Как записал свои уравнения максвелл

Как записал свои уравнения максвелл

Уравнения Джеймса Максвелла (1873 г) описывают любые электромагнитные поля. Но этим их значение не исчерпывается.

Они были одной из отправных точек при создании общей теории относительности Альберта Эйнштейна (отчасти от них попала в формулы теории относительности скорость света). Эйнштейн писал: «Со времени обоснования теоретической физики Ньютоном наибольшее изменение в ее теоретических основах, другими словами, в нашем представлении о структуре реальности, было достигнуто благодаря исследованиям электромагнитных явлений Фарадеем и Максвеллом».

Из-за уравнений Максвелла были открыты радиоволны. Да, именно так: Максвелл создал систему своих уравнений до обнаружения радиоволн. Немало физиков того времени выступили против теории Максвелла (много было недовольных током смещения). Герман фон Гельмгольц придумал свою теорию и поручил экспериментально проверить её своему ученику Генриху Герцу (вообще-то его звали Хайнрих Хертц, но в русскую транскрипцию попало и устоялось неправильное прочтение). Но опыты Герца показали, что Максвелл прав. И Герц вошел в историю как первооткрыватель радиоволн.

Уравнения Максвелла вошли и в квантовую механику, положив начало квантовой электродинамике.

До сих пор нет ни одного факта, ставящего под сомнение уравнения Максвелла. Причем, не только в мире привычных для нас размеров и скоростей, но и в квантовой механике и в теории относительности. Это очень важно. Ведь не секрет, что квантовая механика и теория относительности плохо стыкуются друг с другом. И физики современности прилагают большие усилия, чтобы свести их воедино в общую теорию (теории струн, суперсимметрии, суперструн и т.д.), но пока это не очень получается. А уравнения Максвелла работают и в квантовом микромире и в теории относительности, связывая наши представления о мире.

Казалось бы, при такой значимости понимать уравнения Максвелла должен любой человек, считающий себя образованным. Во всяком случае, тот, кто как-то связан с электромагнитными полями. Но, к сожалению, уравнения Максвелла даже среди профессионалов мало кто знает, а понимает еще меньше.

Почему-то многие при виде уравнений Максвелла впадают в благоговейный ступор, полагая, что без знания высшей математики там делать нечего. Это не так. Для понимания физической сути уравнений Максвелла хватит школьного образования.

Такое понимание необходимо, если вы хотите что-то (например, антенну) придумать или понять сами. Или не хотите быть обманутым очередным «гениальным изобретателем-ниспровергателем» (а таковых в последнее время, увы, развелось немало).

Уравнения и история

1. Первое уравнение Максвелла представляет собой закон Гаусса (да, того самого Карла Гаусса, чьё имя носит колоколообразное распределение случайных величин; в те времена можно было быть и выдающимся математиком и выдающимся физиком одновременно) для электрических полей. Максвелл записал его в дифференциальной форме. В современной записи оно выглядит так (не пугайтесь математики, и не бросайте чтение хотя бы еще несколько абзацев) :

E – векторное электрическое поле (здесь и далее жирным шрифтом выделены векторные величины, а курсивом — скалярные);

∇· – значок оператора дивергенции (потока);

ε_o = 8,85418782. •10 -12 Ф/м – диэлектрическая постоянная вакуума, измеряется экспериментально по силе притяжения между зарядами.

Первое уравнение говорит об очевидной вещи…

Но перед тем как ее озвучить, давайте разберемся, что такое дивергенция векторной величины. Вы видели водопроводный кран? Ну, тогда вы хорошо знаете, что такое дивергенция. В переводе с латинского это извержение наружу. Иначе говоря, поток. Для водопроводного крана это поток вытекающей воды, который тем больше, чем больше диаметр трубы и напор воды в ней. Если дивергенция больше нуля, то точка является источником, если меньше – стоком. Теперь вы знаете половину нужной векторной математики.

…Но вернемся к первому уравнению Максвелла (оно же – закон Гаусса). Оно говорит том, что поток электрического поля Е через любую замкнутую поверхность зависит от суммарного электрического заряда внутри этой поверхности. Иначе говоря, если из замкнутого бассейна вытекает воды больше, чем в него втекает (то есть суммарный поток из бассейна получается больше нуля), то ясно, что внутри бассейна прячется труба – источник этой самой воды (иначе бы она быстро кончилась).

С электрическим полем то же самое: если есть электрический заряд (труба-источник воды в бассейне), то поле от него будет вытекать наружу во все стороны (вода будет выливаться через края).

3. Третье (нарушим порядок следования для удобства понимания) уравнение Максвелла – это тоже закон Гаусса, записанный в дифференциальной форме. Но для магнитных полей:

B – векторное магнитное поле.

Это уравнение говорит о том, что поток магнитного поля через любую замкнутую поверхность всегда равен нулю. Или, иначе говоря, что одиночных магнитных зарядов в природе не существует. Вот электрически отрицательный электрон и положительный электрически протон есть и могут успешно существовать отдельно друг от друга. А полюса магнита отдельными не бывают. Только вместе. Один такой полюс толкает вперед, другой – тянет назад.

В примере с бассейном это две трубы, разнесенные на какое-то расстояние: сколько по одной втекает, столько по другой и вытекает. Движение воды по кругу у нас есть. Но суммарный поток равен нулю: сколько пришло, столько и ушло. Наружу ничего не вытекает. Точно также как и в потоке магнитного поля через замкнутую поверхность.

