Теория электромагнетизма максвелла: Электродинамика Максвелла

Содержание

Электромагнетизм Максвелла

Начала теории электромагнитного поля заложил М. Фарадей. Максвелл математически ее завершил.

Одной из самых важных идей, которую предложил Максвелл, стала идея о симметрии во взаимной зависимости электрического и магнитного полей:

Так изменяющееся со временем магнитное поле $(\frac{\partial \vec{B}}{\partial t})$ возбуждает электрическое поле, то следует ждать, что изменяющееся электрическое поле $(\frac{\partial \vec{E}}{\partial t})$ создает магнитное поле.

Открытие тока смещения $(\frac{\partial \vec{D}}{\partial t})$ дало возможность Максвеллу предложить единую теорию электромагнитных явлений. Эта теория дала объяснения разрозненным явлениям электричества и магнетизма, основываясь на единой точке зрения. Она же предсказала новые явления, наличие которых позднее подтвердилось.

Уравнения Максвелла в интегральной форме

Совокупность фундаментальных уравнений электромагнетизма – это уравнения Максвелла в неподвижных средах. В интегральной форме совокупность уравнений Максвелла записывается в виде:

$\oint {\vec{E}d\vec{l}=-\int {\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}d\vec{S}\left( 1 \right),} }$

$\oint {\vec{H}d\vec{l}=\int {\left( \vec{j}+\frac{\partial\vec{D}}{\partial t} \right)d\vec{S}\left( 2 \right),} }$

$\oint {\vec{B}d\vec{S}=0\left( 3 \right),}$

$\oint {\vec{D}d\vec{S}=\int {\rho dV} \left( 4 \right),} $

где $\rho$ - плотность сторонних зарядов; $\ vec j$ - плотность токов проводимости.

Уравнения Максвелла в сжатой форме отображают всю систему сведений об электромагнитном поле. Смысл уравнений Максвелла:

  • Первые два уравнения показывают, что переменные электрические поля возбуждают электрические поля и наоборот (1, 2).
  • Поток вектора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность всегда - ноль. Отражение отсутствия магнитных зарядов (3).
  • Это известная в электростатике теорема Гаусса (4).

Уравнения Максвелла (1) и (2) означают, что электрическое и магнитное поля нельзя рассматривать как независимые. Изменение с течением времени одного поля ведет к появлению другого. Имеет смысл только совокупность электрического и магнитного полей.

В случае стационарности полей ($\vec E = const$ и $\vec B=const$) уравнения Максвелла создают две группы несвязанных уравнений:

$\oint {\vec{E}d\vec{l}} =0\, \left( 5 \right)$,

$\oint {\vec{H}d\vec{l}} =0\, \left( 6 \right),$

$\oint {\vec{B}d\vec{S}} =0\, \left( 7 \right)$,

$\oint {\vec{D}d\vec{S}} =0\, \left( 8 \right).$

Получается, что электрическое и магнитное поля независимы друг от друга.

Замечание 1

Уравнения Максвелла нельзя получить, они являются аксиомами электродинамики. Получены они обобщением экспериментальных данных. Данные постулаты имеют в электромагнетизме такое же значение, как законы Ньютона в механике.

Дифференциальная форма уравнений Максвелла

Уравнения Максвелла можно записать в локальном (дифференциальном) виде:

$\mathrm{\nabla }\times \vec{E}=-\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}\left( 9\right)$,

$\mathrm{\nabla }\times \vec{H}=\vec{j}+\frac{\partial \vec{D}}{\partial t}\left( 10 \right),$

$\mathrm{\nabla }\vec{B}=0\, \left( 11 \right),$

$\mathrm{\nabla }\vec{D}=\rho \, \left( 12 \right)$.

Из уравнений (9)-(12) следует, что электрическое поле возникает в связи с двумя причинами:

  • Источником электрического поля служат электрические заряды (сторонние и связанные). Это следует из уравнения (12).
  • Поле $\vec E$ возникает всегда, когда изменяется во времени магнитное поле (закон электромагнитной индукции Фарадея).

Те же самые уравнения свидетельствуют о том, что магнитное поле порождают перемещающиеся электрические заряды (токи) или переменные электрические поля, или то и другое одновременно. Это следует из уравнений (10).

Роль уравнений Максвелла в локальном виде:

  • в том, что они являются основными законами электромагнитного поля;
  • при их решении могут быть найдены сами поля $\vec E$ и $\vec B$.

Уравнения Максвелла в локальной форме вместе с уравнением движения зарядов под действием силы Лоренца:

$\frac{d\vec{p}}{dt}=q\vec{E}+q\left( \vec{v}\times \vec{B} \right)\left( 13\right)$

образуют фундаментальную систему уравнений. Данная система является достаточной для характеристик всех явлений электромагнетизма, в которых отсутствуют квантовые эффекты.

Граничные условия для уравнений Максвелла

Рассматриваемые уравнения в интегральном виде имеют большую общность, чем дифференциальные, поскольку они являются справедливыми, если имеются поверхности разрыва, где свойства вещества и полей изменяются скачком.

Замечание 2

Дифференциальные уравнения Максвелла полагают, что все параметры пространства и времени изменяются непрерывно.

Достигнуть такой же общности для дифференциальных уравнений можно, если добавить к ним граничные условия. На границе веществ должны выполняться:

$D_{1n}=D_{2n}$, $B_{1n}=B_{2n}$, $E_{1\tau}=E_{2\tau}$, $H_{1\tau}=H_{2\tau}$.

Первое и последнее условия соответствуют случаям отсутствия сторонних зарядов и токов проводимости на границе раздела. Записанные выше граничные условия справедливы для постоянных и переменных полей.

Материальные уравнения

Уравнения Максвелла не содержат параметров, которые бы характеризовали индивидуальные свойства среды. Поэтому эти фундаментальные соотношения дополняют материальными уравнениями.

Материальные уравнения сложные и у них отсутствует общность и фундаментальность уравнений Максвелла. Самыми простыми они являются, если электромагнитные поля слабые и медленно изменяются в пространстве и времени. Тогда для изотропных веществ, не сегнетоэлектриков и не ферромагнетиков, материальные уравнения можно представить как:

$\vec D=\epsilon \epsilon_0 \vec E$, $\vec B=\mu \mu_0 \vec H$, $\vec j=\sigma (\vec E+\vec E')$ (14),

где $=\epsilon, \mu, \sigma $ - известные постоянные, которые характеризуют электрические и магнитные свойства вещества. $\vec E'$ - напряженность поля сторонних сил, вызванная химическими и тепловыми процессами.

Характеристики уравнений Максвелла

Перечислим характеристики рассматриваемых нами уравнений:

  1. Данные уравнения являются линейными. Они имеют только первые производные полей по времени и координатам пространства и первые степени плотности токов и плотности зарядов. Линейность уравнений связана с принципом суперпозиции.
  2. В уравнения Максвелла включено уравнение непрерывности, которое отражает сохранение заряда в замкнутой системе.
  3. Данные уравнения релятивистски инвариантны. Факт инвариантности уравнений Максвелла по отношению к преобразований Лоренца подтвержден множеством экспериментов.
  4. Рассматриваемые нами тождества не симметричны в отношении электрических и магнитных полей. Это вызвано наличием электрических зарядов и отсутствием магнитных зарядов.

Из уравнений Максвелла следует вывод о существовании электромагнитного поля без электрических зарядов и токов. Изменение его состояния при этом имеет волновой характер. Поля этого вида называют электромагнитными волнами. В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью света.

Теория Максвелла предсказала существование электромагнитных волн и дала возможность определить все их свойства.

Теория электромагнетизма Максвелла. История лазера

Теория электромагнетизма Максвелла

Столетием позже, в 1864 г., Дж. К. Максвелл (1831-1879) открыл электромагнитную, а не упругую природу световых колебаний, обобщив это в знаменитых уравнениях, которые носят его имя и описывают различающиеся электрические и магнитные явления (электромагнетизм) в общей форме и из которых можно предсказать существование света. Электромагнитные волны получаются за счет колебаний в пространстве и во времени электрических и магнитных полей. Они распространяются с впечатляющей скоростью 300 000 км?с-1, т.е. с той же скоростью, с которой, согласно измерениям, сделанным уже в 1675 г. Рёмером и позднее с высокой точностью И. Л. Физо (1819—1896) в 1849 г., распространяется свет. Максвелл предложил способ искусственного получения этих волн, и в 1887 г. Г. Герц (1857—1894) действительно смог получить электромагнитные волны с длиной волны порядка метров.

Джеймс Клерк Максвелл рассматривается вместе с Ньютоном и Эйнштейном как один из трех величайших гениев физики. Не случайно у Эйнштейна в его кабинете в Принстоне висел портрет Максвелла.

