Электродинамика – теория электромагнитного взаимодействия: это наука о свойствах электромагнитного поля и его взаимодействии с зарядами, связи электрических и магнитных явлений, об электрических токах.

Электродинамика делится на классическую, релятивистскую и квантовую. Классическая электродинамика рассматривает переменное или стационарное электромагнитное поле (главным образом – электростатическое или магнитное) в неподвижной системе отсчёта.

Она создана трудами Шарля Кулона, Ганса Эрстеда, Андре-Мари Ампера, Майкла Фарадея, Джеймса Максвелла, Гендрика Антона Лоренца.

Релятивистская электродинамика рассматривает электромагнитные явления в движущихся средах, опираясь на инвариантность (инвариантность – неизменность величины при изменении физических условий) заряда в различных системах отсчёта и инвариантность законов относительно формул преобразования координат Лоренца (совокупность формул, по которым надо превращать формулы и время события из одной инерциальной системы в другую).

Главную роль в разработке основ этой электродинамики сыграл Альберт Эйнштейн.

Квантовая электродинамика – это квантовая теория электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами. Основные идеи квантовой электродинамики – квантованность энергии и импульса поля, квантованность энергообмена при электромагнитном взаимодействии микросистем. Квантовая электродинамика создана работами Макса Планка, Нильса Бора, Энрико Ферми, Поля Дирака, Вольфганга Паули, Ричарда Фейнмана.

Основные понятия электродинамики – фотон, электрический заряд, его плотность, магнитный момент частиц или тока, электромагнитное поле и два отдельных его проявления – электростатическое поле Е̅ и индукция магнитного поля В̅, скалярный φ и векторный потенциал А̅.

Крупнейшим обобщением основных законов электродинамики является уравнение Максвелла (и уравнения электромагнитных потенциалов).

Рассмотрим основные этапы развития электроники.

Историческая справка. Простые электрические и магнитные явления были известны ещё в древние времена.

Были найдены минералы, притягивающие кусочки железа, а также обнаружено, что янтарь (на греческом языке - электрон), потёртый о шерсть (электризация трением), притягивает лёгкие предметы. Только в 1600 году английский учёный Уильям Гильберт впервые разграничил электрические и магнитные явления. Он открыл существование магнитных полюсов и неотделимость их друг от друга, установил, что земной шар - огромный магнит. В XVII-м - первой половине XVIII-го века проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами, были построены первые электростатические машины, основанные на электризации трением, установлено существование электрических зарядов двух родов (французский физик Шарль Франсуа Дюфе). Обнаружена электропроводность металлов (английский учёный Стивен Грей).

С изобретением первого конденсатора - лейденской банки (1745 г.) появилась возможность накапливать большие электрические заряды. В 1747–53 г. американский учёный Бенджамин Франклин высказал первую последовательную теорию электрических явлений, окончательно установил электрическую природу молнии и изобрёл молниеотвод.

Во второй половине XVIII -го века началось количественное изучение электрических явлений. Появились первые измерительные приборы - электроскопы различных конструкций, электромеры. Английский физик Генри Кавендиш (1773 г.) и французский физик Шарль Кулон (1785 г.) экспериментально установили закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов. Работы Кавендиша были напечатаны только в 1879 году. Этот основной закон электростатики (закон Кулона) впервые позволил создать метод количественного определения электрических зарядов, основанный на измерении взаимодействия между ними. Кулон установил закон взаимодействия полюсов длинных магнитов и ввёл понятие магнитных зарядов.

Следующий этап в развитии электродинамики связан с открытием в конце XVIII-го века итальянским учёным Луиджи Гальвани «животного электричества» и с работами его соотечественника Алессандро Вольты, который правильно объяснил опыты Гальвани присутствием в замкнутом кольце двух разнородных металлов зарядов и изобрёл первый источник электрического тока - гальванический элемент (так называемый Вольтов столб, 1800 г.), с помощью которого стало возможным поддерживать электрический ток в течение длительного времени.

В 1802 году русский учёный Василий Владимирович Петров построил гальванический элемент большой мощности, создал электрическую дугу, исследовал её свойства и указал возможности её применения. В 1808 году английский учёный Хэмфри Дэви пропустил ток через водные растворы щёлочей, то есть совершил их электролиз, и получил неизвестные ранее металлы - натрий и калий.

В 1826 году немецкий физик Георг Ом определил количественную зависимость электрического тока от напряжения в цепи (закон Ома), а в 1830 г. немецкий учёный Карл Фридрих Гаусс сформулировал основную теорему электростатики (теорема Гаусса). Теорема Гаусса устанавливает связь потока напряжённости электрического поля Е̅  через поверхность S с величиной заряда q, который находится в середине этой поверхности

.

Теорема Гаусса следует из закона Кулона. Эта формула выражает тот факт, что электрические заряды являются источниками электрического поля (дивергенция - мера источника).

Английский физик Джеймс Прескотт Джоуль установил (1841 г.), что количество теплоты, выделяющейся в проводнике электрическим током, пропорционально квадрату силы тока; этот закон был обоснован (1842 г.) точными опытами Эмилия Ленца (закон Джоуля–Ленца).

Наиболее фундаментальное открытие было сделано в 1820 году датским физиком Гансом Эрстедом. Он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку - явление, свидетельствующее о связи между электрическими и магнитными явлениями.

В том же году французский физик Андре-Мари Ампер (1725-1826) установил закон взаимодействия электрических токов. Закон Ампера - закон механического взаимодействия двух токов, текущих в малых отрезках проводников, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Из закона Ампера следует, что параллельные проводники с токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных направлениях - отталкиваются. Законом Ампера также называют закон, определяющий силу, с которой магнитное поле действует на малый отрезок проводника с током.

Ампер также показал, что свойства постоянных магнитов могут быть объяснены, если предположить, что в молекулах намагниченных тел циркулируют постоянные электрические токи (молекулярный ток). Таким образом, согласно Амперу, все магнитные явления осуществляются вследствие взаимодействия токов, магнитных же зарядов не существует. С открытием Эрстеда и Ампера обычно связывают рождение электродинамики как науки.

В 1830–1840 годах в развитие электродинамики внёс большой вклад английский учёный Майкл Фарадей - создатель общего учения об электромагнитных явлениях, в котором уже электрические и магнитные процессы рассматриваются с единой точки зрения. С помощью опытов он доказал, что действие электрических зарядов и токов не зависит от способа их получения. В 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции - возбуждения электрического тока в контуре, который находится в переменном магнитном поле. Это явление, которое наблюдал также в 1832 г. американский учёный Джозеф Генри, положило начало бурному развитию электротехники.

В 1833–34 годах Фарадей установил законы электролиза. В дальнейшем он пытался также доказать взаимосвязь электрических и магнитных явлений с оптическими и открыл поляризацию диэлектриков (1837 г.), явления парамагнетизма и диамагнетизма (1845 г.), магнитное вращение плоскости поляризации света (1845 г., «эффект Фарадея») и прочее.

Фарадей предположил, что наблюдаемое взаимодействие электрических зарядов и токов осуществляется через создаваемые ими в пространстве электрические и магнитные поля, вводя таким образом эти поля как реальные физические объекты. Он исходил из концепции близкого взаимодействия, близкодействия, отрицая распространённую в то время концепцию дальнодействия, согласно которой тела действуют друг на друга через пустоту. При этом Фарадей ввёл также понятие силовых линий как неких механических натяжений в гипотетической среде - эфире. Идеи Фарадея о реальности электромагнитного поля не сразу получили признание.

Первая математическая формулировка законов электромагнитной индукции была дана немецким физиком Францем Нейманом в 1845 году. Им также были введены важные понятия само- и взаимоиндукции токов. Значение этих понятий полностью было раскрыто, когда английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) развил теорию электрических колебаний в контуре, составленном из конденсатора (электроёмкости) и катушки (индуктивности, 1853 г.).