2. Второе уравнение Максвелла это закон Фарадея (на всех конденсаторах написано имя Майкла Фарадея) впервые в дифференциальной форме записан Максвеллом в качестве его третьего уравнения:

∇× – значок оператора ротора (вихря);

∂B/∂t – частная производная (изменение) B по времени. Частная в том смысле, что магнитное поле вообще меняется и в пространстве и во времени, но тут нас интересует только его изменение во времени.

Это уравнение говорит, что ротор (интеграл по замкнутому контуру) электрического поля Е равен потоку (т.е. скорости изменения во времени) магнитного поля В сквозь этот контур.

… Тут надо остановиться и разобраться, что такое ротор векторного поля. Вы наблюдали, как вода уходит из ванной в сливное отверстие? Тогда вы этот самый ротор видели: крутящаяся воронка воды вокруг открытой пробки и есть ротор. Точнее говоря, не сама воронка, а сумма (еще точнее –интеграл: ведь любой интеграл это сумма чего-то) векторов угловых скоростей, частиц воды, крутящихся по замкнутому контуру вокруг отверстия пробки. Всё, теперь вы знаете векторную математику на уровне, достаточном для полного понимания Максвелла…

Но вернемся со второму уравнению Максвелла. Там то же самое, что и в ванне: чем больше и чем быстрее изменяется магнитное поле внутри контура (чем сильнее сосёт воду сливное отверстие), тем сильнее раскручивается вихревое электрическое поле (стекающая вода) вокруг этого контура (отверстия).

На законе Фарадея (т.е. на втором уравнении Максвелла) работают все генераторы электричества: механически вращающийся магнит создает изменяющееся магнитное поле внутри катушки, с которой снимается индуцированный электрический ток.

4. Четвертое уравнение Максвелла. Сначала Максвелл взял закон Андре Ампера (которого он называл «Ньютоном электричества», а мы вспоминаем при каждом измерении тока), связывающий постоянный ток и магнитное поле вокруг него:

с – скорость света (на самом деле мы тут забегаем вперед, говоря, что это скорость света. Ни Ампер, ни Максвелл, когда писали свои уравнения этого еще не знали, и называли с 2 «электромагнитной постоянной»).

Этот закон говорит, что ротор магнитного поля (интеграл от B по замкнутому контуру) равен току, текущему сквозь этот контур. Ну не прямо равен, а с коэффициентом 1/ε_oc 2 . Иногда этот коэффициент обозначают как μ_o и называют магнитной постоянной вакуума. Но это делают только для упрощения записи: μ_o = 1/ε_oc 2 .

Проще говоря, закон Ампера говорит, что вокруг провода с током возникает кольцевое (ротор же) магнитное поле (школьный опыт с компасом и проводником с током помните?)

Итак, Максвелл собрал все известные на тот момент законы электричества и магнетизма и записал их в виде дифференциальных уравнений.

…Историческое отступление. Максвелл не использовал векторных обозначений и записывал свои уравнения в громоздком компонентном (по трем осям) виде (поэтому у него получилась система из 20-ти скалярных уравнений и с 20-ю же неизвестными). Понятия и символы дивергенции и ротора тогда еще не были придуманы. Кстати, в основном благодаря Максвеллу, стала очевидной важность создания таких комбинаций производных, которые мы сегодня называем ротором и дивергенцией. Эту работу проделали Оливер Хевисайд (который первый применил комплексные числа для анализа электрических цепей), Хайнрих Хертц (ну ладно, пусть он будет Генрих Герц, хотя Хайнрих бы не понял, что это его имя) и Джозайя Гиббс (один из создателей векторного анализа). Они переписали систему уравнений Максвелла в современном виде, упростив ее до 4-х векторных уравнений (против 20-ти скалярных у Максвелла). То есть Максвеллу было намного труднее управляться и анализировать написанные им уравнения. Но он справился…

Первые три (будем считать по современной векторной форме записи, хотя у Максвелла это было не 3, а 15) уравнения (два закона Гаусса и один Фарадея) проблем не обнаружили и были оставлены Максвеллом без изменений (он только переписал их в дифференциальном виде).

А вот в законе Ампера Максвелл заметил странность (и с этого момента начался его путь к современной электродинамике).

Дело в том, что если от закона Ампера взять дивергенцию от обеих частей уравнения, то левая его часть обратится в ноль (математически говоря, дивергенция ротора всегда равна нулю; а если на пальцах: ротор крутится, но наружу из него ничего не вытекает, поэтому поток-дивергенция у ротора отсутствует). Тогда из математики получается, что и правая часть уравнения обязана быть нулевой. А в правой части получается дивергенция (поток) тока, т.е. полный ток через замкнутую поверхность. Но физически очевидно, что такой ток вовсе не обязан быть равным нулю. Ведь ток – это движение зарядов, а они вполне двигаются из одного места в другое.

Получается нестыковка: физика говорит, что ток есть (вставьте внутрь поверхности любой переменный источник зарядов и ток точно будет), а математика говорит, что его быть не может. Следовательно, виновата математика.

Значит, что закон Ампера верен для статичного поля, но не выполняется для изменяющихся полей (операция дивергенции-потока, которую мы вслед за Максвеллом неудачно попытались провести над законом Ампера и есть изменение во времени).

Максвелл заметил это несоответствие, и чтобы избежать его предложил в закон Ампера добавить к току дополнительный член (1/c 2 )·∂E/∂t. Получилось четвертое уравнение Максвелла, называемое теоремой о циркуляции магнитного поля:

Это уравнение отличается от закона Ампера только добавкой (1/c 2 )·∂E/∂t. Добавка эта сделана к току. Следовательно, она описывает какой-то ток. Максвелл назвал его током смещения.