Максвелл родился в Эдинбурге (Шотландия) в семье среднего достатка. Его отец, Джон Клерк, был юристом, который унаследовал имение Максвеллов в Шотландии и стал членом их семьи. Он построил дом вблизи Глейнэйра, куда семья переехала вскоре после рождения Джеймса. Когда ему исполнилось восемь лет, его мать (с которой он был очень близок) умерла, и он остался с любящим отцом, который так и не женился больше. Максвелл любил рисовать, сочинял стихи и любил животных. У него было слабое здоровье, и он часто болел. Еще в школьные годы он заинтересовался математикой и геометрией. Его преподаватель в Эдинбургском университете профессор Джеймс Д. Форбс (1809—1868), который в течение многих лет был его наставником, представил в Эдинбургское Королевское общество одну из первых математических работ Максвелла 1846 г., касающуюся описания некоторых кривых. С 1847 по 1850 г. он учился в местном университете. В 1849 г. его профессор по математике Келланд представил в Эдинбургское Королевское общество еще одну его работу по кривым, а в 1850 г. работу по равновесию упругих тел. В эти же годы Максвелл интересовался цветным зрением. Он в 1850 г. поступил в Кембриджский университет и в 1855 г. получил ученую степень. Здесь он стал членом престижного Клуба Апостолов и в нескольких выступлениях показал свою глубокую заинтересованность в этико-философских, религиозных, логических и методологических вопросах. При подготовке к экзаменам на степень он стал интересоваться электричеством и магнетизмом. В то же время он изучил рыбий глаз и, получив математическое описание его свойств, показал условия совершенного фокусирования.

Спустя примерно полвека, Р. К. Люнебург заново открыл это, рассматривая линзы, обладающие свойствами, указанными Максвеллом. После получения степени для Максвелла в Кембридже не нашлось места, и он возвратился в Шотландию. С 1856 по 1860 г. он был профессором натуральной философии в Маришаль колледже Абердина. Эта должность хоть и не давала большого дохода, зато летние каникулы предоставляли массу свободного времени. Максвелл мог проводить шесть месяцев в своем имении Глейнэйра. В это же время он женился. Один из его студентов в Абердине, Давид Гилл (1843—1914), который позднее стал пионером применения фотографии в астрономии и Королевским Астрономом, так описывает уроки Максвелла:

«В те дни профессор был немногим лучше школьного учителя, а Максвелл не был хорошим учителем. Лишь четверо или пятеро из нас в классе с семьюдесятью или с восьмьюдесятью учениками получали от него знания. Мы оставались с ним на пару часов после лекций, до тех пор, пока его ужасная жена не утаскивала его на скудный обед в 3 часа дня. Сам он был симпатичным и очаровательным — часто задумывающимся и внезапно пробуждающимся чтобы сказать, о чем он размышлял. Многое мы не могли понять в то время, но впоследствии вспоминали и осознавали».

Исследования стабильности колец Сатурна позволили ему в 1857 г. выиграть приз и утвердили его как одного из лучших математических физиков своего времени. Проанализировав эту проблему, он получил вывод, что кольца образованы многими частицами, что в настоящее время подтверждается более точными астрономическими наблюдениями. С 1860 г. до 1865 г. он работал в Королевском колледже в Лондоне, где тщательно разрабатывал свои принципиальные работы, там же он встретился и часто общался с Майклом Фарадеем (1791—1867), отцом учения об электричестве, к которому относился с восхищением и от которого он многому научился в области электричества и магнетизма.

В 1865 г. почувствовав усталость, он на шесть лет уединился в своем доме в Гленлэре. Покидал он его только для коротких путешествий, одно из которых было в Италию в 1867 г. В Гленлэре, он закончил свою кинетическую теорию газов и написал свой знаменитый труд Treatise on Electricity and Magnetism, который содержит полностью разработанную теорию электромагнитного поля. В отношении уравнений, которые являются квинтэссенцией всей его работы, Эйнштейн сказал: «Специальная теория относительности обязана своим происхождением уравнениям Максвелла электромагнитного поля», а Больцман вопрошал: «Разве это не Бог, кто написал эти символы?»

В 1871 г. Максвелл занял кафедру экспериментальной физики в Кембридже и стал директором Кэвендишской лаборатории. Эта лаборатория была организована, в октябре 1870 г., когда герцог Девонширский, декан Кембриджского университета, решил поддержать строительство физической лаборатории и обеспечить ее оборудованием. Лаборатория была названа именем одного из родственников герцога, Генри Кэвендиша (1731—1810), который посвятил свою жизнь химии и экспериментальной физике, особенно интересуясь электричеством. Максвелл, активно работая по организации лаборатории, находил время для своего труда, который он опубликовал двумя годами позднее (1873). Он умер в Кембридже 5 ноября 1879 г.

Благодаря ему, мы обладаем фундаментальными основами теории электромагнетизма, а также термодинамики и кинетической теории газов, в которой он является одним из основателей наряду с Людвигом Больцманом (1844—1906) и Джошуа Виллардом Гиббсом (1839—1903). Кинетическая теория рассматривает газ, состоящим из огромного числа атомов или молекул, которые свободно движутся в пространстве, соударяясь друг с другом и со стенками сосуда. С помощью этой модели теория позволяет нам интерпретировать макроскопические свойства газов. Джон Херапат (1790-1868) первым установил связь между температурой газа и скоростью его молекул, хотя соотношение, которое он нашел, было ошибочным. Это также исследовалось англичанином Джеймсом П. Джоулем (1818—1889) и немцами Рудольфом Клаузиусом (1822—1888) и Людвигом Больцманом. Максвелл вывел из теории конкретные свойства газов, установив закон распределения скоростей молекул, рассматривая молекулы как маленькие бильярдные шары. Он получил выражения для давления, вязкости, диффузии и др. Он вывел теорему равнораспределения энергии, о которой мы будем говорить в дальнейшем. Максвелл рассматривал два возможных способа описания газа. Один основан на законах динамики и описывает детерминистическое поведение индивидуальных составляющих газа. Это дает полное описание системы. Другой метод является статистическим по природе и не принимает во внимание знание поведения индивидуальной молекулы, а имеет дело с огромным числом молекул. Система рассматривается, используя законы статистики. Это позволяет получить величины, которые описывают глобальные свойства газа, такие, как давление, температура и др.

Максвелл также интересовался теорией цветов, он развил и дополнил теорию физика и врача Томаса Юнга, который утверждал, что цветовое зрение получается комбинацией трех изображений в основных цветах, для которых в человеческом глазу имеются три вида соответствующих рецепторов. Максвелл идентифицировал эти три первичных цвета, из которых можно получить все цвета, как красный, синий и зеленый, и указал, что случай цветовой слепоты обусловлен отсутствием в глазу одного из трех рецепторов. Он указал, что если сделать фотографию через фильтры этих цветов, а затем соединить изображения, то получится цветная фотография объекта. Он практически продемонстрировал это собранию Королевского Общества в 1861 г., сделав фотографию закрученной в узел ткани с шотландским национальным рисунком. Эта была первая цветная фотография, полученная методом, который в существенных чертах используется и в наше время.

Однако теория электромагнитного поля — наиболее важный результат, полученный Максвеллом, и это, без сомнения, одно из важнейших достижений науки, на котором основана современная наука и техника.

В середине XIX в. электромагнетизм включал огромное число экспериментальных результатов, в которые значительный вклад внес Фарадей, но ожидалась общая теория, которая могла бы эти результаты интерпретировать.

Майкл Фарадей (1791-1867) является исключительным примером новаторского исследователя. Он был сыном кузнеца и начал работать с 13 лет подмастерьем в переплетной мастерской. Здесь он читал книги по химии и электричеству и делал эксперименты с помощью самодельных устройств. В 1813 г. он познакомился с химиком Хемфри Дэви (1778—1829) и стал его ассистентом в Королевском институте. Он был очень искусным экспериментатором и открыл фундаментальные явления, которые послужили основой электромагнитной теории Максвелла. Он разработал метод визуализации силовых линий электрических и магнитных полей. В качестве ассистента Дэви он в 1813—1815 гг. путешествовал по Европе, где знакомился с работами самых выдающихся исследователей континента.

В 1821 г. он, продолжая эксперименты датского физика Г. К. Эрстеда (1777—1851), показал, что магниты оказывают механическое действие на проводники, по которым протекает электрический ток. Позже он изучал явления электролиза, выраженные в законах, носящих его имя. В 1830— 1831 гг. он открыл явление электромагнитной индукции. Среди его последующих открытий — действие магнитного поля на поляризованный свет (эффект Фарадея) и диамагнетизм. В 1862 г. он пытался изучить действие магнитного поля на спектры света, пионерские исследования, которые позднее с успехом были выполнены П. Зееманом.

Максвелл блестящим образом интерпретировал результаты Фарадея и других исследователей, показав, что явления электрических и магнитных явлений тесно связаны, и в некоторых случаях электромагнитное поле может распространяться в виде волны. Отсюда следует, что свет является волной такого вида. Электромагнитная теория Максвелла встретила сильное сопротивление. Даже сам Максвелл и его ученики долгое время старались описать электромагнитное поле с помощью механических моделей. Только после продолжительных попыток объяснить его уравнения на основе механических моделей была окончательно принята концепция, что электрические и магнитные поля являются реальностью.

