Main menu:

Теория Максвелла

Атомы состоят из электрически заряженных частиц: электронов, имеющихДжеймс Максвелл отрицательный заряд, и ядер, положительный заряд которых кратен заряду электрона. Равные и противоположно направленные силы, с которыми два неподвижных заряда действуют друг на друга, подобно гравитации, убывают обратно пропорционально квадрату расстояния. Сила электрического взаимодействия также прямо пропорциональна произведению зарядов, причем одноименные заряды отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Атомы, молекулы, жидкости и твердые тела удерживаются как целое силами электростатического притяжения.

Подобно тому как масса порождает гравитационное поле, электрический заряд создает вокруг себя электрическое поле. Величина и направление напряженности электрического поля Е связаны с распределением зарядов так же, как ускорение в гравитационном поле  с распределением масс. Силовые линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.

Движущиеся электрические заряды создают электрические токи, которые в свою очередь порождают магнитные поля. Связь между током и магнитным полем выражается законом Ампера. Все магнитные поля обязаны своим происхождением электрическим токам.

Когда количество силовых линий магнитного поля, пересекающих рамку из проводника, изменяется со временем, в проводнике возникает ток. Этот ток обусловлен электрическим полем, величина которого пропорциональна скорости изменения числа магнитных силовых линий, пересекающих рамку (эта закономерность отражена в законе электромагнитной индукции Фарадея). На этом принципе основано действие генераторов электрического тока.

Джеймс Клерк Максвелл, основываясь на предшествующих работах Карла Фридриха Гаусса и Джорджа Габриеля Стокса, развил созданную ими векторную алгебру, выразив математически созданное Майклом Фарадеем представление о силовых линиях электрического и магнитного поля и связи силовых линий с движением электрических зарядов. Максвелл пришел к выводу, что для получения согласованной совокупности математических законов необходимо ввести новый источник магнитного поля, т. е. новый вид электрического тока, пропорциональный скорости изменения электрического поля; Максвелл назвал его током смещения.

Из этого предположения Максвелла вытекало важное следствие: изменяющиеся магнитные и электрические поля могут распространяться в пустом пространстве, перенося импульс и энергию. Согласно теории Максвелла, такое изменяющееся во времени электромагнитное поле можно представить в виде плоских монохроматических волн, каждая из которых характеризуется своей частотой и распространяется в определенном направлении с определенной скоростью. Теория предсказывает величину этой скорости, а также ее независимость от частоты. Максвелл отождествил электромагнитные волны, существование которых вытекало из его теории, со световыми волнами. Все предсказываемые теорией Максвелла свойства электромагнитных волн, включая скорость распространения, в точности совпадали с экспериментально обнаруженными свойствами световых волн.

Из теории Максвелла также следовало, что быстро колеблющиеся электрические заряды порождают электромагнитные волны. Генрих Герц подтвердил это, сконструировав первый генератор и первый приемник радиоволн - электромагнитных колебаний с длиной волны больше 100 мкм.

Обобщив теорию Максвелла в двух отношениях, Эйнштейн заложил основы двух великих теорий физики XX в.: теории относительности и квантовой механики. Согласно принципу относительности, законы электромагнетизма (уравнения Максвелла) должны иметь одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета. Представление о фотонах, изложенное Эйнштейном в том же году, когда была опубликована его работа по специальной теории относительности, состоит в том, что поглощение и излучение электромагнитной энергии и импульса носит «квантовый» характер.