Большое значение для развития электродинамики имело создание новых приборов и методов измерения, а также единая система электрических и магнитных единиц измерения, созданная Гауссом и немецким физиком Вильгельмом Вебером (Гауссова система единиц). В 1846 г. Вебер указал на связь силы тока с плотностью электрических зарядов в проводнике и скоростью их упорядоченного перемещения. Он также установил закон взаимодействия движущихся точечных зарядов, содержащий новую универсальную электродинамическую постоянную, которая была отношением электростатических и магнитных единиц заряда и имела размерность скорости. При экспериментальном определении этой постоянной (Вебер и Фридрих Кольрауш, Германия, 1856 г.) было получено значение, близкое к скорости света, что явилось определённым указанием на связь электромагнитных явлений с оптическими.

В 1861–73 годах электродинамика получила своё развитие и завершение в работах Джеймса Максвелла. Опираясь на эмпирические законы электромагнитных явлений и вводя гипотезу о порождении магнитного поля переменным электрическим полем, Максвелл сформулировал фундаментальные уравнения классической электродинамики, названные его именем. При этом он, подобно Фарадею, рассматривал электромагнитные явления как некоторую форму механических процессов в эфире. Из уравнений Максвелла следует важное следствие - существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света.

После экспериментов немецкого физика Генриха Герца (1886–89 гг.), обнаружившего существование электромагнитных волн, теория Максвелла получила решающее подтверждение. Вслед за открытием Герца были предприняты попытки установить беспроводную связь с помощью электромагнитных волн, которые завершились созданием радио (Гульельмо Маркони, Александр Степанович Попов, 1896 г.).

Уравнения Максвелла легли в основу электромагнитной теории света.

В конце ХІХ-го - начала ХХ-го веков начался новый этап развития электродинамики. Исследование электрических разрядов в газах увенчалось открытием английским физиком Джеймсом Томсоном дискретности электрических зарядов. В 1897 году Томсон измерил отношение заряда электрона к его массе, а в 1898 году определил абсолютную величину заряда электрона. Голландский физик Хендрик Лоренц, опираясь на открытие Томсона и молекулярно-кинетическую теорию, заложил основы электронной теории строения веществ.

В классической электронной теории вещество рассматривается как совокупность электрически заряженных частиц, движение которых подчиняется законам классической механики. Уравнения Максвелла получаются из уравнений электронной теории статистическим усреднением. Попытки применить законы классической электродинамики к исследованию электромагнитных процессов в движущихся средах натолкнулись на существенные трудности. Пытаясь их решить, Альберт Эйнштейн пришёл (1905 г.) к теории относительности. Эта теория окончательно опровергла идею существования эфира, наделённого механическими свойствами.

После создания теории относительности стало очевидным, что законы электродинамики могут быть сведены к законам классической механики. На малых пространственно-временных промежутках становятся существенными квантовые свойства электромагнитного поля, не учтённые классической электродинамикой. Квантовая теория электромагнитных процессов - квантовая электродинамика - была создана во 2-й четверти ХХ века.

С открытием новых фактов и созданием новых теорий значение классической электродинамики не уменьшилось, были определены только границы её применения. В этих пределах уравнения Максвелла и классическая электронная теория сохраняют силу, являясь фундаментом большинства разделов электротехники, электроники и оптики (исключение составляет квантовая электроника).

С помощью уравнений Максвелла решаются многочисленные проблемы поведения плазмы в лабораторных условиях и в космосе, многие задачи теоретического и прикладного характера.

Во времена Максвелла было две теории электричества: теория силовых линий Фарадея и теория, разработанная великими французами Шарлем Кулоном, Андре-Мари Ампером, Жаном-Батистом Био, Феликсом Саваром, Домиником Франсуа Жаном Араго и Пьером-Симоном Лапласом. Исходная точка французов - представление о так называемом «далёком действии» - мгновенности действия одного тела на другое на расстоянии без помощи какой-то промежуточной среды. Эти учёные были в плену авторитета великого Ньютона и в плену созданных им математических формул (закон всемирного тяготения).