Рис. 6. Синусоидальная волна, видимая в заданный момент времени, как функция положения

Волновая теория рассматривает свет как колебания эфира и замечательно объясняет отражение, преломление, дифракцию и интерференцию, а также другие явления. Свойство света восприниматься окрашенным укладывается в свойствах волны. Белый свет есть ни что иное, как смесь всех цветов (факт, который еще Ньютон экспериментально продемонстрировал). Определенный цвет определяется длиной волны излучения (рис. 6), т.е. расстоянием между двумя соседними пиками волны. В видимой области эта длина волны обычно измеряется в ангстремах (один ангстрем или А° равен 10-8 см) и видимая область простирается от ~3800 А° (фиолетовый свет) до 7000 А° (красный свет). Число пиков волны, проходящих в секунду через заданную точку, является частотой волны и измеряется в герцах (Гц). Произведение длины волны и частоты равно скорости распространения волны. Например, зеленый свет имеет в вакууме длину волны 5500 А°, распространяется со скоростью 300000 км с-1 и имеет частоту 545 000 млрд. Гц. Излучения с большими длинами волн последовательно заполняют инфракрасные, микроволновые и радиоволны, А излучение с укороченными длинами волн являются ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-лучами (рис. 7).

Рис. 7. Электромагнитный спектр. Слева обозначены частоты, а справа — соответствующие длины волны

42. Понятие о теории Максвелла. Ток смещения. Медицинская физика

Читайте также

1. Трудность согласования квантовой теории и теории излучения

1. Трудность согласования квантовой теории и теории излучения Электромагнитная теория, дополненная теорией электронов Лоренца, дает совершенно ясную и точную картину излучения, испускаемого системой движущихся зарядов. Если заданы структура и закон движения системы

1. Понятие химической кинетики

1. Понятие химической кинетики Кинетика – наука о скоростях химических реакций.Скорость химической реакции – число элементарных актов химического взаимодействия, протекающих в единицу времени в единицу объема (гомогенные) или на единице поверхности

1. Понятие термохимии

1. Понятие термохимии Раздел физической химии и химической термодинамики, изучающий тепловые процессы теплоемкости веществ, называется термохимией.?Q = dU + ?A– первый закон термодинамики. ?Q – не является функцией состояния. P = const || V = const – функции состояния при этих

1. Понятие гальванического элемента

1. Понятие гальванического элемента Гальванический элемент – прибор, который преобразовывает химическую энергию в электрическую. Одним из таких элементов является элемент Даниэля – Якоби. Этот элемент состоит из двух электродов: цинкового и медного, – погруженных в

1. Понятие электрохимии

1. Понятие электрохимии Электрохимия – раздел физической химии, который рассматривает системы, содержащие ионы (растворы или расплавы электролитов) и процессы, протекающие на границе двух фаз с участием заряженных частиц.Первые представления о взаимосвязи химических и

1. Ассоциации в растворах электролитов. Понятие о теории сильных электролитов. Активность

1. Ассоциации в растворах электролитов. Понятие о теории сильных электролитов. Активность При увеличении концентрации растворов электролитов создаются условия, когда за счет электростатического взаимодействия становится возможным образование новых соединений –

Теория электромагнитного поля Максвелла

Теория электромагнитного поля Максвелла Заслуга Максвелла состоит в том, что он нашел математическую форму уравнений, в которых связаны воедино значения электрической и магнитной напряженностей, которые создают электромагнитные волны, со скоростью распространения их

Закон красного смещения

Закон красного смещения Эта история началась с замечательного открытия, сделанного в 1908 году Генриеттой Ливитт, которая тогда не была еще астрономом. Она смотрела не вверх, в звездное небо, а вниз — на фотопластинки, сделанные в Гарвардской обсерватории за много лет. В те

8. Понятие о медицинской кибернетике

8. Понятие о медицинской кибернетике Медицинская кибернетика является научным направлением, связанным с использованием идей, методов и технических средств кибернетики в медицине и здравоохранении. Условно медицинскую кибернетику можно представить следующими

6.4. Об инвариантности уравнений Максвелла

6.4. Об инвариантности уравнений Максвелла Требование инвариантности (неизменности) уравнений Максвелла при описании распространения электромагнитного излучения в системе, относительно которой источник движется с некоторой скоростью, является математической формой

Биметрические теории и теории с массивным гравитоном

Биметрические теории и теории с массивным гравитоном Вспомним, чтобы описать слабые гравитационные волны, мы разбивали динамическую метрику ОТО на метрику плоского пространства-времени и возмущения метрики. Оказалось, что возмущения в виде волн могут распространяться

Глава 9 Демон Максвелла

Глава 9 Демон Максвелла Участвуя на протяжении многих месяцев в невероятных приключениях, в ходе которых профессор не упускал удобного случая посвятить мистера Томпкинса в тайны физики, мистер Томпкинс все более проникался очарованием мисс Мод. Наконец, настал день,

Теории великого объединения (ТВО) и теории всего сущего (TBC)

Теории великого объединения (ТВО) и теории всего сущего (TBC) Названия лишь вводят в заблуждение, поскольку предлагают больше, чем могут дать. В действительности они лишь указывают на объединение известных взаимодействий в рамках одной, всеобъемлющей теории. ТВО

Теория электромагнетизма Максвелла

Теория электромагнетизма Максвелла Столетием позже, в 1864 г., Дж. К. Максвелл (1831-1879) открыл электромагнитную, а не упругую природу световых колебаний, обобщив это в знаменитых уравнениях, которые носят его имя и описывают различающиеся электрические и магнитные явления

Теория электромагнитного поля Максвелла. О чем рассказывает свет

Читайте также

Теория поля — язык физики

Теория поля — язык физики Понятие полей впервые ввел выдающийся британский ученый XIX в. Майкл Фарадей. Сын небогатого кузнеца, Фарадей был гением-самоучкой, ставившим сложные опыты с электричеством и магнетизмом. Он представлял силовые линии, которые, подобно длинным

Теория гравитационного поля

Теория гравитационного поля Эйнштейну, который сформулировал свой физический принцип, не зная о трудах Римана, недоставало математического языка и способностей, необходимых для выражения этого принципа. Три долгих, обескураживающих года (1912–1915) он провел в

Струнная теория поля

Струнная теория поля Со времен новаторского труда Фарадея все физические теории записывались в виде полей. На теории поля основана максвелловская теория света, как и теория Эйнштейна. По сути дела, вся физика частиц опирается на теорию поля. Не основана на ней только

Возникновение и развитие теории электромагнитного поля

Возникновение и развитие теории электромагнитного поля Гипотеза поперечных световых волн Френеля поставила перед физикой ряд трудных проблем, касающихся природы эфира, т. е. той гипотетической среды, в которой распространяются световые колебания. Перед этими

От силовых линий Фарадея до поля Максвелла

От силовых линий Фарадея до поля Максвелла Талантливому человеку сделать великое открытие иногда помогает даже недостаток образования. Сын кузнеца, ученик переплетчика, Фарадей был самоучкой, но своим интересом к науке и способностями обратил на себя внимание видного

42. Понятие о теории Максвелла. Ток смещения

42. Понятие о теории Максвелла. Ток смещения Дж. Максвелл создал в рамках классической физики теорию электромагнитного поля. В основе теории Дж. Максвелла лежат два положения.1. Всякое перемещенное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле. Переменное

6.4. Об инвариантности уравнений Максвелла

6.4. Об инвариантности уравнений Максвелла Требование инвариантности (неизменности) уравнений Максвелла при описании распространения электромагнитного излучения в системе, относительно которой источник движется с некоторой скоростью, является математической формой

Глава 9 Демон Максвелла

Глава 9 Демон Максвелла Участвуя на протяжении многих месяцев в невероятных приключениях, в ходе которых профессор не упускал удобного случая посвятить мистера Томпкинса в тайны физики, мистер Томпкинс все более проникался очарованием мисс Мод. Наконец, настал день,

Теория электромагнетизма Максвелла

Теория электромагнетизма Максвелла Столетием позже, в 1864 г., Дж. К. Максвелл (1831-1879) открыл электромагнитную, а не упругую природу световых колебаний, обобщив это в знаменитых уравнениях, которые носят его имя и описывают различающиеся электрические и магнитные явления

Глава 4 Возникновение концепции электромагнитного поля. М. Фарадей, Дж. К. Максвелл

Глава 4 Возникновение концепции электромагнитного поля. М. Фарадей, Дж. К. Максвелл 4.1. Англия в XIX веке Невозможно найти прямую связь между такими событиями как открытие Фарадеем самоиндукции (1831), введением Максвеллом тока смещения (1867) и, скажем, парламентской реформой

Методология Максвелла — Студопедия

ТЭМП

Максвелл получил уравнения электромагнитного поля, которые описывали его свойства и структуру и являлись не простым математическим выражением идей Фарадея, а содержали нечто неизмеримо большее.

rot E = - dB/dt , rot H = 4 π j,

div D = , div B = 0

В этих уравнениях заключено все учение об электричестве и магнетизме! Глядя на лаконичную форму этих уравнений, как не вспомнить Ньютона: “Природа проста и не роскошествует излишними причинами”. Не случайно Герц, придавший уравнениям Максвелла тот вид, в котором они ныне пишутся (это же было сделано и Хевисайдом), говорил:“Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по временам такого чувства, будто математические формулы живут собственной жизнью, обладают собственным умом – кажется, что эти формулы умнее нас, умнее даже самого автора, как будто они дают нам больше, чем в свое время в них было заложено”.

