Rreth vitit 1860, falë punës së Neumann, Weber, Helmholtz dhe Felici (shih § 11), elektrodinamika u konsiderua si një shkencë e sistemuar përfundimisht, me kufij të përcaktuar qartë. Hulumtimi kryesor tani dukej se duhej të kalonte në rrugën e gjetjes dhe nxjerrjes së të gjitha pasojave nga parimet e vendosura dhe zbatimi i tyre praktik, në të cilin tashmë kishin nisur teknikat shpikëse.

Sidoqoftë, perspektiva e një pune kaq të qetë u shkel nga fizikani i ri skocez James Clark Maxwell (1831-1879), duke treguar një fushë shumë më të gjerë të aplikimit të elektrodinamikës. NGA me arsye të mirë Duem shkroi:

“Asnjë domosdoshmëri logjike nuk e shtyu Maxwell-in të shpikte një elektrodinamikë të re; ai u udhëhoq vetëm nga disa analogji dhe dëshira për të përfunduar punën e Faradeit në të njëjtën frymë si veprat e Kulombit dhe Poissonit u përfunduan nga elektrodinamika e Amperit, dhe gjithashtu, ndoshta, nga një ndjenjë intuitive e natyrës elektromagnetike të dritës " (P. Duhem, Les theories electriques de J. Clerk Maxwell, Paris, 1902, f. tetë).

Ndoshta motivimi kryesor që e bëri Maksuellin të merrte një punë që nuk kërkohej aspak nga shkenca e atyre viteve ishte admirimi për idetë e reja të Faradeit, aq origjinale sa shkencëtarët e asaj kohe nuk ishin në gjendje t'i perceptonin dhe asimilonin ato. Për një brez të fizikantëve teorikë, të rritur mbi konceptet dhe elegancën matematikore të veprave të Laplace, Poisson dhe Ampere, mendimet e Faradeit dukeshin shumë të paqarta, dhe për fizikantët eksperimentalë - shumë të sofistikuara dhe abstrakte. Një gjë e çuditshme ndodhi: Faraday, i cili nuk ishte një matematikan nga trajnimi (ai filloi karrierën e tij si shitës shitës në një librari dhe më pas iu bashkua Laboratorit Davy si gjysmë-asistent, gjysmë-shërbim), ndjeu një nevojë urgjente për të zhvilluar disa metodë teorike, po aq të fuqishme sa ekuacionet matematikore. Maxwell e mori me mend.

"Duke filluar të studioj veprën e Faradeit," shkroi Maxwell në parathënien e Traktatit të tij të famshëm, "kam zbuluar se metoda e tij e të kuptuarit të fenomeneve ishte gjithashtu matematikore, megjithëse nuk ishte paraqitur në formën e simboleve të zakonshme matematikore. Kam gjetur gjithashtu se kjo metodë1 mund të shprehet në formën e zakonshme matematikore dhe kështu të krahasohet me metodat e matematikanëve profesionistë. Për shembull, Faraday pa linjat e forcës, duke depërtuar në të gjithë hapësirën, ku matematikanët panë qendra forcash që tërhiqeshin në distancë; Faraday pa mediumin ku ata nuk panë gjë tjetër veç distancës; Faraday supozoi burimin dhe shkakun e fenomeneve në veprimet reale që ndodhin në një medium, por ata ishin të kënaqur që i gjetën ato në forcën e veprimit në një distancë që i atribuohet lëngjeve elektrike.

Kur përktheva ato që konsideroja idetë e Faradeit në formë matematikore, zbulova se në shumicën e rasteve rezultatet e të dyja metodave përputheshin, kështu që ato shpjegonin të njëjtat fenomene dhe nxirrnin të njëjtat ligje veprimi, por se metodat e Faradeit ishin si ato në të cilat ne. nisen nga e tëra dhe arrijnë tek e veçanta me anë të analizës, ndërsa metodat e zakonshme matematikore bazohen në parimin e lëvizjes nga të veçantat dhe ndërtimit të së tërës me sintezë.

Gjithashtu zbulova se shumë nga metodat e frytshme të hetimit të zbuluara nga matematikanët mund të shpreheshin shumë më mirë me ndihmën e ideve që dalin nga veprat e Faradeit sesa në formën e tyre origjinale "( J. Clerk Maxwell, Një Traktat mbi Elektricitetin dhe Magnetizmin, Londër, 1873; Botimi i 2-të, Oxford, 1881. (Për një përkthim rusisht të parathënies dhe pjesës IV, shih J. C. Maxwell, Selected Works on Theory fushë elektromagnetike, 1954, fq 345-361. - Përafërsisht. përkthimi).

Sa për metodë matematikore Faraday, Maxwell vëren diku tjetër se matematikanët, të cilët e konsideronin metodën e Faradeit pa precizion shkencor, vetë nuk dolën me asgjë më të mirë sesa përdorimi i hipotezave për ndërveprimin e gjërave që nuk kanë realitet fizik, siç janë elementët aktualë, "të cilët lindin nga asgjëja. , kaloni nëpër një seksion teli dhe më pas kthehet përsëri në asgjë.