Взгляды Фарадея в корне расходились с представлениями французов. Это был «ум, который никогда не застревал в формулах» по выражению Эйнштейна. Максвелл впоследствии писал: «Возможно, для науки счастливым обстоятельством было то, что Фарадей не был математиком, хотя он был в совершенстве знаком с понятиями пространства, времени и сил».

Реалистично мыслящий Фарадей был абсолютно убеждён, что материя не может действовать там, где её нет, поэтому должна быть какая-то материальная среда, заполняющая даже «пустое» пространство и сквозь которую от точки к точке передаётся электрическое и магнитное воздействие. Среду, через которую передаётся действие, Фарадей назвал «полем». «Поле», считал он, пронизано электрическими и магнитными «силовыми линиями». Силовые линии одновременно определяют направление и величину силы, действующей на заряд. Однако сторонники дальнодействия не принимали всерьёз теоретических построений Фарадея.

Именно в это время двадцатипятилетний Джеймс Максвелл начинает свою борьбу за Фарадеевскую теорию. К Фарадеевской концепции поля Максвелл присоединяется безоговорочно. Нравятся ему и силовые линии Фарадея. Максвеллу также нравится, что Фарадей признаёт рациональное зерно, которое есть в работах, чуждых ему по духу и манере исследования, например, Ампера. Так, он принимает вполне идею кругового магнитного поля, окружающего провод с электрическим током. И Ампер, и Фарадей считали, что каждый электрический ток охвачен магнитным полем.

В предвидении электромагнитных волн Максвелл значительно опередил своё время. Правда, он не мог знать, что Фарадей ещё в 1832 году оставил в Королевском обществе конверт для сохранения в архивах общества. В 1938 году, через 106 лет конверт был открыт в присутствии многих английских учёных. На пожелтевшем письме были записаны слова, из которых выяснилось, что Фарадей ясно представлял, что индуктивные явления распространяются в пространстве с некоторой скоростью, причём в виде волн: «В настоящее время, насколько мне известно, никто из учёных, кроме меня, не имеет подобных взглядов».

И Фарадей, и Максвелл не дожили до полной победы своих взглядов.

Режим Максвелла был непостижимым: он спал с пяти до половины десятого вечера. Затем работал до двух часов ночи. С двух до половины третьего занимался гимнастикой, беганьем по лестнице и коридорам преподавательского общежития. Затем спал до семи часов утра. С семи часов утра - новый рабочий день.

Оба они умерли до того, как российские учёные Николай Николаевич Шиллер, Пётр Алексеевич Зилов, Сергей Яковлевич Терещин, Пётр Николаевич Лебедев и немецкие физики Георг Герц и Людвиг Больцман доказали полную справедливость теории электромагнитного поля Максвелла и Фарадея. После изданного «Трактата об электричестве и магнетизме», в котором сформулирована максвелловская теория электромагнитного поля, Максвелл с целью популяризации распространения своих идей хотел написать книгу «Электричество в элементарном изложении», но, к сожалению, заболел раком и не успел написать книгу. 5 октября 1879 г. Джеймса Максвелла не стало.

«Зачем, когда так ярко светит Солнце
Зачем, когда надежды с нами
Зачем, когда прекрасна жизнь
Такая боль приходит?»

Джеймс Клерк Максвелл.

Основная память о Максвелле - это память о единственном в истории человеке, в честь которого существует столько названий - это уравнения Максвелла, электродинамика Максвелла, правило Максвелла, ток Максвелла, наконец, Максвелл - единица магнитного потока в системе CГСЭ–СГСМ. Все приведенные названия относятся к области физики, которой Максвелл посвятил жизнь - электродинамике, теории электромагнитного поля.

Д.Ю. Сигаловский