Что же нового дала физике теория электромагнитного поля, которую Максвелл начал разрабатывать с 1855 г. и в окончательном виде оформил в работе “Трактат по электричеству и магнетизму”, вышедшей в 1873 г.?

Вклад Максвелла сводится в общих чертах к следующему.


1. Теория Максвелла вводит в физику фундаментальнейшее понятие единого электромагнитного поля. Теория, которую я предлагаю,–пишет Максвелл,–может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с пространством, окружающим электрические и магнитные тела; она может быть также названа динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой и производятся наблюдаемые электромагнитные явления”. И далее: “Электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит и окружает тела, находящиеся в наэлектризованном или намагниченном состоянии”. Правда, здесь с современной точки зрения есть неточность: поле – это не часть пространства, а материальный объект, существующий в пространстве и времени. Есть и еще одно несоответствие идей Максвелла современным взглядам: поле у Максвелла – не самостоятельный объект, а процесс, происходящий в эфире, проявление эфира. Лишь в дальнейшем в связи с созданием теории относительности, когда стало возможным устранение гипотезы эфира, поле было признано самостоятельно существующим видом материи, не нуждающимся в особом материальном носителе. Введение понятия поля как основного объекта, обеспечивающего все электромагнитные взаимодействия, акцент не на заряды и токи, а на “порожденное” ими поле означают окончательное утверждение в физике идеи близкодействия.


2. Принципиально новой чертой теории Максвелла, выражающей последовательное проведение идеи близкодействия, является то, что теория Максвелла исходит из признания конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Из этого вытекает то, что сигнал, испущенный источником, но не принятый еще приемником, живет самостоятельной жизнью как реальное образование, обладающее энергией, которая по Максвеллу, сосредоточена в поле. Энергия электромагнитного взаимодействия у Максвелла зависит от параметров поля ( E и B ). Это есть энергия поля, а не энергия зарядов и токов. Но энергия не может быть без материального носителя. Следовательно, поле является объективной реальностью.

3. Теория Максвелла по-новому поставила вопрос о взаимосвязи электричества и магнетизма. Их единство проявляется в том, что изменяющееся электрическое поле порождает магнитное, а изменяющееся магнитное порождает электрическое, т.е. электрическое и магнитное поля не есть некие самостоятельные сущности, а есть частные проявления единого электромагнитного поля, определяемые выбранной системой отсчета.

4. Теория Максвелла на основе понятия поля свела в единую систему все знания по электричеству и магнетизму. Она дала возможность, зная компоненты поля ( E и B ) в данной точке в данный момент времени, найти их значения в любой другой точке в любой другой момент времени, а зная характеристики поля, найти и силы, действующие на заряды и токи. Все законы электрических и магнитных взаимодействий, все законы тока, выведенные раньше, получаются из уравнений Максвелла как следствия. Но значение теории не только в обобщении уже известного, из нее вытекает чрезвычайно много нового (кроме ранее сказанного).

5. Из решения уравнений вытекает, что электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде волн и скорость электромагнитных волн равна скорости света. Тем самым устанавливается не только существование нового объекта, но и выдвигается идея об электромагнитной природе света, а значит, устанавливаются единство оптики и электромагнетизма.

Таково значение теории Максвелла. Как сказал Г. Герц: “Теория Максвелла – это уравнения Максвелла”. Естественен вопрос: как сумел он сделать это? Понять творческий процесс Максвелла куда труднее, чем понять суть его теории. Поэтому я ограничусь лишь некоторыми замечаниями о методе Максвелла.

Максвелл ставит вначале задачу – найти математический аппарат, который бы мог описать физические представления Фарадея о поле. И ему удается обнаружить, что нарисованная Фарадеем картина поля в виде силовых линий аналогична картине распределения линий тока и образуемых ими трубок тока в движущейся жидкости. Движение жидкостей уже получило к тому времени математическое описание, и Максвелл переносит это описание гидродинамических явлений на электродинамические процессы. Величинам, характеризующим движение жидкости, он сопоставляет электродинамические характеристики (так, например, перепаду давления на единицу длины dp/dx он приводит в соответствие перепад потенциала d /dx, обусловливающий движение электричества, подобно тому как перепад давления вызывает движение жидкости). Тем самым электромагнитное поле уподобляет движению жидкости, силовые линии поля аналогичны трубкам тока.

Максвелл использует метод аналогий и моделей.“Под физической аналогией, – пишет он, – я разумею то частное сходство двух каких-либо областей, благодаря которому одна является иллюстрацией другой”.И поскольку различные классы физических явлений могут иметь одинаковую математическую форму законов, то по известным решениям задач в одной области можно получить решения задач в другой.

Общность и взаимосвязь явлений природы проявляется, в частности, в том, что разнородные по природе явления описываются аналогичными математическими уравнениями (вспомним дифференциальные уравнения, описывающие разные по природе колебательные процессы). Но аналогичность математического описания не означает тождества природы явлений. И Максвелл это хорошо понимает, указывая неоднократно, что жидкость, которой он уподобляет электромагнитное поле, не тождественна с тем, что собой в действительности представляет электромагнитное поле. Аналогия с жидкостью есть лишь эвристический иллюстративный прием, но не более.

В дальнейшем Максвелл выдвигает различные механические модели электромагнитного поля, часто весьма причудливые и необычные (подчас даже представляя поле в виде системы, подобной сцепленным зубчатым колесам). Стремление Максвелла наглядно представить поле в виде механического образа вполне понятно. Это безусловная дань господствующему тогда механицизму, освященная традицией классической физики, для которой понять – значит наглядно представить. Кроме того, попытки такого рода связаны также еще с одной важнейшей чертой стиля мышления Максвелла – постоянным стремлением за математическим описанием видеть природу, придавать физический смысл любому уравнению физики. Максвелл говорил полушутя, что каждый физик хорошо сделает, если перед тем, как напишет слово “масса” или символ “m”, собственноручно подвесит гирю на веревке и толкнет ее, дабы убедиться в ее инертности.

Чрезвычайно характерно также и то, что Максвелл не придерживался какой-либо единственной модели поля, а заменял по мере работы над теорией одну модель другой. Модели ему помогали найти уравнения поля; он считал, что они помогут и тем, кто будет читать его работы. Это неоднозначность моделей, отсутствие у Максвелла приверженности к одной модели свидетельствуют о необычайной гибкости ума, чуждого консерватизма и догматизма, и объясняют то удивительнейшее явление, что Максвелл писал уравнения применительно к той или иной модели, веря в существование эфира. Современная физика отбросила все эти модели, отбросила гипотезу эфира, а уравнения сохранились нетленными и описывают электромагнитное поле в его современном понимании.

И еще об одном методе, который использовал Максвелл, – методе математической гипотезы. По Максвеллу, электрический ток в проводнике создает магнитное поле, что Максвелл выражает в виде уравнений rot H=4 π j , т.е. “источник” магнитного поля – движущиеся в проводнике заряды. А в диэлектрике нет движения зарядов, но возможно существование изменяющегося электрического поля, связанного, как он считал, со смещением эфира в диэлектрике. Максвелл предполагает, что это изменение электрического поля (“ток смещения”) порождает тоже магнитное поле, как и ток проводимости (что такое ток смещения, в то время не знали). Эту гипотезу он выражает математически, добавляя в уравнение член, характеризующий быстроту изменения электрического поля, которое, таким образом, как и движущиеся заряды, становится “источником” магнитного поля. Если на мысль о возникновении электрического поля за счет изменения магнитного поля наталкивало явление электромагнитной индукции, то гипотеза о токах смещения не подсказывалась никакими фактами и являлась, видимо, плодом интуиции Максвелла.

И в заключении несколько слов о личности Максвелла. Максвелл – выходец из состоятельной семьи, представитель знатного и старинного шотландского рода Клерков.

В Эдинбурге Максвелл оканчивает школу и университет, а затем продолжает образование в Кембридже. После окончания обучения он преподает физику в шотландском университете в Абердине, а затем в Королевском колледже в Лондоне. Несколько плодотворных для работы лет он проводит в своем имении в Гленлере, после чего становится первым директором Кавендишской лаборатории в Кембридже, построенной и оборудованной при его непосредственном участии. Эту лабораторию возглавляли впоследствии Релей, Д. Томсон, Э. Резенфорд, У. Брегг.

Область научных интересов Максвелла необычайно широка. Помимо работ по электромагнетизму, он выполняет фундаментальные исследования по теории цветов и цветовому зрению, устойчивости колец Сатурна и по кинетической теории газов.

