Электромагнитная физическая картина мира

ВВЕДЕНИЕ.

Разделение наук на естественные, технические и гуманитарные вызвано, конечно, не какими-то принципиальными различиями, а скорее, сложившимися исторически процессами их специализации и профессионализации. Основная суть всех этих научных направлений - это описание единого мира природы, лишь частями которого являются неорганический и органический миры и человеческое общество. Это единство мира приводит в настоящее время к необходимости объединения всех направлений в знании человека, хотя казалось бы, что специализация наук поставила между ними непроницаемые барьеры или вырыла какие-то глубокие пропасти.

Актуальной задачей современного этапа развития человеческой культуры, является разрушение таких барьеров или наведение мостов через эти мифические пропасти. В области естественных наук, где между различными дисциплинами было тоже кажущееся, якобы принципиальное различие, устанавливается некое своеобразное единство, например, путем возникновения промежуточных дисциплин, таких как химическая физика, биофизика, геофизика и т. п., что приводит к резкому переходу во всем естествознании от описательного, качественного этапа к строго количественному с использованием всей мощи современного математического аппарата. Такая же тенденция наблюдается и в социальных и гуманитарных науках: уже создан целый комплекс наук по экономической кибернетике, где применяется сложнейший математический аппарат. И даже в таких далеких, казалось бы, от математики науках, как филология и история, имеется совершенно явное стремление к разработке специального математического подхода, что заставляет нас всячески способствовать указанному прогрессивному процессу объединения наук. Именно поэтому изучение естествознания является чрезвычайно актуальным и своевременным.

Изучение этой дисциплины ставит перед собой две основные цели:

1. Использовать некоторые результаты и методы естествознания (в основном, физики) в своей будущей профессиональной деятельности.

2. Сформулировать правильное и достаточно полное представление о естественнонаучной картине мира.

Целесообразность этих целей заключается в том, что успехи естествознания, особенно в последнее время, представляют собой достижения общечеловеческой культуры, которые надо знать любому образованному человеку.

1. РАЗВИТИЕ КОНЦЕПЦИИ ПОЛЯ.

В классическом представлении различают два вида материи: вещество и физическое поле. К первому из них относятся атомы, молекулы и все построенные из них тела, структура и форма которых разнообразны. Физическое поле — особая форма материи. К настоящему времени известно несколько видов физического поля: электромагнитное, гравитационное, поле ядерных сил и волновые (квантовые) поля, соответствующие различным элементарным частицам. Именно для описания электромагнитных явлений выдающийся английский физик-самоучка М. Фарадей (1791-1897) в 30-е годы XIXв. впервые ввел понятие поля. Наука о свойствах и закономерностях проявления в различных средах и в вакууме электромагнитного поля, посредством которого осуществляется взаимодействие между электрически заряженными телами, называют электродинамикой.

Среди четырех видов фундаментальных взаимодействий — гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого — электромагнитное взаимодействие занимает первое место по широте и разнообразию проявлений. В повседневной жизни и в технике чаще всего встречаются различные виды электромагнитных взаимодействий: силы упругости, трения, силы наших мышц и мышц различных животных и т. д. Электромагнитное взаимодействие позволяет видеть окружающие нас предметы и тела, т. к свет — одна из форм электромагнитного поля. Сама жизнь немыслима без силы электромагнитной природы. Живые существа и в том числе человек, как показывают полеты космонавтов, способны длительное время находится в состоянии невесомости, когда силы всемирного тяготения заметно не проявляются. Но если бы на мгновение прекратилось действие электромагнитных сил, то сразу бы исчезла жизнь. Строение атомных оболочек, объединение атомов в молекулы (химическая связь) и образование из вещества тел различной формы определяются исключительно электромагнитным взаимодействием.

К созданию электромагнитной теории поля привела длинная цепь случайных открытий и планомерных кропотливых исследований, начиная с обнаружения способности янтаря, потертого о шелк, притягивать легкие предметы и кончая предложенной Дж. Максвеллом идеей о порождении магнитного поля переменным электрическим полем. Лишь после создания Максвеллом электромагнитной теории поля во второй половине XIX в началось систематическое исследование электромагнитных явлений, важнейшим этапом в котором было изобретение радио, выдающимся русским физиком и электротехником А. С. Поповым (1859-1906). При развитии электромагнитной теории поля впервые научные исследования предшествовали техническим применениям. Если паровая машина была построена задолго до создания теории тепловых процессов, то сконструировать электродвигатель или радиоприемник оказалось возможным лишь после открытия и изучения законов электродинамики. Практическое применение многих электромагнитных устройств, несомненно, способствовало существенному преобразованию различных сфер деятельности человека и развитию цивилизации.

2. КОНЦЕПЦИИ ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ И БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ.

Утверждению понятия поля в значительной мере способствовало стремление осознать дальнодействующий характер электрических сил и сил тяготения. Сразу после открытия И. Ньютоном закона всемирного тяготения, а затем, примерно через сто лет, и закона Кулона, описывающего взаимодействие заряженных тел, возникли вопросы в большей степени философского содержания: почему физические тела, обладающие массой, действуют друг на друга на расстояниях, даже на огромных, через пустое пространство, и почему заряженные тела взаимодействуют даже через электрически нейтральную среду? До введения понятия поля не было удовлетворительных ответов на данные вопросы.

Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участия в данном процессе, и передача взаимодействия происходит мгновенно. Такое предложение составляет сущность концепции дальнодействия, впервые предложенной французским математиком, физиком и философом Рене Декартом. Многие ученые были ее сторонниками вплоть до конца XIX в., хотя, например, И. Ньютон считал невероятным и даже невозможным мгновенное взаимодействие тел.

Экспериментальные исследования электромагнитных явлений показали несоответствие концепции дальнодействия физическому опыту. Кроме того, эта концепция находится в противоречии с постулатом специальной теории относительности: скорость передачи взаимодействия тел ограничена и не должна превышать скорости света в вакууме. Опыты показали, что что взаимодействие электрически заряженных тел происходит не мгновенно, а в течение вполне определенного времени. Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие заряженные частицы, т. е. взаимодействие передается через «посредника» - электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитного поля не превышает скорости света в вакууме. В этом заключается концепция близкодействия, которая распространяется не только на электромагнитное, но и на другие виды взаимодействий. Согласно этой концепции взаимодействие между телами осуществляется посредством тел или иных полей (например, тяготение — посредством гравитационного поля), непрерывно распределенных в пространстве.

В рамках классический физики дискретные и непрерывные свойства материи взаимопротивоположны и независимы друг от друга. И только развитие электромагнитной концепции поля позволило понять их диалектическое единство. В современной квантовой теории такое единство противоположностей дискретного и непрерывного нашло обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.

С развитием квантовой теории поля представление о взаимодействии принципиально изменилось: любое поле является не прерывным, а дискретным. Например, электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами — квантами электромагнитного поля. Аналогично другие виды взаимодействия обусловливаются обменом квантами соответствующих полей. Так, в гравитационном взаимодействии, как предполагается, принимают участие гравитоны.

Согласно полевой концепции участвующие во взаимодействии частицы создают в каждой точке окружающего их пространства особое состояние — поле сил, проявляющееся в силовом воздействии на другие частицы, помещенные в какую-либо точку данного пространства. Первоначально выдвигалась механическая интерпретация поля как упругих напряжений гипотетической среды - «эфира». Теория относительности, отвергнув «эфир» как особую упругую среду, вместе с тем придала фундаментальный смысл понятию поля как первичной физической реальности.

В современной квантовой физике на роль «эфира» претендует новый вид материи — физический вакуум, - впервые введенный одним из создателей квантовой теории поля английским физиком П. Дираком. Хотя физический вакуум непосредственно не наблюдается (он прозрачен для электромагнитных излучений и не оказывает никакого сопротивления движению материальных частиц и тел), но все же он может проявляться при взаимодействии с ним тех же частиц или электромагнитных волн (гамма-квантов), обладающих достаточно большой энергией. В истории физики за последние 300 лет предложены по крайней мере четыре разные концепции «эфира»: абсолютное пространство Ньютона, светоносный эфир Гюйгенса, гравитационный эфир Эйнштейна и физический вакуум Дирака. Насколько оправдывается предположение физиков о существовании в природе особой среды — физического вакуума, покажет будущее.

3. СУЩНОСТЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ТЕОРИИ МАКСВЕЛЛА.

В 60-х годах XIX в. английский физик Дж. Максвелл развил представления Фарадея об электромагнитном поле и создал теорию электромагнитного поля — первую завершенную теорию поля. Она описывает только электрическое и магнитные поля и весьма успешно объясняет многие электромагнитные явления. Полезно напомнить некоторые основные идеи, лежащие в основе этой теории, и вытекающие из нее выводы.

Согласно закону Фарадея, любое изменение магнитного потока приводит к возникновению электромагнитной индукции, характеризующейся электродвижущей силой (ЭДС). Электромагнитная индукция возникает только тогда, когда на носителей электрического поля действуют сторонние силы, т. е. силы не электростатического происхождения. Какова же природа сторонних сил? Опыт показывает, что сторонние силы не связаны ни с тепловыми, ни с химическими процессами; их возникновение нельзя объяснить наличием сил Лоренца. В этой связи Дж. Максвелл предположил: всякие переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в контуре. Оказывается, контур, в котором возникает ЭДС, играет второстепенную роль, выполняя функцию своеобразного «прибора», обнаруживающего это поле. Электрическое поле, возбуждаемое магнитным полем, как и само магнитное поле, является вихревым.

Согласно Максвеллу, есть переменное магнитное поле возбуждает в пространстве вихревое магнитное поле, то должно существовать обратное: изменение электрического поля должно вызывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Для установления количественных соотношений между изменяющимся электрическим полем и вызываемым им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение так называемый ток смешения, обладающий способностью создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Ток смешения в вакууме не связан с движением зарядов, а обуславливается только изменением электрического поля во времени и вместе с тем возбуждает магнитное поле — в этом заключается принципиально новое утверждение Максвелла.

Из уравнений Максвелла следует, что источником электрического поля могут быть электрические заряды и изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться движущимися электрическими зарядами (электрическими токами) и переменными электрическими полями. Уравнение Максвелла не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.

В стационарном случае, когда электрические и магнитные поля не изменяются во времени, источниками электрического поля являются только электрические заряды, а источниками магнитного — только токи проводимости. В этом случае электрическое и магнитные поля не зависимы друг от друга, что и позволяет изучать отдельно постоянные электрические и магнитные поля.

Уравнения Максвелла — это общие уравнения для электрических и магнитных полей. В учении об электромагнетизме они играют такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле — с порождаемым им магнитным, т. е. электрическое и магнитные поля неразрывно взаимосвязаны и образуют единое электромагнитное поле.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По величине электрические силы намного превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.).

В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Как мы уже знаем, решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX в. Дж. К. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма — первой единой теории поля.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................3

1. РАЗВИТИЕ КОНЦЕПЦИИ ПОЛЯ....................................................................5

2. КОНЦЕПЦИИ ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ И БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ.....................7

3. СУЩНОСТЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ТЕОРИИ МАКСВЕЛЛА...............10

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................12

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.........................

13