1. Основные экспериментальные законы электромагнетизма

Рассмотрим электромагнитную картину мира со времен ее зарождения. Существенный вклад в эту картину внесла физика.

Электромагнитные явления были известны человечеству с древности. Само понятие «электрические явления» восходит к временам Древней Греции, когда древние греки пытались объяснить явление отталкивания двух кусков янтаря, натертых тряпочкой, друг от друга, а также притягивания ими мелких предметов. Впоследствии было установлено, что существует как бы два вида электричества: положительное и отрицательное.

Что касается магнетизма, то свойства некоторых тел притягивать другие тела были известны еще в далекой древности, их назвали магнитами. Свойство свободного магнита устанавливаться в направлении «Север-Юг» уже во II в. до н.э. использовалось в Древнем Китае во время путешествий. Первое же в Европе опытное исследование магнита было проведено во Франции в XIII в. В результате было установлено наличие у магнита двух полюсов. В 1600 г. Гильбертом была выдвинута гипотеза о том, что Земля представляет собой большой магнит: этим и обусловлена возможность определения направления с помощью компаса.

XVIII-й век, ознаменовавшийся становлением механической картины мира, фактически положил начало систематическим исследованиям электромагнитных явлений. Так было установлено, что одноименные заряды отталкиваются, появился простейший прибор – электроскоп. В середине XVIII в. была установлена электрическая природа молнии (исследования Б. Франклина, М. Ломоносова, Г. Рихмана, причем заслуги Франклина следует отметить особо: он является изобретателем молниеотвода; считается, что именно Франклин предложил обозначения "+" и "–" для электрических зарядов).

В 1759 г. английский естествоиспытатель Р. Симмер сделал заключение о том, что в обычном состоянии любое тело содержит равное количество разноименных зарядов, взаимно нейтрализующих друг друга. При электризации происходит их перераспределение.

В конце 19-го, начале 20-го века опытным путем было установлено, что электрический заряд состоит из целого числа элементарных зарядов е = 1,6*10^-19 Кл. Это наименьший существующий в природе заряд. В 1897 г. Дж. Томсоном была открыта и наименьшая устойчивая частица, являющаяся носителем элементарного отрицательного заряда. Это электрон, имеющий массу m_e = 9,1*10^-31 кг. Таким образом, электрический заряд является дискретным, т.е. состоящим из отдельных элементарных порций q = ± n*e, где n – целое число. В результате многочисленных исследований электрических явлений, предпринятых в XVIII – XIX вв., учеными-мыслителями был получен ряд важнейших законов, таких как:

1) закон сохранения электрического заряда: в электрически замкнутой системе сумма зарядов есть величина постоянная, т.е. электрические заряды могут возникать и исчезать, но при этом обязательно появляется и исчезает равное количество элементарных зарядов противоположных знаков;

2) величина заряда не зависит от его скорости;

3) закон взаимодействия точечных зарядов, или закон Кулона:

,

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды (в вакууме ε = 1). Согласно этого закона силы Кулона существенны на расстояниях до 10-15 м (нижний предел). На меньших расстояниях начинают действовать ядерные силы (так называемое сильное взаимодействие). Что касается верхнего предела, то он стремится к бесконечности.

Исследование взаимодействия зарядов, проводившееся в XIX в. замечательно еще и тем, что вместе с ним в науку было введено понятие «электромагнитного поля». В процессе формирования этого понятия на смену механической модели «эфира» пришла электромагнитная модель: электрическое, магнитное и электромагнитные поля трактовались первоначально как разные "состояния" эфира. Впоследствии необходимость в эфире отпала. Пришло понимание того, что электромагнитное поле само есть определенный вид материи и для его распространения не требуется какая­то особая среда ­ «эфир».

Доказательством этих утверждений являются работы выдающегося английского физика М. Фарадея. Поле неподвижных зарядов получило название электростатического. Электрический заряд, находясь в пространстве, искажает его свойства, т.е. создает поле. Силовой характеристикой электростатического поля является его напряженность . Электростатическое поле является потенциальным. Его энергетической характеристикой служит потенциал φ.

Природа магнетизма оставалась неясной до конца XIX в., а электрические и магнитные явления рассматривались независимо друг от друга, пока в 1820 г. датский физик Х. Эрстед не открыл магнитное поле у проводника с током. Так была установлена связь электричества и магнетизма. Силовой характеристикой магнитного поля является напряженность . В отличие от незамкнутых линий электрического поля (рис.1) силовые линии магнитного поля замкнуты (рис.2), т.е. оно является вихревым.

В течение сентября 1820 г. французский физик, химик и математик А.М. Ампер разрабатывает новый раздел науки об электричестве – электродинамику.

Законы Ома, Джоуля-Ленца стали одними из важнейших открытий в области электричества. Открытый Г. Омом в 1826 г. закон, согласно которого на участке цепи I=U/R и для замкнутой цепи I = ЭДС/(R + r), а также закон Джоуля-Ленца Q = I*U*t для количества тепла, выделяющегося при прохождении тока по неподвижному проводнику за время t, заметно расширили понятия об электричестве и магнетизме.

Исследования английского физика М.Фарадея (1791-1867 гг.) придали определенную завершенность изучению электромагнетизма. Зная об открытии Эрстеда и разделяя идею о взаимосвязи явлений электричества и магнетизма, Фарадей в 1821 г. поставил задачу «превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет экспериментальной работы он открыл закон электромагнитной индукции. Суть закона заключается в том, что изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению ЭДС индукции ЭДС_i = k*dФ_m/dt, где dФ_m/dt – скорость изменения магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на контур. С 1831 по 1855 гг. выходит в свет в виде серий главный труд Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству».

Работая над исследованием электромагнитной индукции, Фарадей приходит к выводу о существовании электромагнитного поля. Одним из первых, кто оценил работы Фарадея и его открытия, был Д. Максвелл, который развил идеи Фарадея, разработав в 1865 г. теорию электромагнитного поля, которая значительно расширила взгляды физиков на материю и привела к созданию электромагнитной картины мира.