Максвелл отличался большой простотой, мягкостью, искренностью в общении с людьми, никогда не проявлял обидчивости и себялюбия, не стремился к славе, спокойно принимал критику в свой адрес, ценил и любил юмор. Самообладание и выдержка были всегда его спутниками и не покинули его тогда, когда он тяжело заболел и испытывал мучительные боли. Он мужественно встретил слова врача о том, что ему осталось жить вряд ли более месяца. Врач пишет: “Во время болезни, лицом к лицу со смертью он оставался таким же, как прежде. Спокойствие духа никогда не покидало его. Через несколько дней после возвращения в Кембридж его страдания приняли очень серьезный характер. Но он никогда не жаловался. Даже близость смерти не лишила его самообладания. Его ум оставался ясным до конца. Никто из моих пациентов не сознавал так трезво свою обреченность и не встречал смерти более спокойно”. 5 ноября 1879 г. в возрасте сорока восьми лет он умер.

Теории Максвелла еще предстояло утвердить себя. Поначалу ее мало кто понимал. Даже Больцман считал ее “тайной за семью печатями” и в качестве эпиграфа к курсу лекций по теории Максвелла взял фразу из “Фауста”: “Я должен пот тяжелый лить, чтоб объяснить вам то, чего я сам не понимаю”. Утверждение теории приходит тогда, когда ее выводы получают экспериментальное подтверждение, а его не было вплоть до 1887 г., когда Герц экспериментально получил электромагнитные волны

электромагнетизм | Определение, уравнения и факты

Электромагнетизм , наука о заряде, а также о силах и полях, связанных с зарядом. Электричество и магнетизм - два аспекта электромагнетизма.

Британская викторина

Викторина "Все о физике"

Кто был первым ученым, проведшим эксперимент по управляемой цепной ядерной реакции? Какая единица измерения для циклов в секунду? Проверьте свою физическую хватку с помощью этой викторины.

Электричество и магнетизм долгое время считались отдельными силами. Только в 19 веке они стали рассматриваться как взаимосвязанные явления. В 1905 году специальная теория относительности Альберта Эйнштейна без всяких сомнений установила, что оба аспекта являются аспектами одного общего явления. Однако на практике электрические и магнитные силы ведут себя по-разному и описываются разными уравнениями. Электрические силы создаются электрическими зарядами в состоянии покоя или в движении.С другой стороны, магнитные силы создаются только движущимися зарядами и действуют исключительно на движущиеся заряды.

Электрические явления происходят даже в нейтральной материи, потому что силы действуют на отдельные заряженные составляющие. В частности, электрическая сила отвечает за большинство физических и химических свойств атомов и молекул. Это чрезвычайно сильно по сравнению с гравитацией. Например, отсутствие только одного электрона на каждый миллиард молекул у двух 70-килограммовых (154-фунтовых) людей, стоящих на расстоянии двух метров (двух ярдов) друг от друга, оттолкнет их с силой в 30 000 тонн.В более привычном масштабе электрические явления ответственны за молнии и гром, сопровождающие определенные бури.

Электрические и магнитные силы могут быть обнаружены в областях, называемых электрическими и магнитными полями. Эти поля имеют фундаментальную природу и могут существовать в космосе вдали от заряда или тока, которые их породили. Примечательно, что электрические поля могут создавать магнитные поля и наоборот, независимо от внешнего заряда. Как обнаружил в своей работе английский физик Майкл Фарадей, изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, лежащее в основе производства электроэнергии.И наоборот, изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, как пришел к выводу шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. Математические уравнения, сформулированные Максвеллом, включают световые и волновые явления в электромагнетизм. Он показал, что электрические и магнитные поля перемещаются вместе в пространстве как волны электромагнитного излучения, при этом изменяющиеся поля взаимно поддерживают друг друга. Примерами электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве независимо от материи, являются радио- и телевизионные волны, микроволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи.Все эти волны движутся с одинаковой скоростью, а именно скоростью света (примерно 300 000 километров или 186 000 миль в секунду). Они отличаются друг от друга только частотой, с которой колеблются их электрическое и магнитное поля.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Уравнения Максвелла по-прежнему обеспечивают полное и элегантное описание электромагнетизма вплоть до субатомного масштаба, но не включая его. Однако в 20 веке интерпретация его творчества расширилась.Специальная теория относительности Эйнштейна объединила электрические и магнитные поля в одно общее поле и ограничила скорость всей материи скоростью электромагнитного излучения. В конце 1960-х физики обнаружили, что у других сил в природе есть поля с математической структурой, подобной структуре электромагнитного поля. Эти другие силы - сильное взаимодействие, ответственное за энергию, выделяемую при ядерном синтезе, и слабое взаимодействие, наблюдаемое при радиоактивном распаде нестабильных атомных ядер.В частности, слабые и электромагнитные силы были объединены в общую силу, называемую электрослабой силой. Цель многих физиков объединить все фундаментальные силы, включая гравитацию, в одну великую единую теорию, до сих пор не достигнута.

Важным аспектом электромагнетизма является наука об электричестве, которая занимается поведением агрегатов заряда, включая распределение заряда в материи и движение заряда с места на место.Различные типы материалов классифицируются как проводники или изоляторы в зависимости от того, могут ли заряды свободно перемещаться через составляющие их вещества. Электрический ток - это мера потока зарядов; законы, управляющие токами в материи, важны в технологии, особенно в производстве, распределении и контроле энергии.

Понятие напряжения, как и понятия заряда и тока, является фундаментальным в науке об электричестве. Напряжение - это мера склонности заряда перетекать из одного места в другое; положительные заряды обычно имеют тенденцию перемещаться из области высокого напряжения в область более низкого напряжения.Распространенная проблема в электричестве - это определение взаимосвязи между напряжением и током или зарядом в данной физической ситуации.

Эта статья стремится дать качественное понимание электромагнетизма, а также количественную оценку величин, связанных с электромагнитными явлениями.

определение теории электромагнетизма Максвелла и синонимы теории электромагнетизма Максвелла (английский)

Из Википедии, бесплатная энциклопедия

(перенаправлено из теории электромагнетизма Максвелла)

Электромагнетизм - это физика электромагнитного поля, a поле, которое действует на заряженные частицы и на него взаимно влияют присутствие и движение таких частиц.

Изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле (это явление электромагнитной индукции, основа работы электрических генераторов, асинхронных двигателей и трансформаторов). Точно так же изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле.

Магнитное поле создается движением электрических зарядов, т. Е. Электрического тока. Магнитное поле вызывает магнитную силу, связанную с магнитами.

Теоретические последствия электромагнетизма привели к развитию специальной теории относительности Альбертом Эйнштейном в 1905 году; и из этого было показано, что магнитные поля и электрические поля могут быть преобразованы с относительным движением как четыре вектора.

История

Готовясь к вечерней лекции 21 апреля 1820 года, Ганс Христиан Эрстед сделал удивительное наблюдение. Укладывая материалы, он заметил, что стрелка компаса отклоняется от магнитного севера, когда электрический ток от батареи, которую он использовал, включался и выключался. Это отклонение убедило его, что магнитные поля излучаются со всех сторон от провода, по которому проходит электрический ток, точно так же, как свет и тепло, и что это подтвердило прямую связь между электричеством и магнетизмом.

Во время открытия Эрстед не предлагал удовлетворительного объяснения этого явления и не пытался представить это явление в математической структуре. Однако через три месяца он начал более интенсивное расследование. Вскоре после этого он опубликовал свои выводы, доказав, что электрический ток создает магнитное поле, когда течет по проводу. Единица магнитной индукции CGS (эрстед) названа в честь его вклада в область электромагнетизма.

Его открытия привели к интенсивным исследованиям в области электродинамики в научном сообществе.Они повлияли на разработку французским физиком Андре-Мари Ампера единой математической формы для представления магнитных сил между проводниками с током. Открытие Эрстеда также стало важным шагом к единой концепции энергии.

Это объединение, которое наблюдал Майкл Фарадей, расширил Джеймс Клерк Максвелл и частично переформулировали Оливер Хевисайд и Генрих Герц, является одним из достижений математической физики XIX века. Это имело далеко идущие последствия, одним из которых было понимание природы света.Свет и другие электромагнитные волны принимают форму квантованных самораспространяющихся колебательных возмущений электромагнитного поля, называемых фотонами. Различные частоты колебаний вызывают различные формы электромагнитного излучения, от радиоволн на самых низких частотах до видимого света на промежуточных частотах и ​​гамма-лучей на самых высоких частотах.

Эрстед был не единственным человеком, исследовавшим связь между электричеством и магнетизмом. В 1802 году итальянский ученый-юрист Джан Доменико Романьози отклонил магнитную стрелку электростатическими зарядами.На самом деле в установке не было гальванического тока и, следовательно, не было электромагнетизма. Отчет об открытии был опубликован в 1802 году в итальянской газете, но современное научное сообщество не обратило на него внимания.