Четвертое уравнение Максвелла говорит о том, что вихревое магнитное поле может быть порождено как током в проводнике, так и изменением электрического поля. Причем, в смысле порождения магнитного поля ток в проводнике ничем не отличается от изменения электрического поля Е в диэлектрике. Поэтому изменение Е во времени называют током смещения.

Ток смещения (добавка Максвелла в 4-е уравнение) бывает только в диэлектрике (просто потому, что в хорошем проводнике электрическое поле отсутствует, а значит и меняться не может). А ток проводимости (правая часть закона Ампера) – только в проводнике (в диэлектрике отсутствуют заряды, способные двигаться, а движение зарядов — это и есть ток проводимости).

Допустим, мы длинными прямыми проводами подключили к генератору переменного тока простейший воздушный конденсатор, состоящий из двух пластин. Понятно, в цепи потечет какой-то ток. Возьмем маленький индикатор переменного магнитного поля и поведем его вдоль провода. Индикатор покажет некую величину магнитного поля: ток проводимости ведь по проводу течет, значит, он обязан создавать вокруг себя магнитное поле.

А теперь, продолжая вести индикатор вдоль проводов, передвинем его дальше, так чтобы он оказался бы напротив, конденсатора (сбоку от пластин). Что покажет индикатор? Ноль (ведь тока проводимости между обкладками конденсатора нет)? Это было бы нелогично: одинаковое магнитное поле вдоль провода, потом вдруг полный ноль между обкладками, а потом (когда пойдем индикатором вдоль второго провода) – снова поле. Интуитивно ясно, что магнитное поле вдоль всей цепи должно быть одинаковым (считая размеры конструкции малыми, чтобы пренебречь излучением).

Так и есть на практике. Но магнитное поле около конденсатора создает не ток, а меняющее по времени электрическое поле между его обкладками, которое Максвелл назвал током смещения.

Именно это и описывает дополнительный член в 4-м уравнении Максвелла. А его величина выбрана так, чтобы в ситуации данного примера магнитное поле везде (и около провода, около конденсатора) получалось бы одинаковым.

Следствия из уравнений Максвелла

Может сложиться впечатление, что добавка (1/c 2 )·∂E/∂t в четвертое уравнение Максвелла – это лишь небольшая математическая коррекция закона Ампера, чтобы на переменных полях из уравнения получать то, что имеем из физики.

Да, пока мы рассматриваем только одно четвертое уравнение, ничего особенно интересного не появляется (кроме того факта, что переменное электрическое поле порождает вокруг себя магнитное поле точно так же, как и электрический ток в проводе).

Но если рассмотреть всю систему уравнений Максвелла целиком, то оказывается, что эта небольшая добавка в 4-е уравнение приносит много важного.

1. Из совместного изучения второго и четвертого уравнений (точнее, добавки к 4-му уравнению) Максвелла следует, что электромагнитное поле сохраняет само себя и не может исчезнуть.

Допустим, мы имеем магнитное поле, а затем выключаем его. То есть, меняем его скачком. По закону Фарадея за счет изменения магнитного поля вокруг него (то есть чуть дальше) появляется электрическое поле. Причем тоже изменяющееся (т.к. его прародитель – магнитное поле было изменяющимся). По добавке Максвелла в 4-е уравнение это электрическое поле создаст вокруг себя (то есть еще дальше от исходного) новое магнитное поле (также изменяющееся). И так до бесконечности: магнитное и электрическое поле, перекачиваясь одно в другое, распространяются в пространстве до бесконечности. Узнали в этом описании радиоволну?

2. Из системы уравнений Максвелла вытекает, что распространяющееся в пространстве электромагнитное поле может делать это только со скоростью света с (давайте я опущу математический вывод этого факта, а то читатель еще наверное не пришел в себя от роторов и дивергенций).

Этот факт произвел революцию в физике. Ведь когда Максвелл писал свои уравнения, еще не было известно, что коэффициент с – это скорость света (мы её сразу назвали так, потому что знали ответ, но Максвелл-то его вначале не знал). Тогда это была просто некая константа. Точнее говоря, «электромагнитной константой» называли величину с 2 , получая её из экспериментов со светом никак не связанных.

… Отступление о том, как измеряли эту самую «электромагнитную константу». Измеряя силу притяжения между двумя единичными (причём, неважно, что считать единицей, их величина потом сокращается в дроби) зарядами можно экспериментально получить электрическую постоянную вакуума ε_o = 8,85418782. •10 -12 Ф/м. Магнитную постоянную вакуума μ_o = 1/ε_oc 2 из закона Ампера можно экспериментально определить, измеряя силы притяжения между двумя единичными токами (движение тех же единичных зарядов). Она равна μ_o = 1,25663706. •10 -6 Гн/м. Взяв обратную величину от произведения этих величин, получим c 2 = 1/ε_oμ_o «электромагнитную постоянную».

Таким образом, прямо из экспериментов с зарядами и токами нашли значение константы c 2 . А из уравнений Максвелла оказалось, что электромагнитное поле обязано распространяться со скоростью c. Когда Максвелл впервые проделал это вычисление по своим уравнениям, оказалось что полученная цифра (

3·10 8 м/с) очень близка к скорости света (эту скорость астрономы измерили до Максвелла по запаздыванию затмений спутников Юпитера).

Максвелл отметил это совпадение: «Мы едва ли можем избежать заключения, что свет это волнообразное движение той же самой среды, которая вызывает электрические и магнитные явления». Это революционное обобщение. До Максвелла свет рассматривался как область физики, совершенно отдельная от электричества и магнетизма. После Максвелла свет стал электромагнитными колебаниями и появились электромагнитные волны.

. Отступление о цифрах. Взяв квадратный корень из 1/ε_oμ_o получим точную скорость света c = 2,99792458·10 8 м/с. Кстати, это абсолютно точное значение. В отличие от других физических констант, которые имеют бесконечный хвост цифр за запятой, скорость света равна точно 299 792 458 м/с. Фокус тут не в какой-то сверхъестественной точности измерений, а том, что с 1983 года 1 метр в международной системе единиц (СИ) определён, как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1/299792458 секунды. То есть человечество подогнало свой метр под физическую константу c.

Квадратный корень из отношения μ_o/ε_o дает волновое сопротивление вакуума W = 376,730031 Ом. Возникает большой соблазн записать эту цифру как 120π, но увы это не точно: 120π = 376,991184. Так что число π (которое имеет бесконечное число цифр после запятой) не связано напрямую с электромагнетизмом.

Решения уравнений Максвелла

Решать мы их не будем. Это сложно. Тем более что решения зависят от начальных и граничных условий (расположения в пространстве токов и зарядов, поверхностей). Поэтому решать уравнения Максвелла надо заново для каждой задачи (например, расчета конкретной антенны в заданном окружении). И занимаются этим, в основном моделирующие компьютерные программы.

Здесь мы рассмотрим только готовое решение для электромагнитной волны в свободном пространстве.

Из этого решения вытекает положение векторов электрического и магнитного поля относительно направления движения электромагнитной волны:

• В перпендикулярно направлению распространения.
• E также перпендикулярно направлению распространения.
• В и Е перпендикулярны между собой.

В нашем трехмерном мире это возможно, только если B, Е и направление движения волны расположены по трем координатным осям. На следующей анимации показана электромагнитная волна в свободном пространстве:

Являющееся решением системы уравнений Максвелла трехмерное волновое уравнение по E для свободного пространства выглядит так:

Это очень интересное уравнение.

Во-первых, в нём явно видна равнозначность между пространственными координатами и временем: x, y, z и t стоят в одном ряду и в одном и том же виде (множитель c 2 перед временем говорит лишь о том, что у координат и времени разная размерность и этот множитель лишь приводит ее к одной: скорость умножить на время получаются метры). И эта идентичность расположения x, y, z и t говорит о том, что для электромагнитной волны наш мир четырехмерен, время является точно такой же полноправной координатой, как и x, y, z.

Во-вторых, в трехмерном волновом уравнении x, y, z и t стоят в квадрате. Что говорит от четырехмерной симметрии нашего мира (квадрат величины не зависит от ее знака: плюс или минус). Поэтому знаки координат x, y, z, и знак времени t можно менять на противоположные без изменения уравнения.

Решением этого трехмерного волнового уравнения является любая функция (волна), движущаяся в пространстве со скоростью c. Но из-за того, что в этом уравнении c встречается только в виде квадрата, изменение знака скорости c на противоположный ничего не меняет. Поэтому общим математическим решением волнового уравнения является сумма (наложение) двух волн со скоростью света одновременно бегущих в противоположные стороны.

И тут мы делаем следующий шаг: утверждаем (без математического доказательства, просто из опыта), что электромагнитные волны, создаваемые источником, всегда бегут только от него. Согласитесь, с точки зрения здравого смысла было бы очень странно, если бы еще до включения источника некая волна зародилась где-то очень далеко и успела бы прибыть к источнику именно в тот момент, когда мы надумали его включить. Решение уравнений Максвелла дает обеим волнам равные права. И мы сами на опыте устанавливаем добавочное (отсутствующее в уравнениях Максвелла) правило, что физический смысл имеет только одна из этих волн. Та, которая уходит от источника.

Из-за этого добавочного правила мы теряем симметрию по времени, которая есть в уравнениях Максвелла.

Кстати говоря, математиками внимательно исследовалась такая электродинамика, которая обходится без этого дополнительного правила и имеет две волны. Как ни странно, результаты таких исследований во многих случаях не являются физически абсурдными (а иногда они имеют явный физический смысл, например, прямая и обратная волна в длинных линиях). Но в физическую гипотезу такая электродинамика так и не превратилась, оставшись математическим экспериментом. Хотя возможность обратного движения по времени (т.е. его симметрии) так привлекательна, но… Так что мы пользуемся электродинамикой, в которой пространство симметрично, а время – нет (то есть волны всегда уходят от источника).

Компьютерные программы моделирования электромагнитных полей

Если источник точечный (бесконечно малый), то понятно, что волны, расходящиеся от него, в свободном пространстве будут сферическими. То есть одинаковыми по всем трем пространственным координатам. В таких условиях решение трехмерного волнового уравнения получается довольно простым: поле убывает обратно пропорционально расстоянию.

Но точечных источников не бывает. Реально они все протяженные. Как быть? Это просто: представим протяженный источник как сумму большого числа точечных источников (а для каждого из них мы поле считать уже умеем). А потом просуммируем все поля от всех точечных источников. Точнее проинтегрируем (интеграл это ведь сумма) по всему объему.

Получим два интегральных уравнения: интегральное уравнение электрического поля: electric-field integral equation (EFIE) и интегральное уравнение магнитного поля magnetic Field Integral Equation (MFIE).

Исходными данными для этих уравнений является геометрия рассчитываемого источника поля (антенны, например) и распределение токов в пространстве.

Два свойства EFIE делают его незаменимым для расчета антенн:

EFIE позволяет решать задачи излучения и рассеяния в неограниченной области (граница которой находится в бесконечности). Иными словами: можно рассчитывать излучающую антенну (ее поле и уходит в бесконечность).

EFIE может быть решено численными методами, в частности, методом моментов.

Для расчета полей в ограниченной области (например резонатор, волновод, и т.п.) лучше подходит MFIE.

Компьютерные программы моделирования антенн (например, MMANA-GAL, GAL-ANA) работают, решая уравнение электрического поля EFIE для каждой конкретной антенны.

Заключение

Вот система уравнений Максвелла во всей красе:

Она описывает абсолютно все электромагнитные явления. И вы ее теперь понимаете (во всяком случае, я на это надеюсь).

Уравнения Максвелла

Уравнения Максвелла — это 4 уравнения, которые описывают, как электрические и магнитные поля распространяются и взаимодействуют; т.е. эти уравнения (правила или даже законы) описывают процессы/взаимодействия электромагнетизма.

Эти правила описывают, как проходит управление поведением электрических и магнитных полей. Уравнения Максвелла показывают, что электрический заряд (положительный и отрицательный):

1. Порождает электрическое поле (также если заряд изменяется со временем, то он вызывает появление электрического поля).
2. В дальнейшем он вызывает появление магнитного поля.

Уравнения Максвелла в дифференциальной форме

Уравнение 1: Закон Гаусса или Теорема Гаусса

Дивергенция электрического поля равняется плотности заряда. Существует вязь между электрическим полем и электрическим зарядом.

Дивергенция в физике показывает, насколько данная точка пространства является источником или потребителем потока поля.

Очень кратко: Электрические поля расходятся от электрических зарядов: электрический заряд создаёт поле вокруг себя и, таким образом, действует как источник электрических полей. Это можно сравнить с краном, который является источником воды.

Ещё закон Гаусса говорит о том, что отрицательные заряды действуют как сток для электрических полей (способ, как вода стекает через отверстие стока). Это означает, что линии электрического поля имеют начало и поглощаются при электрическом заряде.

Заряды с одинаковым знаком отталкиваются друг от друга, а противоположные заряды притягиваются друг к другу (если есть два положительных заряда, они будут отталкиваться; а если есть один отрицательный и один положительный, они будут притягиваться друг к другу).

Уравнение 2: Закон электромагнитной индукции (Закон Фарадея)

Можно создать электрическое поле, изменив магнитное поле.

Очень кратко: Закон Фарадея гласит, что изменяющееся магнитное поле внутри контура вызывает индуцированный ток, который возникает из-за силы или напряжения внутри контура. Это значит:

1. Электрический ток порождает магнитные поля, а эти магнитные поля (вокруг цепи) вызывают электрический ток.
2. Изменяющееся во времени магнитное поле вызывает распространение электрического поля.
3. Циркулирующее во времени электрическое поле вызывает изменение магнитного поля во времени.

Уравнение 3: Закон Гаусса для магнетизма

Дивергенция магнитного потока любой замкнутой поверхности равна нулю. Магнитного монополя не существует.

Закон Гаусса для магнетизма утверждает (очень кратко):

1. Магнитных монополей не существует.
2. Расхождение полей B или H всегда равно нулю в любом объёме.
3. На расстоянии от магнитных диполей (это круговой ток) магнитные поля текут по замкнутому контуру.

Уравнение 4: Закон Ампера

Магнитное поле создаётся с помощью тока или изменяющегося электрического поля.

Очень кратко: Электрический ток порождает магнитное поле вокруг тока. Изменяющийся во времени электрический поток порождает магнитное поле.

Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной форме

Вспомним сначала в дифференциальной форме и следом будет в интегральной форме.

Уравнение 1: Закон Гаусса (Теорема Гаусса)

Это же уравнение в интегральной форме:

Поток вектора электрической индукции D через любую замкнутую поверхность равняется сумме свободных зарядов, охваченных этой поверхностью. Электрическое поле создаётся нескомпенсированными электрическими зарядами (это те, что создают вокруг себя своё собственное электрическое поле).

Уравнение 2: Закон электромагнитной индукции (Закон Фарадея)

И это же уравнение в интегральной форме:

Циркуляция вектора напряжённости Е вихревого электрического поля (по любому замкнутому контуру) равняется скорости изменения магнитного потока через площадь контура (S) с противоположным знаком.

Уравнение 3: Закон Гаусса для магнетизма

И это же уравнение в интегральной форме:

Силовые линии магнитного поля замкнуты, т.к. поток вектора индукции В магнитного поля через любую замкнутую поверхность равняется нулю.

Уравнение 4: Закон Ампера

И это же уравнение в интегральной форме:

Циркуляция вектора напряжённости Н магнитного поля по замкнутому контуру равняется алгебраической сумме токов, которые пронизывают этот контур. Магнитное поле создаётся не только током проводимости, но и переменным электрическим полем.

Почему теорию Максвелла так трудно понять?

Скромность не всегда добродетель

В 1865 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свою статью “Динамическая теория электромагнитного поля» в «Философских трудах Королевского общества». Ему было тогда тридцать четыре года. Оглядываясь назад, мы можем заметить, что работа Максвелла была самым важным событием девятнадцатого века в истории физических наук. Если говорить в общем о естественных науках, то статья Максвелла была второй по значимости после «Происхождения видов» Дарвина. Но важность работ Максвелла не была очевидна для его современников. Более двадцати лет его теория электромагнетизма в основном игнорировалась. Физикам было трудно ее понять из-за обилия сложных уравнений. Математикам было трудно ее понять, потому что Максвелл использовал для объяснений физический язык. Этот труд был расценен как неясное предположение без должного количества экспериментальных доказательств. Физик Михаил Пупин в своей автобиографии «От иммигранта к изобретателю» описывает, как он путешествовал из Америки в Европу в 1883 году в поисках того, кто понимал Максвелла. Он отправился изучать теорию Максвелла, как рыцарь в поисках Святого Грааля.

Пупин сначала поступил в Кембридж с твердым намерением изучить теорию у самого Максвелла. Он не знал, что Максвелл умер четыре года назад. Узнав, что Максвелл умер, он остался в Кембридже и был назначен преподавателем колледжа. Но его наставник знал о теории Максвелла меньше, чем он сам, и был заинтересован только в том, чтобы научить Михаила решать математические задачи трипоса. Михаил Пупин был поражен, обнаружив, как он говорит, «как мало было физиков, которые уловили смысл теории, даже через двадцать лет после того, как она была сформулирована Максвеллом в 1865 году». В конце концов он бежал из Кембриджа в Берлин и поступил студентом к Герману фон Гельмгольцу. Гельмгольц понимал теорию и учил Пупина тому, что знал сам. Пупин вернулся в Нью-Йорк, стал профессором Колумбийского университета и обучал последующие поколения студентов, которые впоследствии распространили Евангелие Максвелла по всей Америке.

Открытка от Максвелла Питеру Тейту

Как случилось, что теория Максвелла была так широко проигнорирована? В конце концов, Максвелл не был похож на своего современника Грегора Менделя, монаха, работавшего в безвестном монастырском саду в Богемии. Максвелл был известным профессором, директором Кавендишской лаборатории в Кембридже, ведущей фигурой в британском научном сообществе. Свидетельством его высокого положения можно считать то, что он был президентом секции А (математические и физические науки) Британской ассоциации содействия развитию науки, когда ассоциация провела свое ежегодное собрание в Ливерпуле в 1870 году. Он выступил с президентской речью в Ливерпуле, которая была опубликована во втором томе недавно основанного журнала «Nature». Стиль его выступления показывает нам, почему его теорию не воспринимали всерьез. Можно было ожидать, что он воспользуется возможностью, предоставленной президентской платформой, чтобы объявить миру о важности открытий, которые он сделал пять лет назад. Он не сделал ничего подобного. Он был абсурдно и раздражающе скромен.

Максвелл в первую очередь объявил тему своего выступления — обзор последних достижений, которые были сделаны на границе между математикой и физикой. Затем он с большим энтузиазмом рассказал о вихревой теории молекул, недавно предложенной сэром Уильямом Томсоном (впоследствии ставшим лордом Кельвином).

Теория, которую сэр Уильям основал на великолепных гидродинамических теоремах Гельмгольца, ищет свойства молекул в кольцевых вихрях однородной несжимаемой жидкости без трения. Гельмгольц показал, что в идеальной жидкости такое кружащееся кольцо, если оно однажды возникло, будет продолжать кружиться вечно, всегда будет состоять из той же самой части жидкости, которая была сначала закручена, и никогда не может быть разрезана надвое какой-либо естественной причиной. Эти кольцевые вихри способны к таким разнообразным связям и узловатым самоинволюциям, что свойства различных узловатых вихрей должны быть столь же различны, как и свойства различных видов молекул.

И так далее. Максвелл объяснил, как древняя теория о том, что материя состоит из атомов, столкнулась с логическим парадоксом. С одной стороны, атомы должны были быть твердыми, непроницаемыми и неразрушимыми. С другой стороны, данные спектроскопии и химии показали, что атомы имеют внутреннюю структуру и находятся под влиянием внешних сил. Этот парадокс в течение многих лет блокировал прогресс в понимании природы материи. Теперь, наконец, вихревая теория молекул разрешила парадокс. Вихри в эфире мягкие и имеют внутреннюю структуру, и тем не менее, согласно Гельмгольцу, они индивидуальны и неразрушимы. Оставалось только вывести факты спектроскопии и химии из законов взаимодействия вихрей, предсказанных гидродинамикой идеальной жидкости. Максвелл считал эту вихревую теорию материи замечательным примером плодотворного взаимодействия математики и физики.

Неясно, верил ли Максвелл всерьез в то, что говорил о вихревой теории. Возможно, он хотел, чтобы его речь развлекала слушателей, а не просвещала их. У него было хитрое чувство юмора, и вполне возможно, что он хвалил теорию вихря, зная, что более проницательные члены аудитории поймут, что теория была шуткой. Только в конце своего выступления Максвелл кратко упомянул о своей теории электромагнетизма.

Другая теория электричества, которую я предпочитаю, отрицает действие на расстоянии и приписывает электрическое действие напряжениям и давлениям во всепроникающей среде, причем эти напряжения одинаковы по характеру с теми, которые известны инженерам, и среда идентична той, в которой предполагается распространение света.

Фраза «Другая теория электричества, которую я предпочитаю», кажется, намеренно скрывает тот факт, что это была его собственная теория. Неудивительно, что вихри Кельвина произвели на его слушателей большее впечатление, чем уравнения Максвелла.

