ЭЛЕ́КТРОДИНА́МИКА

ЭЛЕ́КТРОДИНА́МИКА клас­си­че­ская, раз­дел фи­зи­ки, изу­чаю­щий элек­тро­маг­нит­ное по­ле, осу­ще­ст­в­ляю­щее элек­тро­маг­нит­ное взаи­мо­дей­ст­вие. За­ко­ны клас­сич. мак­ро­ско­пич. Э. сфор­му­ли­ро­ва­ны в Мак­свел­ла урав­не­ни­ях, ко­то­рые поз­во­ля­ют оп­ре­де­лять зна­че­ния па­ра­мет­ров элек­тро­маг­нит­но­го по­ля – на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля E и маг­нит­ной ин­дук­ции B – в ва­куу­ме и мак­ро­ско­пич. те­лах в за­ви­си­мо­сти от рас­пре­де­ле­ния в про­стран­ст­ве элек­трич. за­ря­дов и то­ков. Взаи­мо­дей­ст­вие не­под­виж­ных элек­трич. за­ря­дов опи­сы­ва­ет­ся урав­не­ния­ми элек­тро­ста­ти­ки, ко­то­рые яв­ля­ют­ся след­ст­вия­ми урав­не­ний Мак­свел­ла. Мик­ро­ско­пич. элек­тро­маг­нит­ное по­ле, соз­да­вае­мое отд. за­ря­жен­ны­ми час­ти­ца­ми, в клас­сич. Э. оп­ре­де­ля­ет­ся Ло­рен­ца – Мак­свел­ла урав­не­ния­ми, ко­то­рые ле­жат в ос­но­ве клас­сич. ста­ти­стич. тео­рии элек­тро­маг­нит­ных про­цес­сов в мак­ро­ско­пич. те­лах; ус­ред­не­ние этих урав­не­ний при­во­дит к урав­не­ни­ям Мак­свел­ла.

За­ко­ны клас­сич. Э. не­при­ме­ни­мы при боль­ших час­то­тах (ма­лых дли­нах) элек­тро­маг­нит­ных волн, т. е. для про­цес­сов, про­те­каю­щих на ма­лых про­стран­ст­вен­но-вре­менны́х ин­тер­ва­лах. В этом слу­чае спра­вед­ли­вы за­ко­ны кван­то­вой элек­тро­ди­на­ми­ки.

Историческая справка

Про­стей­шие элек­трич. и маг­нит­ные яв­ле­ния бы­ли из­вест­ны ещё в древ­ние вре­ме­на. Од­на­ко толь­ко в 1600 У. Гиль­берт впер­вые раз­гра­ни­чил элек­трич. и маг­нит­ные яв­ле­ния; от­крыл су­ще­ст­во­ва­ние и не­от­де­ли­мость маг­нит­ных по­лю­сов друг от дру­га, ус­та­но­вил, что зем­ной шар яв­ля­ет­ся ги­гант­ским маг­ни­том. В 17 – 1-й пол. 18 вв. бы­ли по­строе­ны пер­вые элек­тро­ста­тич. ма­ши­ны, ус­та­нов­ле­но су­ще­ст­во­ва­ние элек­трич. за­ря­дов двух ти­пов, об­на­ру­же­на элек­тро­про­вод­ность ме­тал­лов. В 1745 изо­бре­тён кон­ден­са­тор (лей­ден­ская бан­ка). В 1747–53 Б. Франк­лин соз­дал пер­вую по­сле­до­ва­тель­ную тео­рию элек­трич. яв­ле­ний, окон­ча­тель­но ус­та­но­вил элек­трич. при­ро­ду мол­нии и изо­брёл мол­ние­от­вод.

Во 2-й пол. 18 в. на­ча­лось ко­ли­че­ст­вен­ное изу­че­ние элек­трич. яв­ле­ний. По­яви­лись пер­вые из­ме­рит. при­бо­ры – элек­тро­ско­пы, элек­тро­мет­ры. Г. Ка­вен­диш (1772) и Ш. Ку­лон (1785) экс­пе­ри­мен­таль­но ус­та­но­ви­ли за­кон взаи­мо­дей­ст­вия не­под­виж­ных то­чеч­ных элек­трич. за­ря­дов – Ку­ло­на за­кон.

