§ 5.2. Электромагнитное поле

После открытия взаимосвязи между электрическим и магнитным полями стало ясно, что эти поля не существуют обособленно, независимо одно от другого.

Зависимость характеристик электрического и магнитного полей от системы отсчета

Нельзя создать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно в пространстве не возникло и электрическое поле. И наоборот, переменное электрическое поле не может существовать без магнитного.

Правда, покоящийся заряд создает только электрическое поле (рис. 5.3). Но ведь заряд покоится лишь относительно определенной системы отсчета. Относительно других систем отсчета он будет двигаться и, следовательно, создавать и магнитное поле (рис. 5.4).

Точно так же лежащий на столе магнит создает только магнитное поле. Но движущийся относительно него наблюдатель обнаружит и электрическое поле в полном соответствии с явлением электромагнитной индукции.

Значит, утверждение, что в данной точке пространства существует только электрическое или только магнитное поле, бессмысленно, если не указать, по отношению к какой системе отсчета эти поля рассматриваются. Отсутствие электрического поля в системе отсчета, содержащей покоящийся магнит, совсем не означает, что электрического поля нет вообще. По отношению к любой движущейся относительно магнита системе отсчета это поле может быть обнаружено.

Подобно тому как меняется окраска окружающего нас пейзажа, если рассматривать его сквозь различные цветные стекла (светофильтры), меняются количественные характеристики полей при переходе от одной системы отсчета к другой. Подобно тому как синие предметы становятся на черном фоне невидимыми, если их рассматривать через красное стекло, подходящим выбором системы отсчета мы можем в ряде случаев сделать ненаблюдаемыми магнитное поле или поле электрическое.

Разница в одном, но очень важном обстоятельстве. Мы можем отбросить цветные стекла и сказать: вот истинные цвета пейзажа, вот каков он в действительности! С полным правом один из светофильтров (атмосферу) можно объявить привилегированным. Сделать же это с системой отсчета нельзя. Все инерциальные системы отсчета имеют совершенно одинаковые права на существование. Поэтому нет какой-то особой конфигурации полей, имеющих абсолютную значимость, независимую от системы отсчета.

На основании сказанного можно сделать вывод: электрические и магнитные поля — проявление единого целого: электромагнитного поля.

В зависимости от того, в какой системе отсчета рассматриваются электромагнитные процессы, проявляются те или иные стороны этого единого целого.

Как передаются электромагнитные взаимодействия?

Фундаментальные законы природы, к числу которых относятся открытые Максвеллом законы электромагнетизма, замечательны в следующем отношении: они могут дать гораздо больше, чем заключено в тех фактах, на основе которых они получены. Если бы каждый закон содержал в себе лишь те факты, из которых он выведен, то законов было бы столько же, сколько явлений природы. Вместо современной науки мы имели бы необозримое скопление сведений о наблюдаемых в природе процессах, но ничего не могли бы предсказать.

Среди бесчисленных, очень интересных и важных следствий, вытекающих из максвелловских законов электромагнитного поля, одно заслуживает особого внимания. Это вывод о конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий.

Согласно теории дальнодействия кулоновская сила, действующая на электрический заряд, сразу же изменится, если соседний заряд сдвинуть с места. Действие передается мгновенно. С точки зрения действия на расстоянии иначе быть не может. Ведь один заряд непосредственно через пустоту «чувствует» присутствие другого.

вихревое магнитное или вихревое электрическое поле

По Максвеллу же дело обстоит совершенно иначе и много сложнее. Перемещение заряда меняет электрическое поле вблизи него. Это переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле в соседних областях пространства. Переменное магнитное поле, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле и т. д. Причем возникающее вихревое магнитное или вихревое электрическое поле гасит поле в тех областях пространства, где оно уже имелось, но захватывает новые области пространства (рис. 5.5)*.

* Все происходит по тем правилам определения направления напряженности и магнитной индукции полей, о которых говорилось. Если бы напряженности и индукции полей были направлены иначе, то это привело бы к нарушению закона сохранения энергии. Созданное в пространстве магнитное поле нарастало бы со временем, распространяясь во все стороны.

Перемещение заряда вызывает, таким образом, «всплеск» электромагнитного поля, который, распространяясь, охватывает все большие и большие области окружающего пространства, перестраивая по дороге то поле, которое существовало до смещения заряда. Наконец, этот «всплеск» достигает второго заряда, что и приводит к изменению действующей на него силы. Но произойдет это не в тот момент времени, когда произошло смещение первого заряда. Процесс распространения электромагнитного возмущения, механизм которого был вскрыт Максвеллом, протекает с конечной, хотя и очень большой, скоростью.

Максвелл чисто математически показал, что скорость распространения этого процесса равна скорости света в пустоте — 300 000 км/с. Вот новое фундаментальное свойство поля, которое делает его, наконец, осязаемой реальностью.

Можно поставить в принципе опыт по измерению времени распространения возмущения между двумя зарядами. Практически, правда, подобный опыт трудно осуществить, так как очень велика скорость. Конечность скорости передачи электромагнитных взаимодействий была установлена по-другому.