Электромагнитная сила

Основная статья: Электромагнитная сила

Сила, которую электромагнитное поле оказывает на электрически заряженные частицы, называемая электромагнитной силой , является одной из фундаментальных сил. Другими фундаментальными силами являются сильное ядерное взаимодействие (которое удерживает атомные ядра вместе), слабое ядерное взаимодействие и гравитационное взаимодействие.Все остальные силы (например, трение) в конечном итоге происходят от этих фундаментальных сил.

Электромагнитная сила отвечает практически за все явления, встречающиеся в повседневной жизни, за исключением гравитации. Все силы, участвующие во взаимодействиях между атомами, можно отнести к электромагнитной силе, действующей на электрически заряженные протоны и электроны внутри атомов. Сюда входят силы, которые мы испытываем при «толкании» или «притяжении» обычных материальных объектов, которые возникают в результате межмолекулярных сил между отдельными молекулами в наших телах и молекулами в объектах.Он также включает все формы химических явлений, которые возникают в результате взаимодействия между электронными орбиталями.

Классическая электродинамика

Основная статья: Классическая электродинамика

Ученый Уильям Гилберт в своей книге De Magnete (1600) предположил, что электричество и магнетизм, хотя и способны вызывать притяжение и отталкивание объектов, являются различными эффектами. Моряки заметили, что удары молнии могут повредить стрелку компаса, но связь между молнией и электричеством не была подтверждена до экспериментов, предложенных Бенджамином Франклином в 1752 году.Одним из первых, кто обнаружил и опубликовал связь между искусственным электрическим током и магнетизмом, был Ромагнози, который в 1802 году заметил, что подключение провода через гальваническую батарею отклоняет находящуюся рядом стрелку компаса. Однако этот эффект не стал широко известен до 1820 года, когда Эрстед провел аналогичный эксперимент. [1] Работа Эрстеда повлияла на Ампера, чтобы он создал теорию электромагнетизма, которая поставила предмет на математическую основу.

Точная теория электромагнетизма, известная как классический электромагнетизм, была разработана различными физиками в течение XIX века, достигнув высшей точки в работе Джеймса Клерка Максвелла, который объединил предыдущие разработки в единую теорию и открыл электромагнитную природу свет.В классическом электромагнетизме электромагнитное поле подчиняется системе уравнений, известных как уравнения Максвелла, а электромагнитная сила задается законом силы Лоренца.

Одна из особенностей классического электромагнетизма состоит в том, что его трудно согласовать с классической механикой, но он совместим со специальной теорией относительности. Согласно уравнениям Максвелла, скорость света в вакууме является универсальной константой, зависящей только от электрической и магнитной проницаемости свободного пространства.Это нарушает галилееву инвариантность, давнюю краеугольный камень классической механики. Один из способов примирить эти две теории - предположить существование светоносного эфира, через который распространяется свет. Однако последующие экспериментальные попытки обнаружить присутствие эфира не удалось. После важных вкладов Хендрика Лоренца и Анри Пуанкаре в 1905 году Альберт Эйнштейн решил проблему, введя специальную теорию относительности, которая заменяет классическую кинематику новой теорией кинематики, совместимой с классическим электромагнетизмом.(Для получения дополнительной информации см. Историю специальной теории относительности.)

Кроме того, теория относительности показывает, что в движущихся системах отсчета магнитное поле трансформируется в поле с ненулевой электрической составляющей и наоборот; тем самым твердо показывая, что это две стороны одной медали, отсюда и термин «электромагнетизм». (Для получения дополнительной информации см. Классический электромагнетизм и специальная теория относительности.)

Фотоэлектрический эффект

Основная статья: Фотоэлектрический эффект

В другой статье, опубликованной в том же году, Альберт Эйнштейн подорвал сами основы классического электромагнетизма.Его теория фотоэлектрического эффекта (за которую он получил Нобелевскую премию по физике) утверждала, что свет может существовать в дискретных количествах, подобных частицам, которые позже стали известны как фотоны. Теория фотоэлектрического эффекта Эйнштейна расширила идеи, которые проявились в решении проблемы ультрафиолетовой катастрофы, представленной Максом Планком в 1900 году. В своей работе Планк показал, что горячие объекты испускают электромагнитное излучение дискретными пакетами, что приводит к конечной полной энергии, испускаемой как излучение черного тела.Оба этих результата прямо противоречили классическому взгляду на свет как непрерывную волну, хотя теперь известно, что фотоэлектрический эффект на самом деле не заставляет делать какие-либо выводы о том, что свет состоит из «фотонов», как обсуждалось. в статье о фотоэффекте. [ необходима цитата ] Теории Планка и Эйнштейна были прародителями квантовой механики, которая, когда была сформулирована в 1925 году, потребовала изобретения квантовой теории электромагнетизма.Эта теория, завершенная в 1940-х годах, известна как квантовая электродинамика (или «КЭД») и в ситуациях, когда применима теория возмущений, является одной из наиболее точных теорий, известных физике.

Единицы

Электромагнитные единицы являются частью системы электрических единиц, основанных, главным образом, на магнитных свойствах электрических токов, основной единицей СИ является ампер. Единицы измерения:

. В электромагнитной системе cgs электрический ток является фундаментальной величиной, определяемой законом Ампера, и принимает проницаемость как безразмерную величину (относительную проницаемость), значение которой в вакууме равно единице.Как следствие, квадрат скорости света явно появляется в некоторых уравнениях, связывающих величины в этой системе.

Электромагнитные явления

За исключением гравитации, электромагнитные явления, описываемые квантовой электродинамикой (которая включает в качестве предельного случая классическую электродинамику), объясняют почти все физические явления, наблюдаемые невооруженным человеческим сознанием, включая свет и другое электромагнитное излучение, все химии, большей части механики (кроме гравитации) и, конечно, магнетизма и электричества.Магнитные монополи (и диполи «Гильберта») не являются строго электромагнитным явлением, поскольку в стандартном электромагнетизме магнитные поля создаются не истинным «магнитным зарядом», а токами. Однако существуют аналоги магнитных монополей в конденсированных средах в экзотических материалах (спиновый лед), созданные в лаборатории. [3]

См. Также

Примечания

Ссылки

Web

  • Nave, R., Strength Magnetic Field Strength H , http: // hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mintage/magfield.html, получено 04.06.2007
  • Кейтч, Пол ( [ мертвое звено ] - Научный поиск ), Сила магнитного поля и магнитный поток Плотность , http://www.electric-fields.bris.ac.uk/MintageFieldStrength.htm, получено 04.06.2007
  • Оппельт, Арнульф (02.11.2006), напряженность магнитного поля , http: //searchsmb.techtarget.com/sDefinition/0,2,sid44_gci763586,00.html, получено 2007-06-04
  • преобразователь напряженности магнитного поля , http: // www.unitconversion.org/unit_converter/mintage-field-strength.html, получено 04.06.2007

Книги

  • Дурни, Карл Х. и Джонсон, Кертис К. (1969). Введение в современную электромагнетизм . Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-018388-0.
  • Рао, Наннапанени Н. (1994). Элементы инженерного электромагнетизма (4-е изд.) . Прентис Холл. ISBN 0-13-948746-8.
  • Типлер, Пол (1998). Физика для ученых и инженеров: Vol.2: Свет, электричество и магнетизм (4-е изд.). В. Х. Фриман. ISBN 1-57259-492-6.
  • Гриффитс, Дэвид Дж. (1998). Введение в электродинамику (3-е изд.). Прентис Холл. ISBN 0-13-805326-X.
  • Джексон, Джон Д. (1998). Классическая электродинамика (3-е изд.). Вайли. ISBN 0-471-30932-X.
  • Rothwell, Edward J .; Клауд, Майкл Дж. (2001). Электромагнетизм . CRC Press. ISBN 0-8493-1397-X.
  • Wangsness, Roald K .; Клауд, Майкл Дж.(1986). Электромагнитные поля (2-е издание) . Вайли. ISBN 0-471-81186-6.
  • Дибнер, Берн (1961). Эрстед и открытие электромагнетизма . Издательство Blaisdell. ISSN 99-0317066-1; 18.

