Джеймс Клерк Максвелл и теория электромагнитного поля
Приведен краткий очерк из всемирной истории электромагнетизма, связанный с триумфом физических идей Фарадея и созданием Максвеллом на их основе теории электромагнитного поля....
Saved in:
| Date: | 2005 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2005
|
| Series: | Електротехніка і електромеханіка |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142482 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Джеймс Клерк Максвелл и теория электромагнитного поля / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2005. — № 1. — С. 5-7. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-142482 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1424822025-02-23T17:58:36Z Джеймс Клерк Максвелл и теория электромагнитного поля James Clark Maxwell and the theory of electromagnetic field Баранов, М.И. Електротехніка. Визначні події. Славетні імена Приведен краткий очерк из всемирной истории электромагнетизма, связанный с триумфом физических идей Фарадея и созданием Максвеллом на их основе теории электромагнитного поля. Наведено короткий нарис з всесвітньої історії електромагнетизму, який пов’язане з тріумфом фізичних ідей Фарадея і створенням Максвеллом на їх основі теорії електромагнітного поля. A brief sketch from the world history of electromagnetism connected with the triumph of Faraday’s physical ideas and creation by Maxwell of the theory of electromagnetic field on their base has been given. 2005 Article Джеймс Клерк Максвелл и теория электромагнитного поля / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2005. — № 1. — С. 5-7. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 2074-272X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142482 621.313 ru Електротехніка і електромеханіка application/pdf Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Електротехніка. Визначні події. Славетні імена Електротехніка. Визначні події. Славетні імена |
| spellingShingle |
Електротехніка. Визначні події. Славетні імена Електротехніка. Визначні події. Славетні імена Баранов, М.И. Джеймс Клерк Максвелл и теория электромагнитного поля Електротехніка і електромеханіка |
| description |
Приведен краткий очерк из всемирной истории электромагнетизма, связанный с триумфом физических идей Фарадея и созданием Максвеллом на их основе теории электромагнитного поля. |
| format |
Article |
| author |
Баранов, М.И. |
| author_facet |
Баранов, М.И. |
| author_sort |
Баранов, М.И. |
| title |
Джеймс Клерк Максвелл и теория электромагнитного поля |
| title_short |
Джеймс Клерк Максвелл и теория электромагнитного поля |
| title_full |
Джеймс Клерк Максвелл и теория электромагнитного поля |
| title_fullStr |
Джеймс Клерк Максвелл и теория электромагнитного поля |
| title_full_unstemmed |
Джеймс Клерк Максвелл и теория электромагнитного поля |
| title_sort |
джеймс клерк максвелл и теория электромагнитного поля |
| publisher |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| publishDate |
2005 |
| topic_facet |
Електротехніка. Визначні події. Славетні імена |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142482 |
| citation_txt |
Джеймс Клерк Максвелл и теория электромагнитного поля / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2005. — № 1. — С. 5-7. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| series |
Електротехніка і електромеханіка |
| work_keys_str_mv |
AT baranovmi džejmsklerkmaksvelliteoriâélektromagnitnogopolâ AT baranovmi jamesclarkmaxwellandthetheoryofelectromagneticfield |
| first_indexed |
2025-11-24T04:35:17Z |
| last_indexed |
2025-11-24T04:35:17Z |
| _version_ |
1849644986249773056 |
| fulltext |
Електротехніка: Визначні події. Славетні імена
ISBN 966-593-254-3 Електротехніка і Електромеханіка. 2005. №1 5
УДК 621.313
ДЖЕЙМС КЛЕРК МАКСВЕЛЛ И ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
Баранов М.И., д.т.н.
НИПКИ "Молния" Национального технического университета
"Харьковский политехнический институт"
Украина, 61013, Харьков, ул. Шевченко, 47, НИПКИ "Молния" НТУ "ХПИ"
тел. (0572) 707-68-41, Факс (0572) 707-61-33, E-mail: nipkimolniya@kpi.kharkov.ua
Наведено короткий нарис з всесвітньої історії електромагнетизму, який пов’язане з тріумфом фізичних ідей Фарадея
і створенням Максвеллом на їх основі теорії електромагнітного поля.
Приведен краткий очерк из всемирной истории электромагнетизма, связанный с триумфом физических идей Фарадея
и созданием Максвеллом на их основе теории электромагнитного поля.
175–летию со дня рождения
Джеймса Клерка Максвелла
посвящается.