Për t'i dhënë ideve të Faradeit një formë matematikore, Maxwell filloi duke krijuar elektrodinamikën e dielektrikës. Teoria e Maksuellit lidhet drejtpërdrejt me teorinë e Mosottit. Ndërsa Faraday, në teorinë e tij të polarizimit dielektrik, la të hapur qëllimisht çështjen e natyrës së energjisë elektrike, Mossotti, një mbështetës i ideve të Franklinit, e imagjinon elektricitetin si një lëng të vetëm, të cilin ai e quan eter dhe që, sipas mendimit të tij, është i pranishëm me një shkallë e caktuar densiteti në të gjitha molekulat. . Kur një molekulë është nën veprimin e një force induktive, eteri përqendrohet në njërin skaj të molekulës dhe rrallohet në anën tjetër; për shkak të kësaj, një forcë pozitive lind në skajin e parë dhe një forcë e barabartë negative në të dytën. Maxwell e pranon plotësisht këtë koncept. Në Traktatin e tij, ai shkruan:

"Polarizimi elektrik i një dielektrike është një gjendje deformimi në të cilën një trup bie nën veprimin e forca elektromotore dhe që zhduket njëkohësisht me ndërprerjen e këtij pushteti. Ne mund ta mendojmë atë si diçka që mund të quhet një zhvendosje elektrike e prodhuar nga forca elektromotore. Kur një forcë elektromotore vepron në një mjedis përçues, ajo indukton një rrymë atje, por nëse mjedisi është jopërçues ose dielektrik, atëherë rryma nuk mund të kalojë nëpër këtë medium. Megjithatë, energjia elektrike zhvendoset në të në drejtim të forcës elektromotore, dhe madhësia e kësaj zhvendosjeje varet nga madhësia e forcës elektromotore. Nëse forca elektromotore rritet ose zvogëlohet, atëherë zhvendosja elektrike rritet ose zvogëlohet përkatësisht në të njëjtin proporcion.

Sasia e zhvendosjes matet me sasinë e energjisë elektrike që kalon një sipërfaqe njësi ndërsa zhvendosja rritet nga zero në një vlerë maksimale. E tillë, pra, është masa e polarizimit elektrik.

Nëse një dielektrik i polarizuar përbëhet nga një koleksion grimcash përcjellëse të shpërndara në një mjedis izolues, në të cilin energjia elektrike shpërndahet në një mënyrë të caktuar, atëherë çdo ndryshim në gjendjen e polarizimit duhet të shoqërohet me një ndryshim në shpërndarjen e energjisë elektrike në secilën grimcë. d.m.th., një rrymë elektrike reale, megjithëse e kufizuar vetëm nga vëllimi i grimcës përcjellëse. Me fjalë të tjera, çdo ndryshim në gjendjen e polarizimit shoqërohet nga një rrymë paragjykimi. Në të njëjtin traktat, Maxwell thotë:

“Ndryshimet në zhvendosjen elektrike padyshim që shkaktojnë rryma elektrike. Por këto rryma mund të ekzistojnë vetëm gjatë një ndryshimi në zhvendosje, dhe meqenëse zhvendosja nuk mund të kalojë një sasi të caktuar pa shkaktuar një shkarkim shkatërrues, këto rryma nuk mund të vazhdojnë pafundësisht në të njëjtin drejtim, si rrymat në përcjellës..

Pasi Maxwell prezanton konceptin e fuqisë së fushës, i cili është një interpretim matematikor i konceptit të Faradeit të fushës së forcave, ai shkruan marrëdhënien matematikore për konceptet e përmendura të zhvendosjes elektrike dhe rrymës zhvendosëse. Ai arrin në përfundimin se e ashtuquajtura ngarkesa e një përcjellësi është ngarkesa sipërfaqësore e dielektrikut përreth, se energjia ruhet në dielektrik në formën e një gjendje tensioni, se lëvizja e energjisë elektrike i nënshtrohet të njëjtave kushte si lëvizja. të një lëngu të pakompresueshëm. Vetë Maxwell e përmbledh teorinë e tij kështu:

"Energjia e elektrizimit është e përqendruar në një medium dielektrik, pavarësisht nëse është të ngurta, lëng ose gaz, një mjedis i dendur, ose i rrallë, ose plotësisht i lirë nga lënda me peshë, për sa kohë që është në gjendje të transmetojë veprim elektrik.

Energjia përmbahet në secilën pikë të mediumit në formën e një gjendje deformimi, të quajtur polarizim elektrik, madhësia e së cilës varet nga forca elektromotore që vepron në atë pikë ...

Në lëngjet dielektrike, polarizimi elektrik shoqërohet me tension në drejtim të linjave të induksionit dhe një presion të barabartë në të gjitha drejtimet pingul me linjat e induksionit; Madhësia e këtij tensioni ose presioni për njësi sipërfaqe është numerikisht e barabartë me energjinë për njësi vëllimi në atë pikë."

Është e vështirë të shprehet më qartë ideja kryesore e kësaj qasjeje, e cila është ideja e Faradeit: vendi në të cilin ndodhin fenomenet elektrike është mjedisi. Si për të theksuar se kjo është gjëja kryesore në traktatin e tij, Maxwell e përfundon atë me fjalët e mëposhtme:

“Nëse e pranojmë këtë mjedis si hipotezë, unë besoj se ai duhet të zërë një vend të spikatur në studimet tona dhe se duhet të përpiqemi të ndërtojmë një ide racionale për të gjitha detajet e funksionimit të tij, që ishte synimi im i vazhdueshëm në këtë traktat. ”.

Pasi ka vërtetuar teorinë e dielektrikës, Maxwell i transferon konceptet e tij me korrigjimet e nevojshme në magnetizëm dhe krijon një teori induksioni elektromagnetik. Ai e përmbledh të gjithë ndërtimin e tij teorik në disa ekuacione që tani janë bërë të famshme: në gjashtë ekuacionet e Maxwell-it.

Këto ekuacione janë shumë të ndryshme nga ekuacionet e zakonshme të mekanikës - ato përcaktojnë strukturën e fushës elektromagnetike. Ndërsa ligjet e mekanikës zbatohen në zonat e hapësirës në të cilat materia është e pranishme, ekuacionet e Maxwell-it zbatohen për të gjithë hapësirën, pavarësisht nëse trupat ose ngarkesat elektrike janë të pranishme apo jo. Ato përcaktojnë ndryshimet në terren, ndërsa ligjet e mekanikës përcaktojnë ndryshimet në grimcat materiale. Përveç kësaj, mekanika Njutoniane refuzoi, siç thamë në kapitull. 6, nga vazhdimësia e veprimit në hapësirë ​​dhe kohë, ndërsa ekuacionet e Maksuellit vendosin vazhdimësinë e dukurive. Ato lidhin ngjarjet ngjitur në hapësirë ​​dhe kohë: duke pasur parasysh gjendjen e fushës "këtu" dhe "tani" ne mund të nxjerrim gjendjen e fushës në afërsi në kohë të afërta. Një kuptim i tillë i fushës është absolutisht në përputhje me idenë e Faradeit. por është në kontradiktë të pakapërcyeshme me traditën dyshekullore. Prandaj, nuk është për t'u habitur që hasi në rezistencë.