Сле­дую­щий этап в раз­ви­тии Э. свя­зан с от­кры­ти­ем в кон. 18 в. Л. Галь­ва­ни «жи­вот­но­го элек­три­че­ст­ва» и с ра­бо­та­ми А. Воль­ты, ко­то­рый изо­брёл пер­вый ис­точ­ник элек­трич. то­ка – галь­ва­нич. эле­мент (1800), с по­мо­щью ко­то­ро­го ста­ло воз­мож­ным соз­да­вать элек­трич. ток в те­че­ние дли­тель­но­го вре­ме­ни. В 1807 Г. Дэ­ви осу­ще­ст­вил элек­тро­лиз. В 1826 Г. Ом ус­та­но­вил за­ви­си­мость элек­трич. то­ка от на­пря­же­ния в це­пи (Ома за­кон), а в 1830 К. Га­усс сфор­му­ли­ро­вал осн. тео­ре­му элек­тро­ста­ти­ки – Га­ус­са тео­ре­му. В 1841–42 Дж. П. Джо­уль и Э. X. Ленц ус­та­но­ви­ли Джо­уля – Лен­ца за­кон.

В 1820 Х. Эр­стед об­на­ру­жил дей­ст­вие элек­трич. то­ка на маг­нит­ную стрел­ку, что оз­на­ча­ло взаи­мо­связь ме­ж­ду элек­трич. и маг­нит­ны­ми яв­ле­ния­ми. В том же го­ду А. М. Ам­пер ус­та­но­вил за­кон взаи­мо­дей­ст­вия элек­трич. то­ков (Ам­пе­ра за­кон); он по­ка­зал так­же, что свой­ст­ва на­маг­ни­чен­ных тел мо­гут быть объ­яс­не­ны цир­ку­ля­ци­ей в их мо­ле­ку­лах по­сто­ян­ных элек­трич. то­ков (мо­ле­ку­ляр­ных то­ков), т. е. все маг­нит­ные яв­ле­ния он свёл к взаи­мо­дей­ст­вию то­ков, счи­тая, что маг­нит­ные за­ря­ды не су­ще­ст­ву­ют. С от­кры­тия­ми Эр­сте­да и Ам­пе­ра свя­зы­ва­ют ро­ж­де­ние Э. как нау­ки.

В 1831 М. Фа­ра­дей от­крыл яв­ле­ние элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции, что по­ло­жи­ло на­ча­ло раз­ви­тию элек­тро­тех­ни­ки; в 1833–34 ус­та­но­вил за­ко­ны элек­тро­ли­за; пы­та­ясь до­ка­зать взаи­мо­связь элек­трич. и маг­нит­ных яв­ле­ний с оп­ти­че­ски­ми, он от­крыл по­ля­ри­за­цию ди­элек­три­ков (1837), яв­ле­ния па­ра­маг­не­тиз­ма и диа­маг­не­тиз­ма (1845), маг­нит­ное вра­ще­ние плос­ко­сти по­ля­ри­за­ции све­та (Фа­ра­дея эф­фект, 1845). Фа­ра­дей пред­по­ло­жил, что на­блю­дае­мое взаи­модей­ст­вие элек­трич. за­ря­дов и то­ков осу­ще­ст­в­ля­ет­ся че­рез соз­да­вае­мые ими в про­стран­ст­ве элек­трич. и маг­нит­ное по­ля. Ма­те­ма­тич. фор­му­ли­ров­ка за­ко­нов элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции бы­ла да­на Ф. Ней­ма­ном в 1845, кро­ме то­го, он ввёл по­ня­тия са­мо­ин­дук­ции и взаи­мо­ин­дук­ции. У. Том­сон (лорд Кель­вин) раз­вил тео­рию элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний в кон­ту­ре (1853).