13 июня 1831 года в г. Эдинбурге в шотландской
семье лэйрда (лендлорда) родился великий в будущем
физик Джеймс Клерк Максвелл [1]. Спустя несколько
месяцев 4 октября 1831 года гениальный английский
физик Майкл Фарадей (член Лондонского королевско-
го общества, академик Санкт-Петербургской, Париж-
ской и других всемирно известных академий) сделал
выдающееся открытие–открытие закона электромаг-
нитной индукции, имевшее и имеющее колоссальное
воздействие на мировую физическую науку и электро-
технику, без которого немыслимы все основные совре-
менные способы производства и канализации электро-
энергии, новейшие электротранспортные средства пе-
редвижения, способы и пути передачи на расстояние
электрических сигналов и бытовые технические блага
нашей цивилизации. Буквально через несколько дней
после своего открытия электромагнитной индукции
Фарадей создает первый в мире элементарный электро-
генератор [2], в котором воочию воплощается взаимо-
действие великих сил природы – электричества и маг-
нетизма. Фарадей с интервалом в девять лет (1831–
1840 годы) делает величайшие технические открытия,
которые производят техническую революцию в жизни
человечества – он изобретает принципиальные работо-
способные схемы электрогенератора и элетродвигателя
и тем самым открывает новую эпоху – эпоху электри-
чества. Выходят в свет первые серии многотомного
научного труда Фарадея "Экспериментальные исследо-
вания по электричеству" [3]. Работы Фарадея приводят
к началу разработок и широкому распространению и
применению в технике различных электромагнитных
устройств. Делаются первые опыты и появляются пер-
вые успехи в области электрического телеграфа. Ин-
женеры и техники подумывают о прокладке по дну
Атлантического океана электрического кабеля между
Европой и Америкой. В физической науке жизненно
встает задача по разработке единой теории электро-
магнетизма.
Но для Максвелла еще не наступило его "звезд-
ное время" – пока школа (Эдинбургская академия –
гимназия 1841–1847 годы), а затем Эдинбургский
(1847–1850 годы) и Кембриджский (1850–1854 годы)
университеты. Максвелл решает посвятить себя фи-
зике.
Джеймс Клерк Максвелл (1831г.–1879г.)
(с гравюры Стодарта).
Историки науки и библиографы Максвелла отме-
чают, что неизгладимое впечатление на молодого Мак-
свелла произвел указанный нами выше печатный труд
Фарадея [3], практически лишенный математических
выкладок, но полный экспериментальных результатов
по электромагнетизму и новых физических идей.
Заметим, что к этому времени в мировой физи-
ческой науке существовало две теории электричества:
первая – теория "силовых линий (трубок)" Фарадея и
вторая – теория, разработанная великими француз-
скими учеными Кулоном, Ампером, Био, Саваром,
Араго и Лапласом. В последней (второй) теории ис-
ходной точкой являлось представление о "дальнодей-
ствии" – мгновенном действии на расстоянии одного
физического тела на другое без промежуточной сре-
ды. Теория великих французов была прекрасно
оформлена математически и имела изящный вид. Воз-
зрения Фарадея в корне расходились с такими пред-
ставлениями ученых французской физической школы.
Фарадей был убежден в том, что "материя не может
6 Електротехніка і Електромеханіка. 2005. №1 ISBN 966-593-254-4
действовать там, где ее нет" [2]. Среду, через кото-
рую передается воздействие от одного физического
тела к другому, Фарадей впервые называет словом
"поле". Это "поле", по его мнению, пронизано "маг-
нитными и электрическими силовыми линиями". Од-
нако сторонники концепции "мгновенного дальнодей-
ствия" не принимают всерьез теоретических построе-
ний Фарадея, хотя восхищаются результатами его
экспериментальных исследований в области электри-
ческих и магнитных явлений.
Именно в это время с 1856 года Максвелл и на-
чинает свою упорную и многолетнюю борьбу за тео-
рию Фарадея. Вчитываясь в фарадеевские материалы
«Экспериментальных исследований по электричест-
ву» [3], Максвелл приходит к выводу, что упреки
французских физиков в «нематематических воззрени-
ях» Фарадея были поверхностными и несправедли-
выми. Позже Максвелл напишет: "Когда я стал уг-
лубляться в изучение работ Фарадея, я заметил, что
метод его понимания тоже математичен, хотя и не
представлен в условной форме математических сим-
волов. Я также нашел, что его метод может быть
выражен в обычной математической форме и таким
образом может быть сопоставлен с методами при-
знанных математиков" [3]. Не форма представления
Фарадеем своих научных материалов волновала Мак-
свелла. В трудах Фарадея его интересовали прежде
всего новые прогрессивные физические воззрения на
явление электромагнетизма. Максвелл полностью
принимает фарадеевскую концепцию "поля". Присое-
диняется он и к "силовым линиям" Фарадея [4]. "Не
следует смотреть на эти линии как на чисто мате-
матические абстракции. Это – направления, в кото-
рых среда испытывает натяжение, подобное натя-
жению веревки" – считает Максвелл [5]. Эта научная
работа в 1856 году стала первой статьей Джеймса
Клерка Максвелла по электричеству. Максвелл, как и
Фарадей, целиком принимает идею великого фран-
цузского физика Ампера о круговом магнитном поле,
окружающем проводник с электрическим током.