Kundërshtimet që u parashtruan kundër teorisë së Maksuellit për energjinë elektrike ishin të shumta dhe lidheshin si me konceptet themelore që qëndrojnë në themel të teorisë ashtu edhe, ndoshta edhe më shumë, me mënyrën tepër të lirë që Maksuelli përdor për të nxjerrë pasoja prej saj. Maksuelli e ndërton teorinë e tij hap pas hapi me ndihmën e "diturisë së gishtave", siç e ka thënë me vend Poincaré, duke iu referuar shtrirjeve teologjike që shkencëtarët ndonjëherë i lejojnë vetes të formulojnë teori të reja. Kur, gjatë një konstruksioni analitik, Maxwell ndeshet me një kontradiktë të dukshme, ai nuk heziton ta kapërcejë epokën me ndihmën e lirive dekurajuese. Për shembull, nuk i kushton asgjë të përjashtojë një anëtar, të zëvendësojë një shenjë të papërshtatshme të një shprehjeje me një të kundërt, të ndryshojë kuptimin e një shkronje. Për ata që e admironin logjikën e pagabueshme të elektrodinamikës së Amperit, teoria e Maxwell duhet të ketë lënë një përshtypje të pakëndshme. Fizikanët nuk arritën ta vinin në rregull, domethënë ta çlironin nga gabimet dhe mospërputhjet logjike. Por. nga ana tjetër, ata nuk mund të braktisnin teorinë, e cila, siç do të shohim më vonë, lidhte organikisht optikën me energjinë elektrike. Prandaj, në fund të shekullit të kaluar, fizikanët kryesorë iu përmbajtën tezës së paraqitur në 1890 nga Hertz: meqenëse arsyetimi dhe llogaritjet me të cilat Maxwell arriti në teorinë e tij të elektromagnetizmit janë plot me gabime që ne nuk mund t'i korrigjojmë, le t'i pranojmë. Gjashtë ekuacionet e Maxwell-it si hipotezë fillestare, si postulate mbi të cilat do të bazohet e gjithë teoria e elektromagnetizmit. "Gjëja kryesore në teorinë e Maxwell janë ekuacionet e Maxwell," thotë Hertz.

21. TEORIA ELEKTROMAGNETIKE E DRITËS

Formula e gjetur nga Weber për forcën e bashkëveprimit të dy ngarkesave elektrike që lëvizin në raport me njëra-tjetrën përfshin një koeficient që ka kuptimin e një shpejtësie të caktuar. Vetë Weber dhe Kohlrausch përcaktuan vlerën e kësaj shpejtësie në mënyrë eksperimentale në veprën e vitit 1856, e cila u bë klasike; kjo vlerë doli të ishte disi më e madhe se shpejtësia e dritës. Një vit më pas, Kirchhoff "nga teoria e Weber nxori ligjin e përhapjes së induksionit elektrodinamik përgjatë një teli: nëse rezistenca është zero, atëherë shpejtësia e përhapjes së një valë elektrike nuk varet nga seksioni kryq i telit, nga natyra e tij. dhe dendësia e elektricitetit dhe është pothuajse e barabartë me shpejtësinë e përhapjes së dritës në vakum. Weber, në një nga punimet e tij teorike dhe eksperimentale në 1864, konfirmoi rezultatet e Kirchhoff, duke treguar se konstanta Kirchhoff është sasiorisht e barabartë me numrin e njësive elektrostatike që përmban një njësi elektromagnetike, dhe vuri re se koincidenca e shpejtësisë së përhapjes së energjisë elektrike valët dhe shpejtësia e dritës mund të konsiderohen si tregues se ekziston një lidhje e ngushtë midis dy dukurive. Megjithatë, para se të flitet për këtë, së pari duhet të zbulohet saktësisht se cili është kuptimi i vërtetë i konceptit të shpejtësisë së përhapjes së energjisë elektrike: "dhe ky kuptim," përfundon Weber melankolikisht, "nuk është aspak i tillë që të ngjallë shpresa të mëdha. ."

Maxwell nuk kishte asnjë dyshim, ndoshta sepse ai gjeti mbështetje në idetë e Faradeit në lidhje me natyrën e dritës (shih § 17).

"Në vende të ndryshme të këtij traktati," shkruan Maxwell, duke filluar në kapitullin XX të pjesës së katërt për të paraqitur teorinë elektromagnetike të dritës, "u bë një përpjekje për të shpjeguar fenomenet elektromagnetike me ndihmën e një veprimi mekanik të transmetuar nga një trup në tjetrin. nëpërmjet një mediumi që zë hapësirën ndërmjet këtyre trupave. teoria e valës drita gjithashtu lejon ekzistencën e një lloj mediumi. Tani duhet të tregojmë se vetitë e mediumit elektromagnetik janë identike me ato të mjedisit ndriçues...

Ne mund të marrim një vlerë numerike për disa veti të një mediumi, siç është shpejtësia me të cilën përhapet një shqetësim në të, e cila mund të llogaritet nga eksperimentet elektromagnetike dhe gjithashtu të vëzhgohet drejtpërdrejt në rastin e dritës. Nëse do të zbulohej se shpejtësia e përhapjes së shqetësimeve elektromagnetike është e njëjtë me shpejtësinë e dritës, jo vetëm në ajër, por edhe në media të tjera transparente, do të kishim një arsye të mirë për ta konsideruar dritën si një fenomen elektromagnetik, dhe më pas kombinimi i provave optike dhe elektrike do të japë të njëjtën provë të realitetit të mjedisit, të cilën ne e marrim në rastin e formave të tjera të materies në bazë të tërësisë së provave nga shqisat tona" ( Po aty, faqe 550-551 të botimit rus).

Ashtu si në veprën e parë të vitit 1864, Maxwell vazhdoi nga ekuacionet e tij dhe, pas një sërë transformimesh, arrin në përfundimin se në vakum, rrymat e zhvendosjes tërthore përhapen me të njëjtën shpejtësi si drita, gjë që "përfaqëson një konfirmim të teorisë elektromagnetike të dritë” – shprehet me besim Maxwell.

Pastaj Maxwell studion më në detaje vetitë e shqetësimeve elektromagnetike dhe arrin në përfundime që tashmë janë të njohura sot: një lëkundje ngarkesë elektrike krijon një fushë elektrike alternative, e lidhur pazgjidhshmërisht me një fushë magnetike alternative; ky është një përgjithësim i përvojës së Oersted. Ekuacionet e Maxwell-it bëjnë të mundur gjurmimin e ndryshimeve në fushë me kalimin e kohës në çdo pikë të hapësirës. Rezultati i një studimi të tillë tregon se lëkundjet elektrike dhe magnetike lindin në çdo pikë të hapësirës, ​​d.m.th., intensiteti elektrike dhe magnetike fushat ndryshojnë periodikisht; këto fusha janë të pandashme nga njëra-tjetra dhe të polarizuara reciprokisht pingul. Këto lëkundje përhapen në hapësirë ​​me një shpejtësi të caktuar dhe formojnë një valë elektromagnetike tërthore: lëkundjet elektrike dhe magnetike në secilën pikë ndodhin pingul me drejtimin e përhapjes së valës.

Midis shumë pasojave të veçanta që rrjedhin nga teoria e Maxwell-it, përmendim si vijon: pohimin se konstanta dielektrike është e barabartë me katrorin e indeksit të thyerjes së rrezeve optike në një mjedis të caktuar, gjë që u kritikua veçanërisht shpesh; prania e presionit të lehtë në drejtim të përhapjes së dritës; ortogonaliteti i dy valëve të polarizuara - elektrike dhe magnetike.

22. VALËT ELEKTROMAGNETIKE

Në § 11 kemi thënë tashmë se natyra osciluese e shkarkimit të kavanozit Leyden është vërtetuar. Ky fenomen nga viti 1858 deri në 1862 iu nënshtrua përsëri një analize të kujdesshme nga Wilhelm Feddersen (1832-1918). Ai vuri re se nëse dy pllaka kondensator janë të lidhura me një rezistencë të vogël, atëherë shkarkimi është në natyrë osciluese dhe kohëzgjatja e periudhës së lëkundjes është proporcionale me rrënjën katrore të kapacitetit të kondensatorit. Në 1855, Thomson konkludoi nga teoria e mundshme se periudha e lëkundjes së një shkarkimi lëkundës është proporcionale me rrënjën katrore të produktit të kapacitetit të një kondensatori dhe koeficientit të tij të vetë-induksionit. Më në fund, në 1864, Kirchhoff dha teorinë e një shkarkimi oscilues, dhe në 1869, Helmholtz tregoi se lëkundje të ngjashme mund të merren edhe në një spirale induksioni, skajet e së cilës janë të lidhura me pllakat e kondensatorit.

Në 1884, Heinrich Hertz (1857-1894), një ish-student dhe asistent i Helmholtz-it, filloi të studionte teorinë e Maxwell-it (shih kapitullin 12). Në 1887 ai përsëriti eksperimentet e Helmholtz-it me dy mbështjellje induksioni. Pas disa përpjekjesh, ai arriti të vërë në skenë eksperimentet e tij klasike, të cilat tashmë janë të njohura. Me ndihmën e një "gjeneratori" dhe një "rezonatori", Hertz provoi eksperimentalisht (në një mënyrë që përshkruhet në të gjitha tekstet shkollore sot) se një shkarkim oscilues shkakton valë në hapësirë, të përbërë nga dy lëkundje - elektrike dhe magnetike, të polarizuara pingul me njëri tjetrin. Hertz vendosi gjithashtu reflektimin, thyerjen dhe ndërhyrjen e këtyre valëve, duke treguar se të gjitha eksperimentet e tij janë plotësisht të shpjegueshme nga teoria e Maxwell.

Shumë eksperimentues nxituan përgjatë rrugës së zbuluar nga Hertz, por ata nuk arritën të shtojnë shumë për të kuptuar ngjashmërinë e dritës dhe valëve elektrike, sepse, duke përdorur të njëjtën gjatësi vale që mori Hertz (rreth 66 cm), ata hasën në fenomene difraksioni që errësuan gjithë të tjerat.efektet. Për të shmangur këtë, ishte e nevojshme instalimi i tillë madhësive të mëdha të cilat praktikisht ishin të parealizueshme në atë kohë. Një hap i madh përpara bëri Augusto Righi (1850-1920), i cili, me ndihmën e një lloji të ri gjeneratori që krijoi, arriti të ngacmojë valët disa centimetra të gjata (më shpesh ai punonte me valë 10,6 cm të gjata). Kështu, Rigi arriti të riprodhojë të gjitha fenomenet optike me ndihmën e pajisjeve që në thelb janë analoge të pajisjeve optike përkatëse. Në veçanti, Rigi ishte i pari që mori përthyerjen e dyfishtë të valëve elektromagnetike. Puna e Rigës, e filluar në 1893 dhe e përshkruar herë pas here në shënime dhe artikuj të botuar në revista shkencore, u kombinua dhe u plotësua më pas në librin tashmë klasik "Ottica delle oscillazioni elettriche" ("Optika e lëkundjeve elektrike"), botuar në 1897, vetëm emri i të cilit shpreh përmbajtjen e një epoke të tërë në historinë e fizikës.

Aftësia e një pluhuri metalik të vendosur në një tub për t'u bërë përcjellëse nën veprimin e një shkarkimi nga një makinë elektrostatike aty pranë u studiua nga Snez (1853-1922) në 1884, dhe dhjetë vjet më vonë kjo aftësi u përdor nga Dodge a.d. dhe shumë të tjerë. për të treguar valët elektromagnetike. Duke kombinuar gjeneratorin Riga dhe treguesin Demolish me idetë gjeniale të "antenës" dhe "tokëzimit", në fund të 1895 Guglielmo Marconi (1874-1937) kreu me sukses eksperimentet e para praktike ( Siç e dini, përparësia në shpikjen e radios i përket shkencëtarit rus A.S. Popov, i cili lexoi raportin e tij më 7 maj 1895 në një takim të Departamentit të Fizikës së Fizikës Ruse.) në fushën e radiotelegrafisë, zhvillimi i shpejtë dhe rezultatet e mahnitshme të së cilës kufizohen vërtet me një mrekulli.

Kapitulli 18

Valët elektromagnetike.

§ 18.1teoria e Maksuellit. rryma e paragjykimit. ekuacionet e Maksuellit

Duke analizuar marrëdhëniet midis madhësive të fushave elektrike dhe magnetike dhe duke përgjithësuar rezultatet e eksperimenteve të Oersted dhe Faraday, Maxwell krijoi teorinë e fushës elektromagnetike. Teoria e Maxwell nga një këndvështrim i unifikuar bën të mundur shpjegimin e vetive të fushave elektrike dhe magnetike. Rregullsitë kryesore të fenomeneve elektromagnetike përshkruhen nga ekuacionet e Maksuellit, dhe ato përbëjnë bazën e inxhinierisë elektrike dhe radio-inxhinierisë dhe teorisë së çdo dukurie elektromagnetike.

Në çdo pikë të hapësirës dhe në çdo moment të kohës, gjendja e fushës elektromagnetike karakterizohet nga dy vektorë - vektori i tensionit fushe elektrike dhe vektori i fushës magnetike - induksioni magnetik . Vektor dhe janë karakteristikat e fuqisë së fushës elektromagnetike, d.m.th. karakteristika të tilla nga të cilat varet forca që vepron nga kjo fushë në çdo grimcë të ngarkuar në të.

Një fushë elektromagnetike vepron ndryshe në një grimcë të ngarkuar kur grimca është në qetësi dhe kur ajo është në lëvizje.

Forca me të cilën një fushë elektromagnetike vepron në një ngarkesë në prehje në një kornizë të caktuar referimi quhet forcë elektrike:

Forca që vepron në një fushë elektromagnetike në një ngarkesë lëvizëse dhe shtesë për forcë elektrike, quhet forcë magnetike ose Forca e Lorencit:

Në 1892, Lorentz mori formulën për forcën me të cilën një fushë elektromagnetike vepron në çdo grimcë të ngarkuar në të:

(18.1)

Kjo forcë quhet Forca elektromagnetike e Lorencit dhe kjo shprehje është një nga ligjet bazë të elektrodinamikës klasike.

Në teori, problemi kryesor i elektrodinamikës është zgjidhur - sipas një shpërndarjeje të caktuar të ngarkesave dhe rrymave, përcaktohen karakteristikat e fushave elektrike dhe magnetike të krijuara prej tyre. Ekuacionet e Maxwell-it marrin parasysh mediumin fenomenologjikisht, d.m.th., ato nuk zbulojnë mekanizmin e ndërveprimit midis mediumit dhe fushës. Mjeti përshkruhet duke përdorur tre madhësi: lejueshmëri ε, përshkueshmëri magnetike μ dhe përçueshmëri elektrike γ.

Teoria e Maksuellit është një teori e veprimit me rreze të shkurtër, sipas së cilës bashkëveprimet elektrike dhe magnetike përhapen me një shpejtësi të kufizuar të barabartë me shpejtësinë e dritës në një mjedis të caktuar.

Teoria e Maxwell-it bazohet në dy dispozita .

1. Çdo fushë elektrike alternative gjeneron një fushë magnetike vorbull.

2. Çdo fushë magnetike e alternuar gjeneron një fushë elektrike vorbull.

Gjatë studimit të fenomenit të induksionit elektromagnetik, u tregua se një fushë magnetike alternative gjeneron një fushë elektrike vorbull, e cila nuk shoqërohet me ngarkesa, si në rastin e një fushe elektrostatike; linjat e saj të forcës nuk fillojnë dhe mbarojnë me ngarkesa, por janë të mbyllura në vetvete, si linjat e forcës së një fushe magnetike.

Thelbi i dukurisë së induksionit elektromagnetik është jo aq në pamjen e një rryme të induktuar, por në pamjen e një fushe elektrike vorbull. Ky pozicion themelor i elektrodinamikës u krijua nga Maxwell si një përgjithësim i ligjit të Faradeit të induksionit elektromagnetik.

Drejtimi i vektorit të intensitetit të fushës elektrike të vorbullës është vendosur në përputhje me ligjin e induksionit elektromagnetik të Faraday dhe rregullin Lenz:

Sipas përkufizimit të forcës elektromotore

E CT - forca e fushës së forcave të jashtme.

Në fenomenin e induksionit elektromagnetik, kjo sasi është forca e fushës elektrike të vorbullës, prandaj

(18.2)

Ekuacioni (18.2) shpreh marrëdhënie sasiore ndërmjet ndryshimit të fushës magnetike AT dhe fushë elektrike vorbull E:

(18.3)

Qarkullimi i vektorit të forcës së fushës elektrike përgjatë çdo laku të mbyllur është proporcional me shpejtësinë e rritjes së fluksit magnetik nëpër çdo sipërfaqe të kufizuar nga ky lak..

Në këtë rast, qarkullimi i fushës elektrike dhe shpejtësia e rritjes së fluksit magnetik kanë shenja të kundërta.

Formula (18.3) shpreh Ekuacioni i parë i Maksuellit në formë integrale.

rryma e paragjykimit. Ekuacioni i dytë i Maksuellit

P Kur merren parasysh rrymat e drejtpërdrejta dhe të alternuara në një përcjellës, ndodhin efekte fizike, të cilat, si rregull, ndryshojnë nga njëra-tjetra. Për shembull, kur kalon një përcjellës D.C., atëherë linjat rrjedhëse janë gjithmonë të mbyllura. Le t'i drejtohemi procesit të kalimit të rrymës alternative përmes një qarku që përmban një kondensator. Ngarkesat nuk mund të lëvizin midis pllakave të një kondensatori. Kjo çon në faktin se linjat aktuale shkëputen në sipërfaqen e pllakës së kondensatorit, si rezultat i së cilës rryma e përcjelljes që rrjedh nëpër përcjellësin që lidh pllakat e kondensatorit është e hapur. Deri më tani, ne kemi dalë nga ideja se rrymat elektrike janë lëvizja e ngarkesave elektrike nëpër përçues dhe se dendësia e tyre përcaktohet nga përçueshmëria elektrike e përcjellësit. Në një kondensator të sheshtë, njëra prej pllakave të tij ka një ngarkesë pozitive me një densitet sipërfaqësor + σ, tjetra ka një ngarkesë negative me një densitet sipërfaqësor prej - σ (Fig. 18.1). Kur kondensatori shkarkohet përmes përcjellësit që lidh pllakat, rryma rrjedh nga pllaka M në N.

Dendësia e rrymës j brenda pllakës së kondensatorit përcaktohet nga derivati ​​kohor i densitetit të ngarkesës elektrike:

(18.4)

Një rrymë me një densitet të tillë rrjedh nga pllaka M e kondensatorit.

Le të kthehemi tani tek ajo që ndodh në këtë kohë midis pllakave të kondensatorit. Siç dihet, zhvendosja elektrike e fushës lidhet me intensitetin nga relacioni

D=εε 0 Е (18.5)

dhe forca e fushës brenda kondensatorit është

(18.6)

Duke kombinuar formulat (18.5), (18.6), marrim se induksioni elektrik midis pllakave të kondensatorit është i barabartë me

Kur një kondensator shkarkohet, dendësia e sipërfaqes σ e ngarkesës së pllakave të kondensatorit ndryshon me kalimin e kohës; prandaj, në përputhje me formulën (18.7), induksioni elektrik D gjithashtu ndryshon:

(18.8)

Meqenëse vektori i zhvendosjes elektrike të fushës drejtohet nga pllaka e ngarkuar pozitivisht N në pllakën e ngarkuar negativisht M, atëherë kur kondensatori shkarkohet, shkalla e ndryshimit në induksionin elektrik është negative dhe drejtohet në drejtim të kundërt me vektori D. Nga sa u tha del se drejtimi i vektorit përkon me drejtimin e rrymës në qarkun në të cilin është lidhur kondensatori. Siç mund të shihet nga ekuacionet (18.4) dhe (18.8), densiteti i rrymës elektrike j dhe vlera janë të barabartë me njëri-tjetrin.

Maxwell e quajti sasinë densiteti i rrymës së paragjykimit :

(18.9)

Në këtë mënyrë, rryma e paragjykimit është shpejtësia e ndryshimit të zhvendosjes elektrike, i përcaktuar nga formula

[E - forca e fushës elektrike, P - polarizimi].

Dendësia e rrymës së paragjykimit

(18.10)

[

- Dendësia e rrymës së zhvendosjes në vakum: - dendësia e rrymës së polarizimit, d.m.th., lëvizja e urdhëruar e ngarkesave elektrike në një dielektrik].

Meqenëse vlerat numerike të densitetit të rrymës së zhvendosjes j cm dhe densitetit të rrymës së përcjelljes j janë të barabarta, linjat e densitetit të rrymës së përcjelljes brenda përcjellësit (natyrisht, duke përfshirë pllakat e kondensatorit) ndryshojnë vazhdimisht në linjat e densitetit të rrymës së zhvendosjes midis kondensatorit. pjata. Në mënyrë që rryma të mbyllet, futet koncepti rrymë e plotë , e cila përfshin shumën e rrymës së përcjelljes dhe rrymës së zhvendosjes; d.m.th., dendësia totale e rrymës është

(18.11)

Kështu, rryma e zhvendosjes është një fushë elektrike alternative; ashtu si rryma e përcjelljes, ajo gjeneron një fushë magnetike, linjat e forcës së së cilës janë gjithmonë të mbyllura.

Maxwell, duke përgjithësuar ligjin e përgjithshëm aktual

(18.12)

dhe duke futur rrymën e zhvendosjes në anën e djathtë të rrymës së përcjelljes, gjeti ekuacionin

(18.13)

I emërtuar Ekuacioni i dytë i Maksuellit .

Sistemi i ekuacioneve të Maxwell-it, përveç dy të përshkruara më sipër, përfshin teoremën e Gausit për fushat elektrike dhe magnetike:

Teorema e Gausit për fushën D

Me një shpërndarje të vazhdueshme të ngarkesës brenda një sipërfaqe të mbyllur me një densitet të madh, shprehja ka formën

Teorema e Gausit për fushën B :

Sistemi i plotë i ekuacioneve në formë integrale

Dy ekuacionet e para tregojnë se fusha elektrike lind si rreth ngarkesave të palëvizshme ashtu edhe në rastin kur ka një ndryshim në induksionin e fushës magnetike me kalimin e kohës.

