Лоренца отражают общие свойства пространства и времени, а модель эфира оказывается ненужной. Электромагнитные поля являются самостоятельными объектами, существующими наравне с материальными частицами.

Классическая электродинамика, основанная на уравнениях Максвелла, лежит в основе многочисленных приложений электро- и радиотехники, СВЧ и оптики. До настоящего времени не было обнаружено ни одного эффекта, который потребовал бы видоизменения уравнений.

Они оказываются применимы и в квантовой механике, когда рассматривается движение, например, заряженных частиц во внешних электромагнитных полях. Поэтому уравнения Максвелла являются основой микроскопического описания электромагнитных свойств вещества.

Уравнения Максвелла востребованы также в астрофизике и космологии, поскольку многие планеты и звезды обладают магнитным полем. Магнитное поле определяет, в частности, свойства таких объектов, как пульсары и квазары.

На современном уровне понимания все фундаментальные частицы являются квантовыми возбуждениями («квантами») различных полей. Например, фотон — это квант электромагнитного поля, а электрон — квант спинорного поля. Поэтому полевой подход, предложенный Фарадеем и существенно развитый Максвеллом, является основой современной физики фундаментальных частиц, в том числе её стандартной модели.

  • Исторически несколько раньше он сыграл важную роль в появлении квантовой механики в формулировке Шрёдингера и вообще открытии квантовых уравнений, описывающих движение частиц, в том числе и релятивистских (уравнение Клейна — Гордона, уравнение Дирака), хотя первоначально аналогия с уравнениями Максвелла здесь виделась скорее лишь в общей идее, тогда как впоследствии оказалось, что она может быть понята как более конкретная и детальная (как это описано выше).

Также полевой подход, в целом восходящий к Фарадею и Максвеллу, стал центральным в теории гравитации (включая ОТО).

Источник: https://www.sites.google.com/site/uravneniaelektromagnitnogopola/home/istoria

История развития электродинамики. Уравнения Максвелла

Электродинамика Максвелла

Краткое содержание предыдущих серий

Электромагнитное поле. Теория Максвелла. урок. Физика 11 Класс

Электродинамика Максвелла

Тема: Электромагнитная индукция

Урок: Электромагнитное поле. Теория Максвелла

Рассмотрим приведенную схему и случай, когда подключён источник постоянного тока (рис 1).

 Рис. 1. Схема

К основным элементам цепи относят лампочку, обычный проводник, конденсатор – при замыкании цепи на обкладках конденсатора возникает напряжение равное напряжению на зажимах источника.

Конденсатор представляет собой две параллельные металлические пластины, между которыми находится диэлектрик. Когда подают разность потенциалов на обкладки конденсатора, они заряжаются, и внутри диэлектрика возникает электростатическое поле. При этом тока внутри диэлектрика при небольших напряжениях быть не может.

При замене постоянного тока на переменный свойства диэлектриков в конденсаторе не меняются, и в диэлектрике по-прежнему практически отсутствуют свободные заряды, но мы наблюдаем то, что лампочка горит. Возникает вопрос: что же происходит? Возникающий в данном случае ток Максвелл назвал током смещения.

Мы знаем о том, что при помещении токопроводящего контура в переменное магнитное поле, в нём возникает ЭДС индукции.  Это обусловлено тем, что возникает вихревое электрическое поле.

А что если подобная же картина происходит при изменении электрического поля?

Гипотеза Максвелла: изменяющееся во времени электрическое поле вызывает появление вихревого магнитного поля.

Согласно этой гипотезе, магнитное поле после замыкания цепи образуется не только вследствие протекания тока в проводнике, но и вследствие наличия переменного электрического поля между обкладками конденсатора. Это переменное электрическое поле порождает магнитное поле в той же области между обкладками конденсатора.

Причём, это магнитное поле точно такое же, как будто бы между обкладками конденсатора протекал ток, равный току во всей остальной цепи. В основе теории лежат четыре уравнения Максвелла, из которых следует, что изменение электрического и магнитного полей в пространстве и во времени происходят согласованным образом. Так, электрическое и магнитное поле образуют единое целое.

Электромагнитные волны распространяются в пространстве в виде поперечных волн с конечной скоростью.

Указанная взаимосвязь между переменным магнитным и переменным электрическим полем говорит о том, что они не могут существовать обособленно друг от друга.

Возникает вопрос: касается ли это утверждение статических полей (электростатического, создаваемого постоянными зарядами, и магнитостатического, создаваемого постоянными токами)? Такая взаимосвязь существует и для статических полей.

Но важно понимать, что эти поля могут существовать по отношению к определённой системе отсчёта.

Покоящийся заряд создаёт в пространстве электростатическое поле (рис. 2) относительно определённой системы отсчёта. Относительно других систем отсчёта он может двигаться и, следовательно, в этих системах этот же заряд будет создавать магнитное поле.

Рис. 2. Закон Кулона (Источник)

Электромагнитное поле – это особая форма существования материи, которая создаётся заряжёнными телами и проявляется по действию на заряжённые тела. В ходе этого действия их энергетическое состояние может изменяться, следовательно, электромагнитное поле обладает энергией.

1. Исследование явлений электромагнитной индукции приводит к выводу о том, что переменное магнитное поле порождает вокруг себя вихревое электрическое.

2. Анализируя прохождение переменного тока через цепи, содержащие диэлектрики, Максвелл пришёл к выводу, что переменное электрическое поле может порождать магнитное поле за счёт тока смещения.

3. Электрическое и магнитное поле – компоненты единого электромагнитного поля, которое распространяется в пространстве в виде поперечных волн с конечной скоростью.        

Список рекомендованной литературы

  1. Буховцев Б.Б., Мякишев Г.Я, Чаругин В.М. Физика 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. – 17-е изд., преобраз. и доп. – М.: Просвещение, 2008.
  2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. – М.: Мнемозина.
  3. Тихомирова С.А., Яровский Б.М., Физика 11. – М.: Мнемозина.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Znate.ru (Источник).
  2. Слово (Источник).
  3. Физика (Источник).

Рекомендованное домашнее задание

  1. Какое электрическое поле образуется при изменении магнитного поля?
  2. Каким током объясняется свечение лампочки в цепи переменного тока с конденсатором?
  3. Какое из уравнений Максвелла указывает зависимость магнитной индукции от тока проводимости и смещения?

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/11-klass/belektromagnitnaya-indukciyab/elektromagnitnoe-pole-teoriya-maksvella

Электродинамика Максвелла

Электродинамика Максвелла

Определение 1

Теория электромагнетизма Максвелла – единственная в своем роде гипотеза электрических и магнитных процессов, которая стала продолжением идей Фарадея в виде более строгого математического языка.

Рисунок 1. Чем известен Максвелл. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Основу электродинамики Максвелла составляют универсальные формулы электромагнитного поля, обобщающие в себе все экспериментальные законы электромагнетизма.

Уравнения Максвелла предполагают, что электрическое поле $E$ создается следующими путями:

  • электрическими постоянными зарядами $r$ (в этом случае силовые линии функционируют посредством положительно заряженных частиц и заканчиваются на отрицательных зарядах);
  • переменным магнитным полем $H$ (электрическая силовая линия полностью замкнута и охватывает систематически меняющийся магнитный поток).

Уравнения известного ученого не симметричны в отношении электромагнитных полей. Это напрямую связано с тем, что в природе есть только электрические заряды и не существует зарядов магнитных.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

При стационарном условии, когда магнитное и электрическое поля не изменяются в пространстве и времени, основными источниками электродинамики выступают положительные заряды, а фундаментом магнитного поля являются принципы электро- и магнитостатики, что и позволяет исследовать отдельно постоянные электромагнитные поля.

Из формул Максвелла следует, что переменное действие магнитного поля всегда взаимосвязано с порождаемым им положительным электрическим полем, а переменное поле в электродинамике предполагает возникновение магнитных полюсов. То есть, два указанных элемента не могут функционировать по отдельности, поэтому всегда действуют вместе.

Теория электромагнетизма Максвелла

Идея электромагнетизма Максвелла стала неким обобщением главных законов электрических и магнитных процессов, так как не только комплексно объяснила уже известные на тот момент экспериментальные факты, но и предсказала новые необычные явления.

Так было предсказано возникновение электромагнитных постоянных волн в виде электрического поля, которое распространяется в пространстве с конечной скоростью.

В дальнейшем ученые продемонстрировали, что общая скорость распределения электромагнитного поля в вакууме прямо пропорциональна аналогичному показателю света.

Экспериментальное подтверждение существования электрических и магнитных волн было осуществлено в 1887 г. немецким физиком Г. Герце, который, используя в своей работе мощную лабораторную установку, впервые получил и зарегистрировал электромагнитную волну.

Замечание 1

Герцем были проведены опыты на основе уравнений Максвелла, которые показали, что указанные процессы в электродинамике обладают всеми существующими свойствами света: преломлением, отражением, интерференцией, поляризацией, дифракцией, следовательно, распространяются со скоростью световых явлений.

Эти выводы стали официальным подтверждением того факта, что свет также является элементом электромагнитной волны.

В истории общего развития электромагнетизма стоит отметить одну значимую деталь: впервые в этой сфере научные эксперименты предшествовали техническим применениям.

Пример 1

Если паровую машину построили еще задолго до создания закона тепловых процессов, то смоделировать радиоприемник или электродвигатель оказалось реальным только после изучения принципов электродинамики.

Многочисленные применения на практике электромагнитных явлений в значительной мере способствовали значимому преобразованию сферы интеллектуальной деятельности человека и развитию цивилизации.

Полная система уравнений Максвелла

Полная система талантливого исследователя представляет собой концепцию интегральных и дифференциальных уравнений, решение которых дает возможность более комплексно определить свойства и особенности электромагнитного поля в любой момент времени и в любой точке пространства. Эти формулы полностью удовлетворяют принципы динамической причинности и детерминизма.

Согласно данным уравнениям, если изначально известно точное распространение зарядов в пространстве и правильно заданы параметры магнитного и электрического поля на начальном этапе, а также определены характеристики окружающей среды, то вполне реально выяснить показатели электромагнитного поля в общем.

В формулах Максвелла решается главная задача электродинамики: по заданному распределению токов и зарядов отыскиваются центральные и необходимые характеристики создаваемых ими электрических и магнитных полей.

В гипотезе Максвелла в основном рассматриваются макроскопические поля, которые:

  • формируются с помощью макроскопических зарядов и токов, сосредоточенными в объемах атомов и молекул;
  • показывают общее расстояние от источников полей до рассматриваемой точки временного пространства;
  • определяют период очередного изменения переменных магнитных и электрических полей, объем которых значительно больше показателей внутримолекулярных процессов.

Особенности теории электродинамики Максвелла

Максвелл в ходе своей деятельности значительно расширил результаты, которые были ранее получены от его предшественников. К примеру, физик указал, что в экспериментах Фарадея возможно использовать не только замкнутый контур из проводящего ток материала, но также и любой другой материал.

В этом случае линии электромагнитного поля является основным индикатором переменного вихревого элемента, воздействующего непосредственно на кристаллическую решетку металлов. При такой точке зрения правильно говорить о постоянных токах поляризации при нахождении в поле диэлектрического материала.

Замечание 2

Изучаемые явления совершают работу, которая состоит в постепенном нагреве материала до определенной температуры.

Теория Максвелла была призвана решить центральную задачу электродинамики: при известном параметре пространственного распределения электрических зарядов возможно достаточно быстро определить важные характеристики генерируемых веществ.

Эта гипотеза не рассматривает сами механизмы, выступающие базой для происходящих процессов. Идея Максвелла предназначена для определения близкорасположенных зарядов электромагнитных полей, так как в системе формул считается, что такие взаимодействия происходят со скоростью света, вне зависимости от окружающей среды.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektrodinamika/elektrodinamika_maksvella/

Booksm
Добавить комментарий