Максвелл это положение для среды (проводника
и окружающего его пространства) записывает в мате-
матической форме в виде следующего дифференци-
ального уравнения:
→→
= δHrot , (1)
где
→
H – вектор напряженности магнитного поля;
→
δ –
вектор плотности электрического тока, в который
Максвелл включает и "ток смещения", связанный со
смещением электрических зарядов в проводящих и
непроводящих средах.
Заметим, что в (1) Максвелл вместо символа
" rotor " – вихрь пользовался словом " curl " – зави-
ток с тем же математическим значением. Физический
смысл выражения (1) может быть легко понят и не-
специалистом: операция rot показывает в данном
случае, что вектор
→
H вращается вокруг вектора
→
δ .
Уравнение (1) свидетельствует о том, что магнитное
поле создается током. Это является обобщением и
дополнением электродинамики Ампера.
Максвелл, используя представление Фарадея о
природе электромагнитной индукции – возникнове-
нии электричества в контуре, число магнитных "сило-
вых линий" в котором изменяется то ли вследствие
относительного движения контура и магнита, то ли
вследствие изменения во времени t магнитного поля,
после многолетних трудов и научных поисков запи-
сывает такое дифференциальное уравнение:
t
BErot
∂
∂
−=
→
→
, (2)
где −
→
E вектор напряженности электрического поля;
−
→
B вектор индукции магнитного поля.
В (2) математическая операция rot означает
вращение вектора
→
E и охват им некоторого источни-
ка, которым в нашем случае является изменяющееся
во времени t магнитное поле с индукцией
→
B . В кон-
туре, охватывающем источник изменяющегося маг-
нитного поля, наводится электродвижущая сила, а в
пространстве возникает новое электрическое поле.
Знак "минус" в правой части выражения (2) показыва-
ет, что направление возникающего в замкнутом кон-
туре из-за электромагнитной индукции тока таково,
что последний (ток) препятствует изменению в нем
(контуре) магнитного потока
→→
∫= êS
sdBÔ
ê
, где
−кS площадь контура, пронизываемая магнитным
полем. Таким образом, уравнение (2) отражает закон
электромагнитной индукции Фарадея – возникнове-
ние электрического поля за счет изменения индукции
магнитного поля. Любое изменение магнитного поля
приводит в соответствии с (2) к возникновению в
пространстве вихревого электрического поля.
Согласно воззрениям Фарадея и Максвелла
"электрические силовые линии" начинаются и конча-
ются на электрических зарядах, являющихся источни-
ками электрического поля. "Магнитные силовые ли-
нии" относительно проводника с током располагаются
кольцеобразно, а у колец, как известно, нет ни начала,
ни конца. Поэтому "магнитные силовые линии" про-
водника с током не могут где-то начинаться и где-то
кончаться – они замкнуты сами на себя. Известно, что
в математике для обозначения такой ситуации с ис-
точниками поля применяется операция дивергенции
( div ), так как дивергенция является мерой источни-
ка. В этой связи Максвелл уравнения (1) и (2) допол-
няет нижеследующими двумя уравнениями:
;ρ=
→
Ddiv (3)
0=
→
Bdiv , (4)
где −=
→→
ED ε вектор электрической индукции;
;
→→
= HB µ −µε , соответственно диэлектрическая и
ISBN 966-593-254-3 Електротехніка і Електромеханіка. 2005. №1 7
магнитная проницаемости среды; −ρ объемная
плотность электрических зарядов.
Физически выражения (3) и (4) означают, что
"силовые линии" электрического поля кончаются на
электрических зарядах, плотность которых равна ρ ,
а "силовые линии" магнитного поля не заканчиваются
нигде, так как они замкнуты сами на себя и всюду
непрерывны. Выражения (1)–(4) и составляют все-
мирно известные уравнения Максвелла для проводя-
щих и непроводящих сплошных сред, которые для
каждого из конкретных случаев их (сред) технической
реализации дополняются соответствующими гранич-
ными и начальными условиями. Система научных
взглядов, которая легла в основу уравнений (1)–(4),
получила в физике и электротехнике название мак-
свелловской теории электромагнитного поля, которой
Джеймс Клерк Максвелл посвятил практически поло-
вину своей непродолжительной жизни, оборвавшейся
от тяжелой болезни 5 ноября 1879 года. Следует от-
метить тот факт, что вышеприведенные четыре урав-
нения Максвелла (1)–(4) в указанной компактной
форме записи, употребляемой электрофизиками и
электротехниками и до сих пор, самим Максвеллом
вначале представлялись в виде двенадцати уравнений
[6], которые в свое время были "расчищены" от вто-
ростепенных соотношений известными учеными–
электротехниками Герцем и Хевисайдом и сокращены
до четырех – самых важных.
