Билет 16 .Теория электромагнитного поля . Вещество и поле .

Теорию электромагнитного поля создал Максвелл. Исходя из закона электромагнитной индукции в контуре, охватывающем изменяющееся магнитное поле, возникает э.д.с. индукции, которая наводит в контуре ток.

Проводник не занимает главную роль в явлении электромагнитной индукции. Он только дает возможность обнаружить явление индукции. Истинная сущность явления индукции, так установил Максвелл, заключается в следующем: в пространстве, где изменяется магнитное поле, возникает изменяющееся во времени электрическое поле. Этому изменяющемуся во времени электрическому полю Максвелл дал название "ток электрического смещения".

В отличие от поля неподвижных зарядов силовые линии изменяющегося во времени электрического поля,(тока электрического смещения) могут быть замкнуты так же, как и силовые линии магнитного поля.

Между электрическими и магнитными полями существует тесная связь. Она устанавливается следующими законами.

1. Переменное во времени электрополе в любой точке пространства создает изменяющееся магнитное поле. Силовые линии магнитного поля охватывают силовые линии вызвавшего их переменного электрического поля. В каждой точке рассматриваемого пространства вектор напряженности электрического поля и вектор напряженности магнитного поля взаимно перпендикулярны. Направления силовых линий магнитного поля, возникающего при изменениях электрического поля, показаны на рис. 1. Направление нарастающего во времени электрического поля связано с направлением вектора Н правилом буравчика (правоходовой винт).

2. Переменное во времени магнитное поле в любой точке пространства создает изменяющееся электрическое поле. Силовые линии электрического поля охватывают силовые линии вызвавшего его переменного магнитного поля. В каждой точке рассматриваемого пространства вектор напряженности магнитного поля и вектор напряженности электрического поля взаимно перепендикулярны. Направление силовых линий электрического поля при изменениях магнитного поля изображено на рис. 2. Направление линий напряженности электрического поля связано с изменением во времени магнитной индукции правилом левоходового винта.

Совокупность переменного электрического поля и сопутствующего ему переменного магнитного поля названа электромагнитным полем.

Важнейшая особенность электромагнитного поля состоит в том, что оно перемещается в пространстве во все стороны от точки, в которой возникло первоначальное возмущение. Это поле может существовать самостоятельно после того, как источник электромагнитного возмущения перестал действовать. Возникшее в какой-либо точке пространства быстро изменяющееся во времени электрическое поле возбуждает в соседних точках окружающего пространства переменное магнитное поле, которое в свою очередь также возбуждает электрическое поле и т.д. Изменяющиеся электрические и магнитные поля распространяются со скоростью света 300000 км/с (в вакууме).

Распространения периодически изменяющегося электромагнитного поля есть волновой процесс - электромагнитные волны.

Электромагнитные волны переносят энергию, которой обладает электромагнитное поле.

Направление перемещения электромагнитной энергии может быть определено по правилу буравчика: если рукоятку буравчика поворачивать от вектора Е к вектору В по кратчайшему пути, то направление перемещения буравчика совпадает с направлением распространения электромагнитной энергии.