Дополнительная литература

Электромагнетизм - Лекция 8. Уравнения Максвелла

Примеры однородных плоских электромагнитных волн

Примеры однотипных плоских электромагнитных волн. Напоминание о волновом уравнении. Напоминание о взаимосвязи между энергией E и H, переносимой электромагнитными волнами (вектор Пойнтинга). Примеры переноса энергии с помощью электромагнитных волн. 1 Связь

. Дополнительная информация

Электромагнитные волны

Глава 8 лектромагнитные волны Дэвид Морин, morin @ Physics.harvard.edu Волны, с которыми мы имели дело до сих пор в этой книге, довольно легко визуализировать. Волны с участием пружин / масс, струн и воздуха

Дополнительная информация

ПРИКЛАДНАЯ МАТЕМАТИКА ВЫСОКИЙ УРОВЕНЬ

ПРИКЛАДНАЯ МАТЕМАТИКА ВВЕДЕНИЕ ДЛЯ ПОВЫШЕННОГО УРОВНЯ Эта программа предназначена для проверки знаний и навыков кандидатов во вводных математических и статистических методах и их приложениях. Для приложений

Дополнительная информация

1.Основы ЛАЗЕРНОЙ физики

1. Основы лазерной физики Доктор Себастьян Домш (дипломированный физик) Компьютерная клиническая медицина Медицинский факультет Мангейм Гейдельбергский университет Теодор-Кутцер-Уфер 1-3 D-68167 Мангейм, Германия [email protected] de

Дополнительная информация

Основы теории упругости

G22.3033-002: Темы компьютерной графики: Лекция № 7 Геометрическое моделирование Основы теории упругости Нью-Йоркского университета Лекция № 7: 20 октября 2003 г. Лектор: Денис Зорин Скрайб: Адриан Секорд, Йотам Гинголд

Дополнительная информация

АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДЛЯ ИНЖЕНЕРОВ

БЛОК 1: Код блока: QCF Уровень: 4 Кредитная ценность: 15 АНАЛИТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ИНЖЕНЕРОВ A / 601/1401 РЕЗУЛЬТАТ - ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ Учебное пособие 1 Синусоидальная функция Уметь анализировать и моделировать инженерные ситуации

Дополнительная информация

Векторное исчисление: быстрый обзор

Приложение A Векторное исчисление: краткий обзор Избранные материалы H.М. Ще ,. Div, Grad, Curl и все такое: неофициальный курс по векторному исчислению, W.W. Нортон и Ко, (1973). (Хорошее физическое введение в тему)

Дополнительная информация

Глава 7: Поляризация

Глава 7: Поляризация Хоакин Берналь Мендес Группа 4 1 Указатель Введение Вектор поляризации Основные законы вектора электрического смещения: Линейные диэлектрические энергии в диэлектрических системах Силы

Дополнительная информация

Поляризация света

Поляризация света Ссылки Холлидей / Резник / Уокер Основы физики, глава 33, 7-е изд.Руководства Wiley 005 PASCO EX997A и EX999 (написано Энн Хэнкс) Вес Упражнения и веса

Дополнительная информация

Глава 30.

Глава 30 Индуктивность - Взаимная индуктивность - Самоиндуктивность и индуктивности - Энергия магнитного поля - Цепь R - Цепь -C - Цепь последовательного соединения -R-C. Взаимная индуктивность - изменяющийся ток в

Дополнительная информация

Eisflisfræði 2, vor 2007 г.

[Просмотр задания] [Pri Eðlisfræði 2, vor 2007 28.Назначение источников магнитного поля должно быть произведено в 2:00 ночи в среду, 7 марта 2007 г. Кредит за проблемы, представленные с опозданием, уменьшится до 0% после крайнего срока

Дополнительная информация

Концептуальные: 1, 3, 5, 6, 8, 16, 18, 19. Задачи: 4, 6, 8, 11, 16, 20, 23, 27, 34, 41, 45, 56, 60, 65. Концептуальные вопросы

Концептуальные: 1, 3, 5, 6, 8, 16, 18, 19 Задачи: 4, 6, 8, 11, 16, 20, 23, 27, 34, 41, 45, 56, 60, 65 Концептуальные вопросы 1.Магнитное поле нельзя описать как магнитную силу на единицу заряда

Дополнительная информация

Дифференциация векторов

Глава 4 Дифференцирование векторов 4.1. Векторнозначные функции В предыдущих главах мы рассматривали действительные функции нескольких (обычно двух) переменных f: D R, где D - подмножество R n, где

Дополнительная информация

УНИВЕРСИТЕТ И ОСЛО

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Экзамен по: FYS 310 Классическая механика и электродинамика День экзамена: вторник, 4 июня 013 г. Часы работы: 4 часа, начало в 14:30 Этот экзамен

Дополнительная информация

Специальная теория относительности

1 июня 2010 г. 1 1 J.Д. Джексон, Классическая электродинамика, 3-е издание, глава 11 Введение Специальная теория относительности Эйнштейна основана на предположении (которое может быть глубоко укоренившимся суеверием). Дополнительная информация

Закон индукции Фарадея

Глава 10 Закон индукции Фарадея 10.1 Закон индукции Фарадея ... 10-10.1.1 Магнитный поток ... 10-3 10.1. Закон Ленца ... 10-5 10. ЭДС движения ... 10-7 10.3 Индуцированное электрическое поле...10-10 10.4 Генераторы ... 10-1

Дополнительная информация

Кристаллическая оптика видимого света

Кристаллическая оптика видимого света. Этот аспект минералов может быть очень полезным для понимания петрографической истории горных пород. Способ передачи света через минерал - это средство

Дополнительная информация

Единая лекция №4 Векторы

Объединенная лекция осени 2005 г. # 4 Векторы Эти заметки были написаны Дж.Peraire как обзор векторов для Dynamics 16.07. Они были адаптированы для Unified Engineering Р. Радовицким. Ссылки [1] Feynmann,

Дополнительная информация

Магнитные поля и их эффекты

Имя Дата Время завершения ч м Партнерский курс / раздел / Оценка Магнитные поля и их эффекты Этот эксперимент призван дать вам практический опыт работы с эффектами, а в некоторых случаях

Дополнительная информация

Поддержка онлайн-материалов для

www.sciencemag.org/cgi/content/full/332/6031/862/dc1 Вспомогательные онлайн-материалы для улучшения обучения в физическом классе для большого числа учащихся Луи Деслорье, Эллен Шелев, Карл Виман * * Кому корреспонденция

Дополнительная информация

Часть А Электромагнетизм

Часть A Электромагнетизм Джеймс Спаркс [email protected] Хилари Терм 2009 E = ρ ǫ 0 B = 0 E = B () E B = µ 0 J + ǫ 0 Содержание 0 Введение ii 0.1 Об этих примечаниях.................................

Дополнительная информация

Eisflisfræði 2, vor 2007 г.

[Просмотр задания] [Печать] Eðlisfræði 2, vor 2007 30. Назначение индуктивности должно быть произведено в 2:00 утра в среду, 14 марта 2007 г. Кредит для проблем, представленных с опозданием, уменьшится до 0% после того, как крайний срок достигнет

Дополнительная информация

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ТЕОРИЯ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ТЕОРИЯ А.Б. Лаханас, Афинский университет, физический факультет, отдел ядерной физики и физики элементарных частиц, Афины 157 71, Греция Аннотация Введение в теорию электромагнитного поля дается с

Дополнительная информация

Электромагнитная съемка

Электромагнитная съемка Д-р Лоран Марескот [email protected] 1 Введение Электроразведка Метод сопротивления Метод индуцированной поляризации (IP) Метод самопотенциала (SP) Высокая частота

Дополнительная информация

УРАВНЕНИЙ МАКСВЕЛЛА.ВВЕДЕНИЕ Электромагнитная теория разработана на основе электромагнетизма с помощью четырехвекторного дифференциала.

Презентация на тему: «УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА. ВВЕДЕНИЕ Электромагнитная теория разработана на основе электромагнетизма с помощью четырехвекторного дифференциала» - стенограмма презентации:

1 УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА

2 ВВЕДЕНИЕ Электромагнитная теория разработана на основе электромагнетизма с помощью четырех векторных дифференциальных уравнений.Эти уравнения известны как уравнения Максвелла. Два из этих соотношений не зависят от времени и называются уравнениями стационарного состояния. Два других отношения зависят от времени и называются уравнениями, изменяющимися во времени.

3 Ток смещения: Из закона обряда Ампера следует, что Curl H = J …… .. (1) J - это плотность тока, а H - магнитная напряженность. Итак, div (curl H) = divJ Но div (curl H) = 0 Итак divJ = 0 …….. (2) Из ур. непрерывности divJ = - ∂ρ / ∂t ………… .. (3) ρ - объемная плотность заряда Используя уравнение (2) в приведенном выше уравнении. - ∂ρ / ∂t = 0 Это уравнение. представляет собой только установившееся состояние, в котором ρ является постоянным

4 Следовательно, уравнение (1) представляет только установившееся состояние. Для полей, зависящих от времени, необходимо внести некоторые изменения. Для этого Максвелл предложил добавить некоторый вектор J ’к R.H.S. этого уравнения, чтобы сделать его справедливым в целом i.е. Curl H = J + J ’.......... (4) где J’ - плотность тока смещения. соответствующий ток называется током смещения. Следовательно, div (curl H) = 0 означает, что divJ + divJ ’= 0 Следовательно, divJ’ = - divJ = - (- ∂ρ / ∂t) ……… .. (5) Но D - вектор смещения электрического поля.

5 Таким образом, уравнение (5) дает divJ '= ∂ / ∂t (div D) = div (∂D / ∂t) Следовательно, J' = ∂D / ∂t ……… (6) Следовательно, используя уравнение (6) в уравнении (4) curlH = J + ∂D / ∂t, очевидно, плотность тока смещения J 'возникает из-за изменения во времени электрического смещения D.Примечание: ток проводимости возникает из-за фактического потока заряженных частиц, в то время как ток смещения возникает в области, где электрическое смещение или электрическое поле изменяется со временем.