Теория электромагнитного поля Максвелла про-
демонстрировала триумф физических идей Майкла
Фарадея, касающихся электромагнетизма. По метко-
му и образному выражению знаменитого американ-
ского физика Роберта Милликена "Максвелл облек
плебейски обнаженные представления Фарадея в
аристократические одежды математики" [2]. Еще в
1861 году Максвелл показал, что "свет есть элек-
тромагнитное возмущение". Максвелл считал, "что
точно так же, как существуют излучения световые,
должны существовать и излучения электромагнит-
ные". Тридцатилетний Максвелл медленно, но плано-
мерно подходит к великому открытию – открытию
идентичности световых и электромагнитных волн, а
затем и к своему величайшему открытию – к электро-
магнитной теории света. В статье "Динамическая тео-
рия" Максвелл впервые использовал термин "элек-
тромагнитное поле". Предложенную в этой статье
теорию он называет "теорией электромагнитного
поля", содержащей в развернутом виде и так называе-
мые сейчас в электродинамике уравнения Максвелла.
Тем самым Джеймс Клерк Максвелл прибавляет к
веществу – известному тысячелетия виду материи
еще один ее ранее неизвестный вид – электромагнит-
ное поле. В 1864 году из-под пера тридцатитрехлетне-
го Максвелла впервые появились слова "электромаг-
нитные волны". Создав новую теорию электромагне-
тизма – теорию электромагнитного поля и изложив ее
в завершенном виде в своем известном научном труде
"Трактат об электричестве и магнетизме" [6], Мак-
свелл понял, что электромагнитное поле в простран-
стве распространяется в виде поперечных электро-
магнитных волн.
В предсказании электромагнитных волн Мак-
свелл обогнал свое время. Он не мог знать того, что
еще в 1832 году Майкл Фарадей оставил в Лондон-
ском королевском обществе для хранения в архиве
запечатанный конверт с надписью "Новые воззрения,
подлежащие в настоящее время хранению в архивах
Королевского общества" [1,3]. Лишь через сто шесть
лет в 1938 году этот конверт был вскрыт английскими
учеными. На пожелтевшем листке, находившемся в
конверте, содержались слова и мысли, потрясшие
всех собравшихся. Оказалось, что уже Фарадей ясно
представлял себе то, что "индуктивные явления рас-
пространяются в пространстве с некоторой скоро-
стью в виде волн". Майкл Фарадей на этом бумажном
листке 12 марта 1832 года написал: "Я пришел к за-
ключению, что на распространение магнитного воз-
действия требуется время, которое, очевидно, ока-
жется весьма незначительным. Я полагаю также,
что электрическая индукция распространяется точ-
но таким же образом. Я полагаю, что распростра-
нение магнитных сил от магнитного полюса похоже
на колебания взволнованной водной поверхности. По
аналогии я считаю возможным применить теорию
колебаний к распространению электрической индук-
ции. В настоящее время, насколько мне известно,
никто из ученых, кроме меня, не имеет подобных
взглядов" [2].
История подтвердила правоту этих и других ин-
туитивных догадок, предположений и умозаключений
Майкла Фарадея, касающихся явлений электричества
и магнетизма. Научные работы и достижения в облас-
ти электромагнетизма как Фарадея, так и Максвелла
выдержали самые суровые испытания – испытания
временем. Нильс Бор, выдающийся физик двадцатого
столетия, предложивший миру жизнеспособную мо-
дель атома вещества, на 100 – летнем юбилее Джейм-
са Клерка Максвелла в 1931 году сказал: "Научный
язык Ньютона и Максвелла останется языком физи-
ков на все времена" [1].
ЛИТЕРАТУРА
[1] Карцев В.П. Максвелл/ Серия: Жизнь замечательных
людей.-М.: Молодая гвардия, 1976.-336с.
[2] Карцев В.П. Приключения великих уравнений.-М.: Зна-
ние, 1978.-224с.
[3] Боев В.М. К 175-летию опубликования первой серии
"Экспериментальных исследований по электричеству"
Майкла Фарадея// Електротехніка і електромеханіка.-
2004.-№3.-С.5-7.
[4] Максвелл Д.К. О фарадеевских силовых линиях.-М.:
1907.
[5] Максвелл Д.К. О фарадеевских линиях силы// Труды
Кембриджского философского общества.-1856.-том 10.-
56с.
[6] Maxwell J.C. A treatise on electricity and magnetism, vol.
II, Clarendon Press, Oxford, 1873.
Поступила 01.11.2004
|