Dy ekuacionet e dyta tregojnë se fusha magnetike është vorbull dhe lind vetëm në prani të rrymave elektrike ose të një fushe elektrike që ndryshon në kohë, ose të dyja në të njëjtën kohë, d.m.th. nuk ka ngarkesa magnetike.

Nga ekuacionet e Maxwell-it rezulton se fushat elektrike dhe magnetike janë një manifestim i një fushe të vetme elektromagnetike.

Zakonisht, formulat i bashkëngjiten sistemit të ekuacioneve të Maxwell që shprehin marrëdhënien ndërmjet dhe ,dhe

Kuptimi fizik i ekuacioneve të Maxwell:

1. Fusha elektromagnetike mund të ndahet në elektrike dhe magnetike vetëm relativisht;

2. Një fushë magnetike e ndryshueshme krijon një fushë elektrike, dhe një fushë elektrike e ndryshueshme krijon një fushë magnetike, dhe këto fusha janë të ndërlidhura.

Nga ekuacionet e Maxwell-it rezulton se një fushë elektromagnetike mund të ekzistojë në mungesë të ngarkesave dhe rrymave elektrike.

Në të njëjtën kohë, ndryshimi i gjendjes së tij ka karakter valor, d.m.th. është një valë elektromagnetike. Një valë elektromagnetike në vakum përhapet me shpejtësinë e dritës. Parashikimet teorike të Maxwell konfirmuan eksperimentet e Hertz-it dhe shpikjen e radios nga Popov.

§ 18.2Valët elektromagnetike

G Hipoteza e Maxwell sugjeron ekzistencën valë elektromagnetike, e cila është një fushë elektromagnetike që përhapet në hapësirë ​​dhe kohë. Valët elektromagnetike tërthore– vektorët dhe janë pingul me njëra-tjetrën dhe shtrihen në një rrafsh pingul me drejtimin e përhapjes së valës (Fig. 18.3).

Valët elektromagnetike përhapen në materie me një shpejtësi të kufizuar

(18.14)

ku ε dhe μ janë përshkueshmëria dielektrike dhe magnetike e substancës, ε 0 dhe μ 0 janë konstantet elektrike dhe magnetike: ε 0 \u003d 8,85419 10 -12 F / m, μ 0 \u003d 1,25664 10 -6 Gn / m.

Gjatësia e valës λ në një valë sinusoidale lidhet me shpejtësinë υ të përhapjes së valës nga relacioni λ = υT

Shpejtësia e valëve elektromagnetike në vakum (ε = μ = 1):

(18.15)

Shpejtësia c e përhapjes së valëve elektromagnetike në vakum është një nga konstantat themelore fizike.

Përfundimi i Maksuellit për shpejtësinë e kufizuar të përhapjes së valëve elektromagnetike ishte në kundërshtim me teorinë me rreze të gjatë të miratuar në atë kohë, në të cilën shpejtësia e përhapjes së fushave elektrike dhe magnetike supozohej të ishte pafundësisht e madhe. Prandaj quhet teoria e Maksuellit teoria e diapazonit të shkurtër.

Transformimet e ndërsjella të fushave elektrike dhe magnetike ndodhin në një valë elektromagnetike. Këto procese vazhdojnë njëkohësisht, dhe fushat elektrike dhe magnetike veprojnë si "partnerë" të barabartë. Prandaj, dendësia e vëllimit të energjisë elektrike dhe magnetike është e barabartë me njëra-tjetrën: ω E = ω m

(18.16)

Nga kjo rrjedh se në një valë elektromagnetike, modulet e induksionit të fushës magnetike dhe forca e fushës elektrike në çdo pikë të hapësirës lidhen me relacionin

(18.17)

Valët elektromagnetike bartin energji. Kur valët përhapen, lind një rrjedhë e energjisë elektromagnetike. Nëse zgjedhim vendin S (Fig. 2.6.3), të orientuar pingul me drejtimin e përhapjes së valës, atëherë në një kohë të shkurtër Δt, energjia ΔW em do të rrjedhë nëpër vend, e barabartë me

Dendësia ose intensiteti i fluksit I quhet energjia elektromagnetike e bartur nga vala për njësi të kohës nëpër sipërfaqen e një njësie sipërfaqeje:

Duke zëvendësuar këtu shprehjet për ω e, ω m dhe υ, mund të merrni:

(18.18)

Fluksi i energjisë në një valë elektromagnetike mund të specifikohet duke përdorur vektorin , drejtimi i të cilit përkon me drejtimin e përhapjes së valës, dhe moduli është i barabartë me . Ky vektor quhet Vektori Umov-Poynting .

Në një valë sinusoidale (harmonike) në vakum, vlera mesatare I cf e densitetit të fluksit të energjisë elektromagnetike është e barabartë me

(18.19)

ku E 0 është amplituda e lëkundjeve të forcës së fushës elektrike.

Dendësia e fluksit të energjisë në SI matet në vat për metër katror (W/m2).

Nga teoria e Maxwell-it rrjedh se valët elektromagnetike duhet të ushtrojnë presion mbi një trup thithës ose reflektues. Presioni i rrezatimit elektromagnetik shpjegohet me faktin se nën ndikimin e një fushe elektrike, lindin valë në një substancë. rryma të dobëta, pra lëvizja e urdhëruar e grimcave të ngarkuara. Këto rryma ndikohen nga forca Amper nga ana e fushës magnetike të valës, e drejtuar në trashësinë e substancës. Kjo forcë krijon presionin që rezulton. Zakonisht presioni i rrezatimit elektromagnetik është i papërfillshëm. Kështu, për shembull, presioni i rrezatimit diellor që vjen në Tokë në një sipërfaqe absolutisht thithëse është afërsisht 5 μPa. Eksperimentet e para për përcaktimin e presionit të rrezatimit në trupat reflektues dhe thithës, të cilat konfirmuan përfundimin e teorisë së Maxwell-it, u kryen nga P. N. Lebedev në vitin 1900. Eksperimentet e Lebedevit kishin një rëndësi të madhe për miratimin e teorisë elektromagnetike të Maxwell.