6 Уравнения Максвелла


7 Термины, используемые в уравнениях Максвелла 1) D - электрическое смещение в См -2 2) ρ - плотность свободного заряда в См -3 3) B - магнитная индукция в Вт · м -2 (или тесла) 4) E - электрическая напряженность в В · м -1 5) H - напряженность магнитного поля Am -1 6) J - плотность тока в Am -2

8 Физическое значение уравнений Максвелла: 1) I-е уравнение Максвелла i.е. т.е. divD = ρ a) Это уравнение не зависит от времени. б) Поскольку divD является скалярным, плотность заряда является скалярной величиной. c) Он связывает пространственную вариацию div. электрического поля с плотностью заряда. г) Это утверждение закона электростатики Гаусса. 2) 2-е уравнение Максвелла a) Это уравнение не зависит от времени b) Согласно этому уравнению изолированные магнитные полюса не существуют c) Поскольку ∫B.dS = 0, то есть количество линий магнитной силы, выходящих и входящих в данный объем, равно. г) Это утверждение закона Гаусса в магнетизме.

9 3) Третье уравнение Максвелла а) Это уравнение, зависящее от времени. б) Он связывает пространственное изменение E с изменением во времени B. c) Это означает, что изменение магнитного поля во времени создает электрическое поле. г) Это утверждение закона Э.М. Фарадея. индукция и знак -ve оправдывают закон Ленца. 4) 4-е уравнение Максвелла: а) Это уравнение, зависящее от времени; б) Оно показывает, что магнитное поле может быть создано вектором плотности тока и изменением во времени D совместно или по отдельности.в) Он связывает вектор магнитного поля с вектором электрического смещения и вектором плотности тока. г) Это утверждение закона Ампера.

Теория струн и электромагнетизм: сверхскоростные энергетические волны

  1. Образование
  2. Наука
  3. Физика
  4. Теория струн и электромагнетизм: сверхскоростные энергетические волны

Автор: Эндрю Циммерман, Дисайнс, 9000, Дэниел Циммерман, Джонс, 9000 В 19 веке электромагнитная сила (или электромагнетизм ) представляет собой объединение электростатической силы и магнитной силы.В середине 20-го века эта сила была объяснена в рамках квантовой механики под названием квантовая электродинамика, или QED. В этой структуре электромагнитная сила передается частицами света, называемыми фотонами.

Связь между электричеством и магнетизмом сводится к электрическому заряду и его движению. Электростатическая сила заставляет заряды воздействовать друг на друга в зависимости, которая похожа на (но более мощная, чем) сила тяжести - закон обратных квадратов.Однако на этот раз интенсивность зависит не от массы объектов, а от заряда.

Электрон - это частица, которая содержит отрицательный электрический заряд, а протон в ядре атома имеет положительный электрический заряд. Традиционно электричество рассматривается как поток электронов (отрицательный заряд) по проводу. Этот поток электронов называется электрическим током .

Провод, по которому протекает электрический ток, создает магнитное поле.С другой стороны, когда магнит перемещается рядом с проводом, он вызывает протекание тока. (Это основа большинства генераторов электроэнергии.)

Так связаны электричество и магнетизм. В 1800-х годах физик Джеймс Клерк Максвелл объединил эти две концепции в одну теорию, названную электромагнетизмом, , которая изображала эту силу как волны энергии, движущиеся в пространстве.

Одним из ключевых компонентов объединения Максвелла было открытие того, что электромагнитная сила движется со скоростью света.Другими словами, электромагнитные волны, которые Максвелл предсказал на основе своей теории, были формой световых волн.

Квантовая электродинамика сохраняет эту связь между электромагнетизмом и светом, потому что в КЭД информация о силе передается между двумя заряженными частицами (или магнитными частицами) другой частицей - фотоном , или частицей света. (Физики говорят, что электромагнитная сила опосредована фотоном.)

Об авторе книги

Эндрю Циммерман Джонс получил степень физика и с отличием окончил колледж Вабаш, где получил степень Гарольда К.Премия Фуллера по физике. Он является «Руководством по физике» для веб-сайта About.com, издаваемого New York Times. Дэниел Роббинс получил докторскую степень по физике в Чикагском университете и в настоящее время изучает теорию струн и ее применение в Техасском университете A&M.

Физика | Что такое физика о

Что такое физика?

Физика - это наиболее фундаментальный раздел физической науки, который занимается изучением материи и энергии, а также их взаимосвязи друг с другом.Простое определение физики таково: физика - это, в основном, изучение поведения объектов. Физика - важная и основная часть физической науки. Это экспериментальная наука. Классическая физика и современная физика - два основных типа физики.
На этом сайте вы узнаете «Что такое физика» от основ до продвинутого уровня.
На этом сайте лоты из:

  • Отрасли физики
  • Законы физики
  • Физические уравнения
  • Примеры из жизни
  • Приложения и использование физики в повседневной жизни
  • Формулы
  • Еще более

Итак, если вы хотите получить отличные результаты от этого сайта, вам понравится этот сайт.Давайте нырнем прямо в….

Типы физики

Основные направления физики:

  • Классическая физика
  • Квантовая физика или современная физика

Классическая физика верит в единую природу, только в частичную природу материи. Он обеспечивает макроскопическое видение материи. Он основан на законах механики Ньютона и законах электромагнетизма Максвелла. Квантовая физика верит в двойственную природу материи - как частицей, так и волн.Он обеспечивает микроскопическое зрение материи. Он основан на квантовой теории света Планка и идее Де Бройля о материальной волне. В практической области распространены следующие разделы физики:

Если вы не знаете, какую тему нажимать, посетите карту нашего сайта, на которой все темы перечислены по отдельным разделам физики. Помимо этого, вы также можете использовать строку поиска, чтобы найти нужные темы.

Дополнительные разделы по физике:

Известные физики и их вклад

Имя физиков Изобретения
Исаак Ньютон Закон тяготения, законы движения, отражающий телескоп
Галилео Галилей Закон инерции
Архимед Принцип плавучести, принцип рычага
С.N.Bose Квантовая статистика
Нильс Бор Квантовая модель атома водорода
Джеймс Чедвик Нейтрон
Эрнест Резерфорд Ядерная модель атома
Кристиан Гюйгенс Волновая теория света
Эдвин Хаббл Расширяющаяся Вселенная
Абдус Салам Унификация недельного и э / м взаимодействий
р.А.Миликан Измерение электронного заряда
Е.О. Лоуренс Циклотрон
Вольфгонг Паули Принцип квантового исключения
Луи де Бройль Волновая природа вещества
Дж. Дж. Томсон Электрон
Хидеки Юкава Теория ядерных сил
Джеймс Клерк Максвелл Теория электромагнетизма, кинетическая теория газов
Вильгельм Э. Вебер Разработал чувствительные магнитометры, работал в области электродинамики и электрического строения материи
Джозеф Генри Провел обширные фундаментальные исследования электромагнитных явлений, разработал первый практический электродвигатель.
Майкл Фарадей Обнаружена электромагнитная индукция и разработан первый электрический трансформатор
Граф Алессандро Вольта Пионер в изучении электричества изобрел батарею
Андре Мари Ампер Отец электродинамики
Ганс Кристиан Эрстед Обнаружено, что ток в проводе может вызывать магнитные эффекты
Георг Ом Обнаружено, что ток пропорционален разности потенциалов и обратно пропорционален сопротивлению (закон Ома).
Йохан Балмер Разработанная эмпирическая формула для описания спектра водорода
Густав Кирхгоф Разработал три закона спектрального анализа и три правила анализа электрических цепей, а также внес вклад в оптику
Генрих Герц Работал над электромагнитными явлениями; также открыл радиоволны и фотоэлектрический эффект
Никола Тесла Создаваемый переменный ток
Лорд Рэлей Обнаружен аргон, объяснил, как рассеяние света отвечает за красный цвет заката и синий цвет неба
Антуан Анри Беккерель Обнаруженная естественная радиоактивность
Сэр Джозеф Джон Томсон Доказанное существование электрона
Макс Планк Сформулировал квантовую теорию, объяснил распределение длин волн излучения абсолютно черного тела
Pierre Cuire Изучал радиоактивность с женой Мари Кюри; открыли пьезоэлектричество
Вильгельм Вена Обнаружены законы, регулирующие излучение тепла
Мария Кюри Обнаружена радиоактивность тория; совместно открыли радий и полоний
Чарльз Уилсон Изобрел камеру Вильсона
Альберт Эйнштейн Объяснение броуновского движения и фотоэлектрического эффекта; Теория атомных спектров, Сформулированные теории специальной и общей теории относительности
Отто Хан Обнаружено деление тяжелых ядер
Клинтон Джозеф Дэвисон Co обнаружил дифракцию электронов
Нильс Бор Участник квантовой теории и теории ядерных реакций и деления ядер
Артур Комптон Обнаружено увеличение длины волны рентгеновских лучей при рассеянии электроном
Вернер Гейзенберг Участвовал в создании квантовой механики; представил принцип неопределенности и концепцию обменных сил
Вильгельм Рентген Обнаруженные и изученные рентгеновские снимки

Ссылки по теме физики:

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *