Развитие электродинамики. Предмет классической электродинамики
Предмет классической электродинамики
Классическая электродинамика – это теория, объясняющая поведение электромагнитного поля, осуществляющего электромагнитное взаимодействие между электрическими зарядами.
Законы классической макроскопической электродинамики сформулированы в уравнениях Максвелла, которые позволяют определять значения характеристик электромагнитного поля: напряженности электрического поля Е и магнитной индукции В в вакууме и в макроскопических телах в зависимости от распределения в пространстве электрических зарядов и токов.
Взаимодействие неподвижных электрических зарядов описывается уравнениями электростатики, которые можно получить как следствие уравнений Максвелла.
Микроскопическое электромагнитное поле, создаваемое отдельными заряженными частицами, в классической электродинамике определяется уравнениями Лоренца-Максвелла, которые лежат в основе классической статистической теории электромагнитных процессов в макроскопических телах. Усреднение этих уравнений приводит к уравнениям Максвелла.
Среди всех известных видов взаимодействия электромагнитное взаимодействие занимает первое место по широте и разнообразию проявлений. Это связано с тем, что все тела построены из электрически заряженных (положительных и отрицательных) частиц, электромагнитное взаимодействие между которыми, с одной стороны, на много порядков интенсивнее гравитационного и слабого, а с другой – является дальнодействующим в отличие от сильного взаимодействия.
Электромагнитным взаимодействием определяется строение атомных оболочек, сцепление атомов в молекулы (силы химической связи) и образование конденсированного вещества (межатомное взаимодействие, межмолекулярное взаимодействие).
Законы классической электродинамики неприменимы при больших частотах и, соответственно, малых длинах электромагнитных волн, т.е. для процессов, протекающих на малых пространственно-временных интервалах. В этом случае справедливы законы квантовой электродинамики.
1.2. Электрический заряд и его дискретность.
Теория близкодействия
Развитие физики показало, что физические и химические свойства вещества во многом определяются силами взаимодействия, обусловленными наличием и взаимодействием электрических зарядов молекул и атомов различных веществ.
Известно, что в природе существуют два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные. Они могут существовать в виде элементарных частиц: электронов, протонов, позитронов, положительных и отрицательных ионов и др., а также "свободного электричества", но только в виде электронов. Поэтому положительно заряженное тело представляет собой совокупность электрических зарядов с недостатком электронов, а отрицательно заряженное тело – с их избытком. Заряды различных знаков компенсируют друг друга, следовательно, в незаряженных телах всегда имеются заряды обеих знаков в таких количествах, что их суммарное действие скомпенсировано.
Процесс перераспределения положительных и отрицательных зарядов незаряженных тел, или среди отдельных частей одного и того же тела, под влиянием различных факторов называется электризацией .
Так как при электризации происходит перераспределение свободных электронов, то электризуются, например, оба взаимодействующих тела, причем одно из них положительно, а другое – отрицательно. Количество же зарядов (положительных и отрицательных) при этом остается неизменным.
Отсюда следует вывод, что заряды не создаются и не исчезают, а лишь перераспределяются между взаимодействующими телами и частями одного и того же тела, в количественном отношении оставаясь неизменными.
В этом заключается смысл закона сохранения электрических зарядов, который математически можно записать так:
т.е. в изолированной системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается величиной постоянной.
Под изолированной системой понимают такую систему, через границы которой не проникает никакое другое вещество, за исключением фотонов света, нейтронов, так как они не несут заряда.
Надо иметь в виду, что полный электрический заряд изолированной системы является релятивистки инвариантным, т.к. наблюдатели, находящиеся в любой заданной инерциальной системе координат, измеряя заряд, получают одно и то же значение.
Ряд экспериментов, в частности законы электролиза, опыт Милликена с каплей масла, показали, что в природе электрические заряды дискретны заряду электрона. Любой заряд кратен целому числу заряда электрона.
В процессе электризации заряд изменяется дискретно (квантуется) на величину заряда электрона. Квантование заряда является универсальным законом природы.
В электростатике изучаются свойства и взаимодействия зарядов, неподвижных в той системе отсчета, в которой они находятся.
Наличие у тел электрического заряда вызывает взаимодействие их с другими заряженными телами. При этом тела, заряженные одноименно, отталкиваются, а заряженные разноименно – притягиваются.
Теория близкодействия – одна из теорий взаимодействия в физике. Под взаимодействием в физике понимают всякое воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения.
В механике Ньютона взаимное действие тел друг на друга количественно характеризуется силой. Более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия.
Первоначально в физике утвердилось представление о том, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействия. Передача взаимодействия происходит мгновенно. Так, считалось, что перемещение Земли должно сразу же приводить к изменению силы тяготения, действующей на Луну. В этом состоял смысл так называемой теории взаимодействия, получившей название теория дальнодействия. Однако эти представления были оставлены как не соответствующие действительности после открытия и исследования электромагнитного поля.
Было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно и перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а лишь спустя конечное время.
Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие частицы, т.е. взаимодействие передается через "посредника" – электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости распространения света в вакууме. Возникла новая теория взаимодействия теория близкодействия.
Согласно данной теории, взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение посредством гравитационного поля), непрерывно распределенных в пространстве.
После появления квантовой теории поля представление о взаимодействиях существенно изменилось.
Согласно квантовой теории, любое поле является не непрерывным, а имеет дискретную структуру.
Вследствие корпускулярно-волнового дуализма, каждому полю соответствуют определенные частицы. Заряженные частицы непрерывно испускают и поглощают фотоны, которые и образуют окружающее их электромагнитное поле. Электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами (квантами) электромагнитного поля, т.е. фотоны являются переносчиками такого взаимодействия. Аналогично другие виды взаимодействий возникают в результате обмена частиц квантами соответствующих полей.
Несмотря на многообразие воздействий тел друг на друга (зависящих от взаимодействия слагающих их элементарных частиц), в природе, по современным данным, имеется лишь четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное (в порядке возрастания интенсивности взаимодействия). Интенсивности взаимодействий определяются константами связи (в частности, электрический заряд для электромагнитного взаимодействия является константой связи).
Современная квантовая теория электромагнитного взаимодействия превосходно описывает все известные электромагнитные явления.
В 60 – 70-х годах века в основном построена единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий (так называемое электрослабое взаимодействие) лептонов и кварков.
Современной теорией сильного взаимодействия является квантовая хромодинамика.
Делаются попытки объединения электрослабого и сильного взаимодействий в так называемое "Великое объединение", а также включения их в единую схему гравитационного взаимодействия.
§ 1. Закон Кулона
§ 2. Напряженность электрического поля
§ 3. Теорема Гаусса
§ 4. Дифференциальная форма теоремы Гаусса
§ 5. Второе уравнение электростатики и скалярный потенциал
§ 6. Поверхностные распределения зарядов и диполей. Скачки электрического поля и потенциала
§ 7. Уравнения Лапласа и Пуассона
§ 8. Теорема Грина
§ 9. Единственность решения при граничных условиях Дирихле или Неймана
§ 10. Формальное решение граничных задач электростатики с помощью функции Грина
§ 11. Потенциальная энергия и плотность энергии электростатического поля
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Метод изображений
§ 2. Точечный заряд вблизи заземленного сферического проводника
§ 3. Точечный заряд вблизи заряженного изолированного сферического проводника
§ 4. Точечный заряд вблизи сферического проводника с заданным потенциалом
§ 5. Сферический проводник в однородном электрическом поле
§ 6. Метод инверсии
§ 7. Функция Грина для сферы. Общее выражение для потенциала
§ 8. Две примыкающие проводящие полусферы, имеющие различный потенциал
§ 9. Разложение по ортогональным функциям
§ 10. Разделение переменных. Уравнение Лапласа в декартовых координатах
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Уравнение Лапласа в сферических координатах
§ 2. Уравнение Лежандра и полиномы Лежандра
§ 3. Граничные задачи с азимутальной симметрией
§ 4. Присоединенные функции Лежандра и сферические гармоники
§ 5. Теорема сложения для сферических гармоник
§ 6. Уравнение Лапласа в цилиндрических координатах. Функции Бесселя