Боль­шое зна­че­ние для раз­ви­тия Э. име­ло соз­да­ние но­вых при­бо­ров и ме­то­дов из­ме­ре­ния, а так­же еди­ной сис­те­мы элек­трич. и маг­нит­ных еди­ниц из­ме­ре­ний – Га­ус­са сис­те­мы еди­ниц. В 1846 В. Ве­бер ука­зал на связь си­лы то­ка с плот­но­стью элек­трич. за­ря­дов в про­вод­ни­ке и ско­ро­стью их упо­ря­до­чен­но­го пе­ре­ме­ще­ния; ус­та­но­вил за­кон взаи­мо­дей­ст­вия дви­жу­щих­ся то­чеч­ных за­ря­дов, ко­то­рый со­дер­жал но­вую уни­вер­саль­ную элек­тро­ди­на­мич. по­сто­ян­ную, пред­став­ляю­щую со­бой от­но­ше­ние элек­тро­ста­тич. и элек­тро­маг­нит­ной еди­ниц за­ря­да и имею­щую раз­мер­ность ско­ро­сти. В 1856 по­лу­че­но экс­пе­рим. зна­че­ние этой по­сто­ян­ной, близ­кое к ско­ро­сти све­та, что ука­за­ло на взаи­мо­связь элек­тро­маг­нит­ных и оп­тич. яв­ле­ний.

В 1861–73 Дж. Мак­свелл, опи­ра­ясь на эм­пи­рич. за­ко­ны элек­тро­маг­нит­ных яв­ле­ний и вве­дя ги­по­те­зу о по­ро­ж­де­нии маг­нит­но­го по­ля пе­ре­мен­ным элек­трич. по­лем, сфор­му­ли­ро­вал фун­дам. урав­не­ния клас­сич. Э., из ко­то­рых вы­те­ка­ло важ­ное след­ст­вие – су­ще­ст­во­ва­ние элек­тро­маг­нит­ных волн, рас­про­стра­няю­щих­ся со ско­ро­стью све­та. Г. Герц (1886–89) экс­пе­ри­мен­таль­но об­на­ру­жил су­ще­ст­во­ва­ние элек­тро­маг­нит­ных волн и тем са­мым под­твер­дил тео­рию Мак­свел­ла. А. С. По­пов (1896) с по­мо­щью элек­тро­маг­нит­ных волн ус­та­но­вил бес­про­во­лоч­ную связь (ра­дио). Урав­не­ния Мак­свел­ла лег­ли в ос­но­ву элек­тро­маг­нит­ной тео­рии све­та.

В кон. 19 – нач. 20 вв. на­чал­ся но­вый этап в раз­ви­тии Э. Ис­сле­до­ва­ния элек­трич. раз­ря­дов в га­зах при­ве­ли к от­кры­тию Дж. Дж. Том­со­ном дис­крет­но­сти элек­трич. за­ря­дов. В 1897 Том­сон из­ме­рил от­но­ше­ние за­ря­да элек­тро­на к его мас­се, в 1898 оп­ре­де­лил аб­со­лют­ную ве­ли­чи­ну за­ря­да элек­тро­на. Х. Ло­ренц, опи­ра­ясь на от­кры­тие Том­со­на и мо­ле­ку­ляр­но-ки­не­тич. тео­рию, за­ло­жил ос­но­вы элек­трон­ной тео­рии строе­ния ве­ще­ст­ва.

По­пыт­ки при­ме­не­ния за­ко­нов клас­сич. Э. к ис­сле­до­ва­нию элек­тро­маг­нит­ных про­цес­сов в дви­жу­щих­ся сре­дах при­ве­ли к соз­да­нию но­во­го раз­де­ла Э. – элек­тро­ди­на­ми­ки дви­жу­щих­ся сред. На ма­лых про­стран­ст­вен­но-вре­ме­нны́х про­ме­жут­ках ста­но­вят­ся су­ще­ст­вен­ны­ми кван­то­вые свой­ст­ва элек­тро­маг­нит­но­го по­ля, не учи­ты­вае­мые клас­сич. Э., и во 2-й четв. 20 в. бы­ла соз­да­на кван­то­вая элек­тро­ди­на­ми­ка.

С соз­да­ни­ем но­вых тео­рий зна­че­ние клас­сич. Э. не умень­ши­лось, бы­ли оп­ре­де­ле­ны лишь гра­ни­цы её при­ме­ни­мо­сти. Она яв­ля­ет­ся фун­да­мен­том боль­шин­ст­ва раз­де­лов элек­тро­тех­ни­ки, ра­дио­тех­ни­ки, элек­тро­ни­ки и оп­ти­ки.