Ekzistenca e presionit të valëve elektromagnetike na lejon të konkludojmë se një impuls mekanik është i natyrshëm në fushën elektromagnetike. Momenti i fushës elektromagnetike në një njësi vëllimi shprehet me relacionin

ku ω em është dendësia vëllimore e energjisë elektromagnetike, c është shpejtësia e përhapjes së valës në vakum. Prania e një impulsi elektromagnetik na lejon të prezantojmë konceptin e masës elektromagnetike.

Për një fushë në një vëllim njësi

Kjo nënkupton:

Kjo marrëdhënie midis masës dhe energjisë së një fushe elektromagnetike në një njësi vëllimi është një ligj universal i natyrës. Sipas teorisë speciale të relativitetit, është e vërtetë për çdo trup, pavarësisht nga natyra dhe struktura e tyre e brendshme.

Kështu, fusha elektromagnetike ka të gjitha tiparet e trupave materialë - energjinë, shpejtësinë e kufizuar të përhapjes, momentin, masën. Kjo sugjeron që fusha elektromagnetike është një nga format e ekzistencës së materies.

Konfirmimi i parë eksperimental i teorisë elektromagnetike të Maxwell-it u dha afërsisht 15 vjet pas krijimit të teorisë në eksperimentet e G. Hertz (1888). Hertz jo vetëm që provoi eksperimentalisht ekzistencën e valëve elektromagnetike, por për herë të parë filloi të studionte vetitë e tyre - thithjen dhe thyerjen në media të ndryshme, reflektimin nga sipërfaqet metalike, etj. Ai arriti të masë gjatësinë e valës dhe shpejtësinë e përhapjes së valëve elektromagnetike, të cilat doli të jetë e barabartë me shpejtësinë e dritës.

Eksperimentet e Hertz-it luajtën një rol vendimtar në vërtetimin dhe njohjen e teorisë elektromagnetike të Maxwell-it. Shtatë vjet pas këtyre eksperimenteve, valët elektromagnetike gjetën aplikim në komunikimet me valë (A. S. Popov, 1895).

Valët elektromagnetike mund të ngacmohen vetëm nga ngarkesat që lëvizin me shpejtësi. Qarqet DC, në të cilat transportuesit e ngarkesës lëvizin me një shpejtësi konstante, nuk janë burim i valëve elektromagnetike. Në inxhinierinë moderne të radios, rrezatimi i valëve elektromagnetike prodhohet duke përdorur antena të dizajneve të ndryshme, në të cilat ngacmohen rrymat e shpejta alternative.

Sistemi më i thjeshtë që lëshon valë elektromagnetike është një dipol i vogël elektrik, momenti dipol i të cilit ndryshon me shpejtësi në kohë: p=p 0 cosωt.

T si quhet dipol elementar Dipoli hercian. Në inxhinierinë radio, dipoli Hertzian është i barabartë me një antenë të vogël, madhësia e së cilës është shumë më e vogël se gjatësia e valës λ (Fig. 18.4).

Oriz. 18.5 jep një ide për strukturën e valës elektromagnetike të emetuar nga një dipol i tillë. NGA Duhet të theksohet se fluksi maksimal i energjisë elektromagnetike rrezatohet në një plan pingul me boshtin e dipolit. Një dipol nuk rrezaton energji përgjatë boshtit të tij. Hertz përdori një dipol elementar si një antenë transmetuese dhe marrëse në provën eksperimentale të ekzistencës së valëve elektromagnetike.

Nga teoria e Maxwell-it rezulton se valët e ndryshme elektromagnetike kanë një natyrë të përbashkët.

Eksperimentet e Hertz-it përcaktuan identitetin e natyrës së rrezatimit elektromagnetik dhe dritës. Nga kjo doli përfundimi shumë i rëndësishëm se drita e dukshme është rrezatim elektromagnetik. Hulumtimet e mëtejshme konfirmuan se jo vetëm dritë e dukshme, por edhe rrezatimi infra të kuqe dhe ultravjollcë, rreze X dhe rrezatimi gama kanë natyrë elektromagnetike, d.m.th. Valët elektromagnetike kanë një gamë shumë të gjerë frekuencash ose gjatësi vale.

Spektri i rrezatimit elektromagnetik përfshin valët e radios, rrezatimin infra të kuqe, dritën e dukshme, ultravjollcë, rrezet x dhe rrezet gama. Emrat për rrezet që shtrihen në rajone të ndryshme të spektrit janë zhvilluar historikisht. Valët elektromagnetike të të gjitha seksioneve përhapen në hapësirë ​​me të njëjtën shpejtësi. Ato ndryshojnë nga njëri-tjetri vetëm në gjatësi vale:

[c - shpejtësia e dritës, ν - frekuenca].

Valët e radios dhe VHF kanë gjatësi vale që variojnë nga disa kilometra deri në disa centimetra. Ato prodhohen duke përdorur vibratorë të dizajneve të ndryshme. Në kushte laboratorike, rrezatimi elektromagnetik merret me ndihmën e pajisjeve radio inxhinierike, gjatësia e të cilave matet në milimetra, d.m.th., është në intervalin e rrezatimit infra të kuq.

Rrezatimi infra i kuq, drita e dukshme dhe rrezet ultravjollcë lëshojnë trupa të nxehur në temperatura të ndryshme. Sa më e lartë të jetë temperatura e një trupi, aq më e shkurtër është gjatësia e valës së valëve elektromagnetike që lëshon. Rrezatimi me rreze X ndodh kur grimcat e ngarkuara - elektronet - ngadalësohen ndjeshëm. Rrezatimi gama emetohet gjatë zbërthimit radioaktiv të atomeve.