Физические основы современных представлений в теории электромагнитного поля

Рассматриваются базовые физические представления современной теории электромагнитного поля, основанные на концепции «корпускулярно-полевого дуализма» характеристик микрочастицы, где ее электрическому заряду соответствует полевой эквивалент в виде электрического векторного потенциала, а ее удельному (на единицу заряда) собственному моменту отвечает поле магнитного векторного потенциала.

По

левая концепция природы электричества является фундаментальной базой классической электродинамики и основана на признании того факта, что взаимодействие разнесенных в пространстве электрических зарядов осуществляется посредством электромагнитных полей. Физические свойства таких полей взаимодействия математически описываются системой функционально связанных между собой уравнений в частных производных первого порядка, называемых электродинамическими уравнениями Максвелла [1, 2]. В структуре этих уравнений, описывающих поведение электромагнитного поля в неподвижной среде, заложена основная аксиома классической электродинамики - неразрывное единство переменных во времени электрического и магнитного полей. В современной форме [1] такая система дифференциальных уравнений имеет следующий вид:

(a) , (б) , (1)

(в) , (г) .

Здесь соответственно поля: векторов электрической и магнитной напряженности, электрической и магнитной индукции, плотности электрического тока ; абсолютные и - электрическая и магнитная проницаемости, - удельная электрическая проводимость материальной среды, а - объемная плотность стороннего электрического заряда.

Важнейшим фундаментальным следствием уравнений Максвелла является тот факт, что и компоненты электромагнитного поля распространяются в пространстве в виде волн. Например, из (1а) и (1в) сравнительно просто получить волновое уравнение для поля электрической напряженности :

. (2)

Аналогично получается и уравнение волн поля магнитной напряженности , структурно тождественное уравнению (2). Видно, что скорость распространения этих волн определяется только лишь электрическими и магнитными параметрами пространства материальной среды: , и . В частности, в отсутствие поглощения () их скорость распространения , а колебания, согласно структуре уравнений (1), и компонент волн синфазны.

С целью ответа на вопрос, что переносят эти волны, воспользуемся уравнениями Максвелла (1), являющимися, в сущности, первичными уравнениями электромагнитной волны, откуда на основе уравнений (1а) и (1в) получаем закон сохранения энергии в форме, так называемой теоремы Пойнтинга:

. (3)

Видно, что поступающий извне в данную точку среды поток электромагнитной энергии за единицу времени (мощности), определяемый вектором Пойнтинга , идет на компенсацию джоулевых (тепловых) потерь в процессе электропроводности и изменение электрической и магнитной энергий, либо наоборот (3) - эти физические процессы вызывают излучение наружу потока электромагнитной мощности. При этом совокупное наличие в пространстве взаимосвязанных и полей вызывает отклик материальной среды в виде поля объемной плотности электромагнитного импульса: . Экспериментальное открытие импульса электромагнитного поля (давление света) [3] принадлежит русскому физику П.Н. Лебедеву (1899г.).

К сожалению, приходится констатировать, что, несмотря на серьезную методическую модернизацию исходных максвелловских уравнений Герцем, Хевисайдом и Эйнштеном и грандиозные успехи внедрения достижений электромагнетизма во многих областях жизни современного человеческого общества, общепринятая на сегодня теория электромагнитного поля и поныне базируется только лишь на представлениях 19 века о физических свойствах электрического заряда материальных тел. Таким образом, со времен Максвелла классическая электродинамика находится в концептуальном застое. Для аргументированной иллюстрации данного факта здесь нам вполне достаточно двух первичных фундаментальных соотношений электромагнетизма - закона Кулона силы взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов

(4)

и закона сохранения электрического заряда [1]

, (5)

чтобы цепочкой последовательных физико-математических рассуждений построить традиционную систему (1) уравнений электродинамики Максвелла.

Фундаментальность закона Кулона (4) состоит в том, что его посредством описывается силовое взаимодействие разнесенных в пространстве неподвижных электрически заряженных материальных тел, где для изучения следствий такого взаимодействия вводят понятие электрического поля в виде напряженности – силы Кулона на единицу заряда: , где - пробный точечный заряд. Топология структуры электрического поля точечного заряда такова, что интеграл от этой функции по сфере любого радиуса константен: , а при использовании понятия телесного угла несложно убедиться: поток вектора поля электрической индукции (смещения) через произвольную замкнутую поверхность S тождественно равен суммарному стороннему электрическому заряду в объеме внутри этой поверхности, причем на самой указанной поверхности индуцируется поляризационный электрический заряд , такой, что:

 Скачать реферат