Мораль этой истории заключается в том, что скромность не всегда является добродетелью. Максвелл и Мендель оба были чрезмерно скромны. Скромность Менделя задержала прогресс биологии на пятьдесят лет. Скромность Максвелла замедлила прогресс физики на двадцать лет. Для прогресса науки будет лучше, если люди, делающие великие открытия, не будут слишком скромны, чтобы трубить в свои собственные трубы. Если бы у Максвелла было такое же эго, как у Галилея или Ньютона, он бы позаботился о том, чтобы его работы не игнорировались. Максвелл был таким же великим ученым, как Ньютон, и гораздо более приятным человеком. Но, к сожалению, он не начал президентскую речь в Ливерпуле словами, подобными тем, которые Ньютон использовал, чтобы представить третий том своей Principia Mathematica: «. исходя из тех же принципов, я теперь демонстрирую структуру системы мира». Ньютон не называл свой закон всемирного тяготения «очередной теорией тяготения, которую я предпочитаю».

Теория Максвелла и квантовая механика

Помимо скромности Максвелла, были и другие причины, по которым его теорию было трудно понять. Он заменил ньютоновскую вселенную материальных объектов, взаимодействующих друг с другом на расстоянии, вселенной полей, простирающихся через пространство и взаимодействующих только локально с материальными объектами. Понятие поля было трудно понять, потому что поля неосязаемы. Ученые того времени, включая самого Максвелла, пытались представить поля как механические структуры, состоящие из множества маленьких колесиков и вихрей, простирающихся в пространстве. Эти структуры должны были переносить механические напряжения, которые электрические и магнитные поля передавали между электрическими зарядами и токами. Чтобы поля удовлетворяли уравнениям Максвелла, система колес и вихрей должна была быть чрезвычайно сложной.

Если попытаться визуализировать теорию Максвелла с помощью таких механических моделей, она выглядит как возврат к астрономии Птолемея с планетами, движущимися по циклам и эпициклам в небе. Это не похоже на изящную астрономию Ньютона. Уравнения Максвелла, записанные в неуклюжих обозначениях, которыми пользовался Максвелл, были пугающе сложными, а его механические модели — еще хуже. Для современников теория Максвелла была лишь одной из многих теорий электричества и магнетизма. Ее было трудно осмыслить, и, казалось, не было явного преимущества перед другими теориями, которые описывали электрические и магнитные силы в ньютоновском стиле как дальнодействие между зарядами и магнитами. Неудивительно, что мало кто из современников Максвелла прилагал усилия, чтобы изучить его теорию.

Теория Максвелла становится простой и понятной только тогда, когда вы отказываетесь мыслить в терминах механических моделей. Вместо того чтобы думать о механических объектах как о первичных, а об электромагнитных напряжениях как о вторичных следствиях, вы должны думать об электромагнитном поле как о первичном, а о механических силах как о вторичном конструкте. Мысль о том, что первичными составляющими Вселенной являются поля, не сразу пришла в голову физикам поколения Максвелла. Поля — это абстрактное понятие, далекое от привычного мира вещей и сил. Уравнения поля Максвелла являются уравнениями в частных производных. Они не могут быть выражены простыми словами, такими как закон движения Ньютона: сила равна массе, умноженной на ускорение. Теория Максвелла должна была ждать следующего поколения физиков, Герца, Лоренца и Эйнштейна, чтобы раскрыть свою силу и прояснить свои концепции. Следующее поколение выросло с уравнениями Максвелла и чувствовало себя как дома во вселенной, построенной из полей. Первенство полей было так же естественно для Эйнштейна, как первенство механических структур — для Максвелла.

https://ddcolrs.wordpress.com/2018/01/17/maxwells-equations-from-20-to-4/

Современный взгляд на мир, возникший из теории Максвелла, — это мир с двумя слоями. Первый слой, слой фундаментальных составляющих мира, состоит из полей, удовлетворяющих простым линейным уравнениям. Второй слой, слой вещей, которые мы можем непосредственно потрогать и измерить, состоит из механических напряжений, энергий и сил. Эти два слоя связаны, потому что величины во втором слое являются квадратичными или билинейными комбинациями величин в первом слое. Чтобы вычислить энергии или напряжения, вы берете квадрат напряженности электрического поля или умножаете одну составляющую поля на другую. Двухслойная структура мира — основная причина, по которой теория Максвелла казалась загадочной и трудной. Объекты на первом уровне, объекты, которые действительно фундаментальны, являются абстракциями, не доступными непосредственно нашим чувствам. Объекты, которые мы можем чувствовать и осязать, находятся на втором слое, и их поведение лишь косвенно определяется уравнениями, действующими на первом слое. Двухслойная структура мира подразумевает, что основные процессы природы скрыты от нашего взгляда.

Теперь мы считаем само собой разумеющимся, что электрические и магнитные поля являются абстракциями, не сводимыми к механическим моделям. Чтобы убедиться в этом, достаточно взглянуть на единицы измерения электрического и магнитного полей. Условная единица напряженности электрического поля — квадратный корень из джоуля на кубический метр. Джоуль — это единица энергии, а метр — единица длины, но квадратный корень из джоуля — это не единица чего-то осязаемого. Мы не можем представить себе, как можно измерить непосредственно квадратный корень из джоуля. Единица измерения напряженности электрического поля — это математическая абстракция, выбранная таким образом, что квадрат напряженности поля равен плотности энергии, которую можно измерить с помощью реальных приборов. Единицей плотности энергии является джоуль на кубический метр, и поэтому мы говорим, что единицей напряженности поля является квадратный корень из джоуля на кубический метр. Это не означает, что напряженность электрического поля можно измерить с помощью квадратного корня калориметра. Это означает, что напряженность электрического поля — абстрактная величина, несоизмеримая с любыми величинами, которые мы можем измерить непосредственно.