§ 7. Граничные задачи в цилиндрических координатах
§ 8. Разложение функций Грина в сферических координатах
§ 9. Нахождение потенциала с помощью разложений для сферических функций Грина
§ 10. Разложение функций Грина в цилиндрических координатах
§ 11. Разложение функций Грина по собственным функциям
§ 12. Смешанные граничные условия. Заряженный проводящий диск
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Разложение по мультиполям
§ 2. Разложение по мультиполям энергии распределения зарядов во внешнем поле
§ 3. Макроскопическая электростатика. Эффекты совокупного действия атомов
§ 4. Изотропные диэлектрики и граничные условия
§ 5. Граничные задачи при наличии диэлектриков
§ 6. Поляризуемость молекул и диэлектрическая восприимчивость
§ 7. Модели поляризуемости молекул
§ 8. Энергия электрического поля в диэлектрике
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Введение и основные определения
§ 2. Закон Био и Савара
§ 3. Дифференциальные уравнения магнитостатики и закон Ампера
§ 4. Векторный потенциал
§ 5. Векторный потенциал и магнитная индукция кругового витка тока
§ 6. Магнитное поле ограниченного распределения токов. Магнитный момент
§ 7. Сила и момент, действующие на ограниченное распределение тока во внешнем магнитном поле
§ 8. Макроскопические уравнения
§ 9. Граничные условия для магнитной индукции и поля
§ 10. Однородно намагниченный шар
§ 11. Намагниченный шар во внешнем поле. Постоянные магниты
§ 12. Магнитное экранирование. Сферическая оболочка из магнитного материала в однородном поле
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Закон индукции Фарадея
§ 2. Энергия магнитного поля
§ 3. Максвелловский ток смещения. Уравнения Максвелла
§ 4. Векторный и скалярный потенциалы
§ 5. Калибровочные преобразования. Лоренцовская калибровка. Кулоновская калибровка
§ 6. Функция Грина для волнового уравнения
§ 7. Задача с начальными условиями. Интегральное представление Кирхгофа
§ 8. Теорема Пойнтинга
§ 9. Законы сохранения для системы заряженных частиц и электромагнитных полей
§ 10. Макроскопические уравнения
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Плоские волны в непроводящей среде
§ 2. Линейная и круговая поляризация
§ 3. Суперпозиция волн в одном измерении. Групповая скорость
§ 4. Примеры распространения импульсов в диспергирующей среде
§ 5. Отражение и преломление электромагнитных волн на плоской границе раздела между диэлектриками
§ 6. Поляризация при отражении и полное внутреннее отражение
§ 7. Волны в проводящей среде
§ 8. Простая модель проводимости
§ 9. Поперечные волны в разреженной плазме
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Поля на поверхности и внутри проводника
§ 2. Цилиндрические резонаторы и волноводы
§ 3. Волноводы
§ 4. Волны в прямоугольном волноводе
§ 5. Поток энергии и затухание в волноводах
§ 6. Резонаторы
§ 7. Потери мощности в резонаторе. Добротность резонатора
§ 8. Диэлектрические волноводы
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Поля, создаваемые ограниченными колеблющимися источниками
§ 2. Электрическое дипольное поле и излучение
§ 3. Магнитные дипольные и электрические квадрупольные поля
§ 4. Линейная антенна с центральным возбуждением
§ 5. Интеграл Кирхгофа
§ 6. Векторные эквиваленты интеграла Кирхгофа
§ 7. Принцип Бабине для дополнительных экранов
§ 8. Дифракция на круглом отверстии
§ 9. Дифракция на малых отверстиях
§ 10. Рассеяние коротких волн проводящей сферой
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Введение и основные понятия
§ 2. Уравнения магнитной гидродинамики
§ 3. Магнитная диффузия, вязкость и давление
§ 4. Магнитогидродинамический поток между границами в скрещенных электрическом и магнитном полях
§ 5. Пинч-эффект
§ 6. Динамическая модель пинч-эффекта
§ 7. Неустойчивости сжатого плазменного столба
§ 8. Магнитогидродинамические волны
§ 9. Высокочастотные плазменные колебания
§ 10. Коротковолновые плазменные колебания. Дебаевский радиус экранирования
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Исторические предпосылки и основные эксперименты
§ 2. Постулаты специальной теории относительности и преобразование Лоренца
§ 3. Сокращение Фицджеральда-Лоренца и замедление времени
§ 4. Сложение скоростей. Аберрация и опыт Физо. Допплеровское смещение
§ 5. Прецессия Томаса
§ 6. Собственное время и световой конус
§ 7. Преобразования Лоренца как ортогональные преобразования в четырехмерном пространстве
§ 8. Четырехвекторы и четырехтензоры. Ковариантность уравнений физики
