Становление представлений об электромагнитном поле

Датский ученый X. К. Эрстед (1777—1851) поместил магнитную стрелку над проводником, по которому шел электрический ток; при этом стрелка отклонялась от первоначального положения. Было обнаружено явление электромагнетизма: электрический ток формирует явление магнетизма. В свою очередь, американский исследователь Г. Роуланд обнаружил возникновение магнетизма при движении электростатически заряженного листа.

Английский химик и физик, гениальный самоучка М. Фарадей (1791 — 1867) экспериментально показал, что изменение в магнитных полях (хотя само понятие «магнитного поля» еще не было сформировано) создает электрический ток. Он экспериментально показал, что между магнетизмом и электричеством существует прямая динамическая связь, и поэтому впервые объединил электричество и магнетизм, трактуя их как одну и ту же силу природы. Было открыто явление электромагнитной индукции¹.

Не имея систематического образования, М. Фарадей был свободен и от научных догм и предрассудков, потому возражал против идеи о движении атомов в пустоте: если пустота — проводник, то все тела должны быть проводниками, а если пустота — непроводник, то все тела должны быть изоляторами. Ни того ни другого нет, поэтому вывод Фарадея таков: первоначало материи — поле, а атомы — это лишь «сгустки» силовых линий поля.

Осмысливая свои эксперименты, М. Фарадей ввел понятие «силовые линии» электромагнитного поля, представляя действие электрических и магнитных сил от точки к точке в их «силовом поле» (рис. 6.2).

На основе представления о силовых линиях Фарадей предположил, что существует глубокое родство электричества и света и пришел к необычайно смелой для того времени мысли — он хотел построить и экспериментально обосновать новую оптику, в которой свет рассматривался бы как колебания силового поля.

В 1844 г. свое открытие он выразил одной гениальной фразой: «При увеличении или уменьшении магнитной силы всегда возникает электричество; чем выше скорость увеличения или уменьшения, тем большее количество электричества образуется»^[1][2]. Однако со времен Ньютона ученые привыкли, что подобные заявления должны излагаться языком математики, а Фарадей плохо знал математику. Поэтому хотя Фарадей и считался блестящим экспериментатором, его революционные теоретические идеи не были приняты коллегами. Фарадей был вынужден обратиться к далеким потомкам с письмом, в котором выражал твердую уверенность в существовании электромагнитных волн и сожалел, что современники этой уверенности не разделяют. Это письмо, датированное 1832 г., было обнаружено в архиве Лондонского королевского общества лишь в 1938 г.

Рис. 6.2. Наблюдение М. Фарадея за мгновенным распределением железных опилок, рассыпанных вокруг магнита^1.

Только через 30 лег математическую обработку идей Фарадея осуществил выдающийся английский ученый Дж. К. Максвелл (1831 — 1879). В работе «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873) он обобщил законы электромагнитных явлений (открытые Кулоном, Ампером, БиоСавара и другими), а также открытое М. Фарадеем явление электромагнитной индукции. Дж. К. Максвелл нашел систему дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле^[3][4]. Эти уравнения дают столь же стройную теорию, как и система ньютоновой механики.

В уравнениях Максвелла вихри электрического и магнитного полей определяются производными по времени от чужих полей: электрическое — от магнитного, а магнитное — от электрического. Поэтому если меняется со временем магнитное поле, то существует и переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, ведет к изменению магнитного ноля. В результате возникает переменное электромагнитное поле, которое уже не привязано к заряду, а отрывается от него, самостоятельно существуя и распространяясь в пространстве.

Факт из истории науки Решающую роль в утверждении теории электромагнитного поля сыграл немецкий физик Г. Р. Герц (1857—1894). В 1886 г. он продемонстрировал «беспроволочное распространение» электромагнитных волн. В результате искровых разрядов между двумя заряженными шарами появлялись электромагнитные волны. Проходя через незамкнутое проволочное кольцо (по сути дела — виток катушки), эти волны создавали в нем токи, о появлении которых свидетельствовали искры, проскакивающие через разрыв.

Г. Герц наблюдал отражение этих волн и их интерференцию, т. е. те явления, которые характерны для световых волн, а затем он смог измерить длину электромагнитных волн и скорость их распространения, которая оказалась равна скорости света. Это стало еще одним подтверждением электромагнитной природы световых явлений.

Рис. 6.3. Спектр электромагнитных волн^1.

• [1] Указывают конкретную дату этого открытия — 29 августа 1831 г.
• [2] Цит. по: Наука. Величайшие теории. Вып. 19. Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция. М.: Де Агостини, 2015. С. 92.
• [3] Наука. Величайшие теории. Выи. 36. Двустороннее движение электричества. Тесла. Переменный ток: нср. с иси. М.: Дс Агостини, 2015. С. 32.
• [4] По афористичному замечанию многих физиков, эти уравнения начертаны рукой Богаи по значимости для науки и человечества не уступают законам Ньютона.