Введение понятия электромагнитного поля расширило научное представление о формах материи, изучаемых в физике. Классическая, ньютоновская физика имела дело только с одной единственной формой физической материи — веществом, которое было построено из материальных частиц и представляло собой систему таких частиц, в качестве которых рассматривались либо материальные точки (механика), либо атомы (учение о теплоте).
Если главной характеристикой вещества является масса, так как именно она фигурирует в основном законе механики F = mа, то в электродинамике основным является понятие энергии поля. Другими словами, при изучении движения в механике в первую очередь обращают внимание на перемещение тел, обладающих массой, а при исследовании электромагнитного поля — на распространение электромагнитных волн в пространстве с течением времени. Другим отличием вещества от поля является также характер передачи воздействий. В механике такое воздействие передается с помощью силы, причем оно может быть осуществлено в принципе на какое угодно расстояние, в то время как в электродинамике энергетическое воздействие поля передается от одной точки к другой.
Наконец, нельзя не отметить также тот немаловажный факт, что, после того как источник электромагнитных волн прекращает свое действие, возникшие электромагнитные волны продолжают распространяться в пространстве. Выходит, что электромагнитные волны могут существовать автономно, без непосредственной связи с источником энергии.
Исторически подход к изучению природы с точки зрения вещества и связанной с ним массы нашел отчетливое выражение в механистической картине мира, которая пыталась объяснить другие, немеханические явления с помощью понятий и принципов механики. В его основе лежит представление о дискретной природе вещества, которое в механике рассматривалось как система материальных частиц, а в других науках — совокупность атомов или молекул. Таким образом, дискретность можно рассматривать как конечную делимость материи на отдельные, все уменьшающиеся части. Еще античные греки поняли, что такая делимость не может продолжаться бесконечно, ибо тогда исчезнет сама материя. Поэтому они выдвинули предположение, что последними неделимыми частицами материи являются атомы.
С дискретной точки зрения строение материи можно представить в виде такой структуры, которая предполагает возможность ее конечного деления на все уменьшающиеся отдельные части, начиная от молекул и атомов и кончая элементарными частицами и кварками.
С точки зрения непрерывности материя представляется в виде определенной целостности и единства. Наглядным образом такой непрерывности является любая сплошная среда, которая заполняет определенное пространство. Свойства такой среды, например жидкости, изменяются от одной точки к другой непрерывно, без перерыва постепенности и скачков. На примере электромагнитного поля мы убедились, что силовое воздействие такого поля передается от близлежащей предшествующей точки к последующей, т.е. непрерывно.
В классической теории существовало явное противопоставление дискретности и непрерывности, когда исключалось всякое их взаимодействие при изучении вещества и поля. В современной же физике, как мы убедимся в дальнейшем, именно взаимосвязь и взаимодействие дискретности и непрерывности, корпускулярных и волновых свойств материи при исследовании свойств и закономерностей движения ее мельчайших частиц служит основой адекватного описания изучаемых явлений и процессов. Таким микрочастицам материи присущ корпускулярно-волновой дуализм, т.е. они одновременно обладают как свойствами корпускул (вещества), так и волн (поля).
Подобное представление совершенно чуждо классической физике, в которой дискретный и корпускулярный подход применялся при изучении одних явлений, а непрерывный и полевой — при исследовании других. Более того, мы знаем теперь, что механистическая трактовка явлений электричества и магнетизма основывалась в конечном счете на дискретной и корпускулярной их интерпретации, когда они рассматривались как особые субстанции, т.е. когда отождествлялись с разновидностью вещества.
Более универсальный подход к единому объяснению всех физических явлений с точки зрения единой теории поля был выдвинут в качестве грандиозной программы создателем теории относительности А. Эйнштейном, но так и остался нереализованным. Основные его идеи станут понятными после того, как мы познакомимся с теорией относительности.
Диалектическое взаимодействие дискретности и непрерывности находит свое яркое воплощение в современных квантовых теориях полей. Действительно, взаимодействие в квантовой теории электромагнитного поля происходит в результате взаимного обмена фотонами, квантами этого поля. То же самое можно сказать о гравитационном поле, где такое взаимодействие осуществляется с помощью гравитонов, гипотетических частиц такого поля. Частицы, или кванты, поля в каждой точке пространства создают поле сил, которое оказывает свое воздействие на другие частицы.
Само же поле в истории физики интерпретировалось по-разному. В первых представлениях об электромагнетизме поле рассматривалось чисто механически, а именно как натяжение силовых линий между зарядами, а в оптике как упругое колебание особой, все проникающей среды — мирового эфира. После отказа от такого допущения сначала в теории электромагнитного поля, а затем в теории относительности на роль своеобразного эфира в современной физике претендует, по-видимому, физический вакуум. В квантовой теории поля он рассматривается как низшее энергетическое состояние квантованных полей, в котором отсутствуют какие-либо реальные частицы. Однако возможность виртуальных процессов в вакууме приводит к определенным эффектам при взаимодействии его с реальными частицами. В квантовой теории поля понятие физического вакуума считается основным, поскольку его свойствами определяются свойства всех других состояний системы.
Таким образом, с развитием физики представления о веществе и поле в корне изменились. Прежнее их противопоставление в классической физике уступило место пониманию их взаимосвязи и взаимодействия в современной физике. С одной стороны, вещество рассматривается как определенная дискретная система взаимодействующих элементарных частиц. С другой стороны, поле как непрерывная целостность состоит из квантов поля, которые обмениваются друг с другом энергией и тем самым обеспечивают существование и движение самой системы.

Дата добавления: 2015-07-10