§ 9. Ковариантность уравнений электродинамики
§ 10. Преобразование электромагнитного поля
§ 11. Ковариантность выражения для силы Лоренца и законов сохранения
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Импульс и энергия частицы
§ 2. Кинематика осколков при распаде нестабильной частицы
§ 3. Преобразование к системе центра масс и пороги реакций
§ 4. Преобразование импульса и энергии из системы центра масс в лабораторную систему
§ 5. Ковариантные уравнения движения. Лагранжиан и гамильтониан для релятивистской заряженной частицы
§ 6. Релятивистские поправки первого порядка для лагранжиан взаимодействующих заряженных частиц
§ 7. Движение в однородном статическом магнитном поле
§ 8. Движение в однородных статических электрическом и магнитном полях
§ 9. Дрейф частиц в неоднородном статическом магнитном поле
§ 10. Адиабатическая инвариантность магнитного потока сквозь орбиту частицы
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Передача энергии при кулоновских соударениях
§ 2. Передача энергии гармоническому осциллятору
§ 3. Классическое и квантовомеханическое выражение для потерь энергии
§ 4. Влияние плотности на потери энергии при соударении
§ 5. Потери энергии в электронной плазме
§ 6. Упругое рассеяние быстрых частиц атомами
§ 7. Среднеквадратичное значение угла рассеяния и угловое распределение при многократном рассеянии
§ 8. Электропроводность плазмы
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Потенциалы Лиенара-Вихерта и поле точечного заряда
§ 2. Полная мощность, излучаемая ускоренно движущимся зарядом. Формула Лармора и ее релятивистское обобщение
§ 3. Угловое распределение излучения ускоряемого заряда
§ 4. Излучение заряда при произвольном ультрарелятивистском движениим
§ 5. Спектральное и угловое распределения энергии, излучаемой ускоренными зарядами
§ 6. Спектр излучения релятивистской заряженной частицы при мгновенном движении по окружности
§ 7. Рассеяние на свободных зарядах. Формула Томсона
§ 8. Когерентное и некогерентное рассеяние
§ 9. Излучение Вавилова-Черенкова
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Излучение при соударениях
§ 2. Тормозное излучение при нерелятивистских кулоновских соударениях
§ 3. Тормозное излучение при релятивистском движении
§ 4. Влияние экранирования. Потери на излучение в релятивистском случае
§ 5. Метод виртуальных фотонов Вейцзеккера-Вильямса
§ 6. Тормозное излучение как рассеяние виртуальных фотонов
§ 7. Излучение при бета-распаде
§ 8. Излучение при захвате орбитальных электронов. Исчезновение заряда и магнитного момента
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Собственные функции скалярного волнового уравнения
§ 2. Разложение электромагнитных полей по мультиполям
§ 3. Свойства полей мультиполей. Энергия и момент количества движения мультипольного излучения
§ 4. Угловое распределение мультипольного излучения
§ 5. Источники мультипольного излучения. Мультипольные моменты
§ 6. Мультипольное излучение атомных и ядерных систем
§ 7. Излучение линейной антенны с центральным возбуждением
§ 8. Разложение векторной плоской волны по сферическим волнам
§ 9. Рассеяние электромагнитных волн на проводящей сфере
§ 10. Решение граничных задач с помощью разложений по мультиполям
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Вводные замечания
§ 2. Определение силы реакции излучения из закона сохранения энергии
§ 3. Вычисление силы реакции излучения по Абрагаму и Лоренцу
§ 4. Трудности модели Абрагама-Лоренца
§ 5. Трансформационные свойства модели Абрагама-Лоренца. Натяжения Пуанкаре
§ 6. Ковариантное определение собственной электромагнитной энергии и импульса заряженной частицы
§ 7. Интегро-дифференциальное уравнение движения с учетом радиационного затухания
§ 8. Ширина линии и сдвиг уровня для осциллятора
§ 9. Рассеяние и поглощение излучения осциллятором
Рекомендуемая литература
Задачи
§ 1. Единицы измерения и размерности. Основные и производные единицы
§ 2. Единицы измерения и уравнения электродинамики
§ 3. Различные системы электромагнитных единиц
§ 4. Перевод формул и численных значений величин из гауссовой системы единиц в систему МКС
Определение 1
Электродинамика – это теория, что рассматривает электромагнитные процессы в вакууме и различных средах.
Электродинамика охватывает совокупность процессов и явлений, в которых ключевую роль играют действия между заряженными частицами, что осуществляются посредством электромагнитного поля.
История развития электродинамики
История развития электродинамики – это история эволюции традиционных физических понятий. Еще до середины 18 столетия были установлены важные опытные результаты, что обусловлены электричеством:
- отталкивание и притяжение;
- деление вещество на изоляторы и проводники;
- существование двух типов электричества.
Также достигнуты немалые результаты в изучении магнетизма. Применение электричества начиналось со второй половины 18 столетия. Возникновение гипотезы об электричестве как особенной материальной субстанции связано с именем Франклина (1706-1790 гг.) А в 1785 году Кулон установил закон взаимодействия точечных зарядов.
Вольт (1745-1827 гг.) изобрел множество электроизмерительных приборов. В 1820 году был установлен закон, что определял механическую силу, с которой магнитное поле воздействует на элемент электрического тока. Данное явление приобрело название закон Ампера. Также Ампер установил закон силового воздействия нескольких токов. В 1820 году Эрстед открыл магнитное действие электрического тока. В 1826 году установлен закон Ома.
В физике особое значение имеет гипотеза молекулярных токов, которая была предложена Ампером еще в 1820 году. Фарадей в 1831 году открыл закон электромагнитной индукции. Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879 гг.) в 1873 году изложил уравнения, которые позже стали теоретической базой электродинамики. Следствием уравнений Максвелла является предсказание электромагнитной природы света. Также он предсказал возможность существования электромагнитных волн.
Со временем в физической науке сложилось представление об электромагнитном поле как о независимой материальной сущности, которая является неким носителем электромагнитных взаимодействий в пространстве. Различные магнитные и электрические явления всегда пробуждали интерес людей.
Зачастую под термином «электродинамика» понимается традиционная электродинамика, которая описывает только непрерывные свойства электромагнитного поля.
Электромагнитное поле – это главный предмет изучения электродинамики, а также особый вид материи, который проявляется при взаимодействии с заряженными частицами.
Попов А.С. в 1895 году изобрел радио. Именно оно оказало ключевой воздействие на дальнейшее развитие техники и науки. При помощи уравнений Максвелла можно описать все электромагнитные явления. Уравнения устанавливают взаимосвязь величин, которые характеризуют магнитные и электрические поля, распределяя в пространстве токи и заряды.
Рисунок 1. Развитие учения об электричестве. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Становление и развитие традиционной электродинамики
Ключевым и наиболее значимым шагом в развитии электродинамики стало открытие Фарадея – явление электромагнитной индукции (возбуждение электродвижущей силы в проводниках при помощи переменного электромагнитного поля). Именно это стало основой электротехники.
Майкл Фарадей – это английский физик, который родился в семье кузнеца в Лондоне. Он окончил начальную школу и с 12 лет работал разносчиком газет. В 1804 году он стал учеником французского эмигранта Рибо, который поощрял стремление Фарадея к самообразованию. На лекциях он стремился пополнить свои знания по естественным наукам химии и физике. В 1813 году ему подарили билет на лекции Гемфри Дэви, которые сыграли решающую роль в его судьбе. С его помощью Фарадей получил место ассистента в Королевском институте.
Научная деятельность Фарадея проходила в Королевском институте, где он сначала помогал Дэви в его химических экспериментах, после чего начал проводить их самостоятельно. Фарадей получил бензол, осуществив снижение хлора и других газов. В 1821 году он обнаружил, как вращается магнит вокруг проводника с током, создав при этом первую модель электродвигателя.
На протяжении последующих 10 лет Фарадей занимается исследованием связей между магнитными и электрическими явлениями. Все его исследования были увенчаны открытием явления электромагнитной индукции, что свершилось в 1831 году. Он детально изучил это явление, а также сформировал его основной закон, в ходе которого выявил зависимость индукционного тока. Также Фарадей исследовал явления замыкания, размыкания и самоиндукции.
Открытие электромагнитной индукции произвело научное значение. Данное явление лежит в основе всех генераторов переменного и постоянного тока. Поскольку Фарадей постоянно стремился выявить природу электрического тока, это привело его к проведению экспериментов по прохождению тока через растворы солей, кислот и щелочей. В результате проведения этих исследований появился закон электролиза, который был открыт в 1833 году. В этом году он открывает вольтметр. В 1845 году Фарадей открыл явление поляризации света в магнитном поле. В этом году он также открыл диамагнетизм, а в 1847 году – парамагнетизм.
Замечание 1
На развитие всей физики ключевое влияние оказали идеи Фарадея о магнитном и электрическом полях. В 1832 году он высказал мысль о том, что распространение электромагнитных явлений – это волновой процесс, который происходит с конечной скоростью. В 1845 году Фарадей впервые употребляет термин «электромагнитное поле».
Открытия Фарадея получили широкую популярность во всем научном мире. В его честь Британское химическое общество учредило медаль Фарадея, которая стала почетной научной наградой.
Объясняя явления электромагнитной индукции и встретившись с затруднениями, Фарадей высказал предположение о реализации электромагнитных взаимодействий при помощи электрического и магнитного поля. Это все положило начало созданию концепции электромагнитного поля, что была оформлена Джеймсом Максвеллом.
Вклад Максвелла в развитие электродинамики
Джеймс Клерк Максвелл – это английский физик, который родился в Эдинбурге. Именно под его руководством создана Кавендишская лаборатория в Кембридже, которую он возглавлял всю свою жизнь.
Работы Максвелла посвящаются электродинамике, общей статистике, молекулярной физике, механике, оптике, а также теории упругости. Наиболее значимый вклад он сделал в электродинамику и молекулярную физику. Одним из основателей кинетической теории газов является Максвелл. Он установил функции распределения молекул по скоростям, что основаны на рассмотрении обратных и прямых столкновений максвелл развил теорию переноса в общем виде и применил ее к процессам диффузии, внутреннего трения, теплопроводности, а также ввел понятие релаксации.
В 1867 году он впервые показал статистическую природу термодинамики, а в 1878 году ввел понятие «статистическая механика». Наиболее значимым научным достижением Максвелла является созданная им теория электромагнитного поля. В своей теории он использует новое понятие «ток смещения » и дает определение электромагнитного поля.
Замечание 2
Максвелл предсказывает новый важный эффект: существование электромагнитного излучения и электромагнитных волн в свободном пространстве, а также распространение их со скоростью света. Также он сформулировал теорему в теории упругости, устанавливая соотношение между ключевыми теплофизическими параметрами. Максвелл развивает теорию цветного зрения, исследует устойчивость колец Сатурна. Он показывает, что кольца не являются жидкими или твердыми, они представляют собой рой метеоритов.
Максвелл был известным популяризатором физических знаний. Содержание его четырех уравнений электромагнитного поля сводятся к следующему:
- Магнитное поле зарождается при помощи движущихся зарядов и переменного электрического поля.
- Электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями зарождается при помощи переменного магнитного поля.
- Линии магнитного поля всегда замкнуты. Данное поле не имеет магнитных зарядов, которые подобны электрическим.
- Электрическое поле, которое имеет незамкнутые силовые линии, порождается электрическими зарядами, что являются источниками данного поля.
Состоит из двух частей: макроскопической Е., базирующаяся на уравнениях Максвелла, и классической электронной теории.
Основные уравнениями классической электродинамики является уравнения Максвелла, устанавливающих связь величин, характеризующих электрические и магнитные поля, с распределением в пространстве зарядов и токов. Суть четырех уравнений Максвелла для электромагнитного поля качественно сводится к следующему:
1. Магнитное поле порождается движущимися зарядами и переменным электрическим полем;
2. Электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (вихревое поле) порождается переменным магнитным полем;
3. Силовые линии магнитного поля всегда замкнуты (это означает, что оно не имеет источников – магнитных зарядов, подобных электрическим);
4. Электрическое поле с незапертой силовыми линиями (потенциальное поле) порождается электрическими зарядами – источниками этого поля. Из теории Максвелла вытекает конечность скорости распространения электромагнитных взаимодействий и существовании электромагнитных волн.
В классической электродинамике рассматриваются также электромагнитные волны, их излучение и распространение в пространстве.
Отдельным разделом классической электродинамики является электродинамика сплошных сред, в которой рассматривается отзыв физических сред на возмущения внешним электрическим и магнитным полем.
Книга представляет собой курс лекций по классической электродинамике, который читался автором на протяжении многих лет в бакалавриате физического факультета Санкт-Петербургского (Ленинградского) государственного университета. Основу курса составляют фундаментальные принципы, такие как уравнения Максвелла и принцип относительности, объединенные в релятивистской ковариантной форме уравнений электродинамики. На их базе последовательно излагаются основные идеи и методы электростатики, теории излучения, электродинамики сплошных сред и теории волноводов. Материал представлен с высокой степенью математической строгости, которая органично соединяется с ясным изложением физического содержания. Книга может быть полезна всем, кто, имея элементарные знания в области электрических явлений и математического анализа, хотел бы получить ясное и математически строгое представление, как о теоретических основах, так и о методах решения самых сложных задач электродинамики.
Фрагмент из книги.
Резюме: при рассмотрении радиотехнических задач типа "как излучает данная антенна" нас интересует, разумеется, только создаваемое ей самой поле и для исключения внешних свободных полей на потенциалы естественно накладывать нужные по смыслу асимптотические условия на бесконечности. При такой постановке приведенные выше калибровочные условия фиксируют потенциалы однозначно. Но если нас интересуют сами свободные поля (что естественно при постановке задач, например, в квантовой теории поля), то нельзя накладывать условия, которые эти самые поля исключают.
Предисловие
1 Общее введение
1.1 Уравнения Максвелла.
1.2 Математическое отступление: соглашения об обозначениях, справочные формулы.
1.3 Интегральная форма уравнений Максвелла.
1.4 Соотношение между дифференциальной и интегральной формами уравнений Максвелла при наличии поверхностей разрыва. Краевые условия (условия сшивания).
1.5 Уравнение непрерывности, закон сохранения заряда.
1.6 Переход от напряженностей к потенциалам. Уравнения Максвелла для потенциалов.
1.7 Калибровочпые преобразования и калибровочные условия.
2 Релятивистски-ковариантная формулировка электродинамики
2.1 Обозначения.
2.2 Тензоры на группе вращений SO3 и на группе 0з.
2.3 Тензорные поля.
2.4 Электродинамика и принцип относительности.
2.5 Преобразования Лоренца, общие свойства.
2.6 Собственные преобразования Лоренца. Явный вид преобразований перехода к движущейся системе отсчета..
2.7 Релятивистский закон сложения скоростей. Сокращение масштабов и растяжение времени.
2.8 Тензоры и тензорные поля на группе Лоренца.
2.9 Тензорная природа потенциалов и напряженностей.
2.10 Ковариантная формулировка уравнений Максвелла для потенциалов.
2.11 Поперечность К, уравнение непрерывности, калибровочная инвариантность уравнений Максвелла, калибровочные условия.
2.12 Общие соображения о виде уравнений Максвелла для потенциалов.
2.13 Ковариантная запись уравнений Максвелла для напряженностей.
2.14 Преобразования потенциалов и напряженностей при переходе к движущейся системе отсчета.
2.15 Электродинамика с позиций теоретической механики. Функционал действия для электромагнитного поля.
2.16 Тензор энергии-импульса. Законы сохранения энергии и импульса.
2.17 Элементы релятивистской динамики точечной частицы. Сила Лоренца.
3 Статика
3.1 Основные соотношения.
3.2 Решение уравнения Пуассона.
3.3 Мультипольные разложение скалярного потенциала
в электростатике. Мультипольные моменты и их свойства.
3.4 Мультиполыюе разложение векторного потенциала Л в магнитостатике. Магнитный момент произвольной системы токов.
3.5 Силы и момепты сил. действующие па распределенные источники.
3.6 Потенциальная энергия системы зарядов или токов
в заданном внешнем поле.
3.7 Собственная потенциальная энергия системы зарядов или токов (энергия в собственном поле).
3.8 Диэлектрики и магнетики (статика).
3.9 Основы термодинамики диэлектриков и магнетиков. Объемные силы в диэлектриках и магнетиках.
3.10 Краевые задачи электростатики и методы их решения....
4 Динамика
4.1 Постановка задачи, общий вид решения.
4.2 Запаздывающая функция Грина волнового оператора....
4.3 Запаздывающие потенциалы.
4.4 Поле произвольным образом движущегося точечного заряда. Потенциалы Льенара -Вихерта. Мощность излучения и диаграмма направленности.
4.5 Излучение локализованных источников, мультипольное разложение.
4.6 Линейная антенна с центральным возбуждением.
4.7 Динамические уравнения Максвелла в среде.
4.8 Волноводы.
Литература Предметный указатель
Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Классическая электродинамика, краткий курс лекций, учебное пособие, Васильев А.Н., 2010 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.
Предыдущая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства Следующая статья: Чувственное и рациональное в познавательном процессе