Через шестьдесят лет после того, как Максвелл опубликовал свою теорию, Шредингер, Гейзенберг и Дирак изобрели квантовую механику. Квантовая механика была принята гораздо быстрее, чем теория Максвелла, потому что она сделала множество определенных предсказаний об атомных процессах и эксперименты показали, что все предсказания были правильными. Через год-два все поверили в квантовую механику как в практический инструмент для расчета основных процессов физики и химии. Природа, очевидно, подчинялась законам квантовой механики. Но значение квантовой механики оставалось спорным. Хотя квантовая механика была быстро принята, она не была быстро понята. Резкие расхождения во мнениях по поводу интерпретации квантовой механики сохраняются на протяжении семидесяти лет.

И почему их никто не понимал?

Прошло около тридцати лет после Максвелла, прежде чем его уравнения стали понятны всем. Для достижения согласованного понимания квантовой механики потребуется по меньшей мере вдвое больше времени. Мы все еще ведем страстные споры между сторонниками различных интерпретаций квантовой механики, Копенгагенской интерпретации, многомировой интерпретации, декогерентной интерпретации, интерпретаций скрытых переменных и многих других. Причина этих споров заключается в том, что различные интерпретаторы пытаются описать квантовый мир словами повседневного языка, а язык не подходит для этой цели. Повседневный язык описывает мир таким, каким его видят люди. Наше восприятие мира целиком связано с макроскопическими объектами, которые ведут себя в соответствии с правилами классической физики. Все понятия, которые появляются в нашем языке, являются классическими. Каждая из интерпретаций квантовой механики — это попытка описать квантовую механику на языке, в котором отсутствуют соответствующие понятия. Битвы между соперничающими интерпретациями продолжаются безостановочно, и конца им не видно.

Для понимания квантовой механики может оказаться полезным подчеркнуть сходство между квантовой механикой и теорией Максвелла. В двух отношениях теория Максвелла может дать ключ к тайнам квантовой механики.

Во-первых, попытки понять квантовую механику в терминах языка, основанного на классических понятиях, аналогичны попыткам понять теорию Максвелла в терминах механических моделей. Теория Максвелла стала изящной и понятной только после того, как были оставлены попытки представить электромагнитные поля с помощью механических моделей. Точно так же квантовая механика становится изящной и понятной только после того, как попытки описать ее словами прекращаются. Чтобы увидеть красоту теории Максвелла, необходимо отойти от механических моделей и погрузиться в абстрактный мир полей. Чтобы увидеть красоту квантовой механики, необходимо отойти от словесных описаний и погрузиться в абстрактный мир геометрии. Математика — это язык, на котором говорит природа. Язык математики делает мир максвелловских полей и мир квантовых процессов одинаково прозрачными.

Вторая связь между теорией Максвелла и квантовой механикой заключается в глубоком сходстве структуры. Подобно теории Максвелла, квантовая механика делит Вселенную на два слоя. Первый слой содержит волновые функции Шредингера, матрицы Гейзенберга и векторы состояний Дирака. Величины в первом слое подчиняются простым линейным уравнениям. Их поведение можно точно рассчитать. Но их нельзя наблюдать непосредственно. Второй слой содержит вероятности столкновений и превращений частиц, интенсивности и поляризации излучения, математические ожидания энергий и спинов частиц. Величины во втором слое могут быть непосредственно наблюдаемы, но не могут быть непосредственно вычислены. Они не подчиняются простым уравнениям. Это либо квадраты величин первого слоя, либо произведения одной величины первого слоя на другую. В квантовой механике, как и в теории Максвелла, Природа живет в абстрактном математическом мире первого слоя, но мы, люди, живем в конкретном механическом мире второго слоя. Мы можем описать Природу только абстрактным математическим языком, потому что наш вербальный язык находится дома только во втором слое.

Как и в случае с теорией Максвелла, абстрактное качество величин первого слоя проявляется в единицах, в которых они выражаются. Например, волновая функция Шредингера выражается в единице, которая является квадратным корнем из обратного кубического метра. Уже один этот факт ясно показывает, что волновая функция — это абстракция, навсегда скрытая от нашего взгляда. Никто никогда не измерит напрямую квадратный корень из кубического метра. Конечная важность теории Максвелла гораздо больше, чем ее непосредственные достижения в объяснении и объединении явлений электричества и магнетизма. Его конечная важность состоит в том, чтобы стать прототипом для всех великих триумфов физики двадцатого века. Это прототип теории относительности Эйнштейна, квантовой механики, теории обобщенной калибровочной инвариантности Янга-Миллса и единой теории полей и частиц.

Все эти теории основаны на концепции динамических полей, введенной Максвеллом в 1865 году. Все они имеют одинаковую двухслойную структуру, отделяющую мир простых динамических уравнений от мира человеческого наблюдения. Все они воплощают в себе то же качество математической абстракции, которое сделало теорию Максвелла трудной для понимания его современниками. Мы можем надеяться, что глубокое понимание теории Максвелла приведет к рассеиванию тумана непонимания, который все еще окружает интерпретацию квантовой механики. И мы можем надеяться, что глубокое понимание теории Максвелла поможет проложить путь к дальнейшим триумфам физики в XXI веке.