Электричество

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов осуществляется посредством электростатического поля. Движущиеся заряды (электрический ток) наряду с электрическим полем возбуждают и магнитное поле, то есть порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляются электромагнитные взаимодействия. Таким образом, электричество неразрывно связано с магнетизмом. Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой, в основе которой лежат уравнения Максвелла.

Простейшие электрические и магнитные явления известны с глубокой древности. Близ города Магнесия в Малой Азии были найдены удивительные камни (по месту нахождения их назвали магнитными, или магнитами), которые притягивали железо. Кроме того, древние греки обнаружили, что кусочек янтаря (греч. elektron, электрон), потертый о шерсть, мог поднять маленькие клочки папируса. Именно словам «магнит» и «электрон» обязаны своим происхождением термины «магнетизм», «электричество» и производные от них.

Классическая теория электричества охватывает огромную совокупность электромагнитных процессов. Среди четырех типов взаимодействий — электромагнитных, гравитационных, сильных (ядерных) и слабых, существующих в природе, электромагнитные взаимодействия занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. В повседневной жизни, за исключением притяжения к Земле и приливов в океане, человек встречается в основном только с проявлениями электромагнитных сил. В частности, упругая сила пара имеет электромагнитную природу. Поэтому смена «века пара» «веком электричества» означала лишь смену эпохи, когда не умели управлять электромагнитными силами, на эпоху, когда научились распоряжаться этими силами по своему усмотрению.

Трудно даже перечислить все проявления электрических (точнее, электромагнитных) сил. Они определяют устойчивость атомов, объединяют атомы в молекулы, обусловливают взаимодействие между атомами и молекулами, приводящее к образованию конденсированных (жидких и твердых) тел. Все виды сил упругости и трения также имеют электромагнитную природу.

Велика роль электрических сил в ядре атома. В ядерном реакторе и при взрыве атомной бомбы именно эти силы разгоняют осколки ядер и приводят к выделению огромной энергии. Наконец, взаимодействие между телами осуществляется посредством электромагнитных волн — света, радиоволн, теплового излучения и др.

Электромагнитные силы не универсальны. Они действуют лишь между электрически заряженными частицами. Тем не менее они определяют структуру материи и физические процессы в широком пространственном интервале масштабов — от 10^-13 до 10⁷ см (на меньших расстояниях определяющими становятся ядерные взаимодействия, а на больших — нужно учитывать и гравитационные силы). Главная причина в том, что вещество построено из электрически заряженных частиц — отрицательных — электронов и положительных атомных ядер. Именно существование зарядов двух знаков — положительных и отрицательных — обеспечивает действие как сил притяжения между разноименными зарядами, так и сил отталкивания между одноименными, и эти силы очень велики по сравнению с гравитационными.

С увеличением расстояния между заряженными частицами электромагнитные силы медленно (обратно пропорционально квадрату расстояния) убывают, подобно гравитационным силам. Но заряженные частицы образуют нейтральные системы — атомы и молекулы, силы взаимодействия между которыми проявляются лишь на очень малых расстояниях. Существенен также сложный характер электромагнитных взаимодействий: они зависят не только от расстояний между заряженными частицами, но и от их скоростей и даже ускорений.

Широкое практическое использование электрических явлений началось лишь во второй половине 19 в., после создания Дж. К. Максвелломклассической электродинамики. Изобретение радио А. С. Поповым и Г. Маркони — одно из важнейших применений принципов новой теории. Впервые в истории человечества научные исследования предшествовали техническим применениям. Если паровая машина была построена задолго до создания теории теплоты (термодинамики), то сконструировать электродвигатель или осуществить радиосвязь оказалось возможным только после открытия и изучения законов электродинамики.

Широкое применение электричества связано с тем, что электрическую энергию легко передавать по проводам на большие расстояния и, главное, преобразовывать с помощью сравнительно несложных устройств в другие виды энергии: механическую, тепловую, энергию излучения и т. д. Законы электродинамики лежат в основе всей электротехники и радиотехники, включая телевидение, видеозапись и почти все средства связи. Теория электричества составляет фундамент таких актуальных направлений современной науки, как физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций, лазерная оптика, магнитная гидродинамика, астрофизика, конструирование вычислительных машин, ускорителей элементарных частиц и др.

Бесчисленные практические применения электромагнитных явлений преобразовали жизнь людей на земном шаре. Человечество создало вокруг себя «электрическую среду» — с повсеместной электрической лампочкой и штепсельной розеткой почти на каждой стене.

С прогрессом науки значение классического учения об электричестве не уменьшилось. Были определены лишь границы применения классической электродинамики. Эти границы устанавливаются квантовой теорией. Классическая электродинамика успешно описывает поведение электромагнитного поля при достаточно медленных колебаниях этого поля. Чем больше частота колебаний, тем отчетливее обнаруживаются квантовые (корпускулярные) свойства электромагнитного поля.

Автор: Г.Я. Мякишев