Электрическое поле: основные понятия

Теория близкодействия

Согласно теории близкодействия, электрические заряды передают свои взаимодействия с помощью особых вещественных частиц-посредников и производятся с конечной скоростью.

Основателями теории близкодействия в классической физике являются философ и физик Рене Декарт и естествоиспытатель Майкл Фарадей. В рамках данной концепции принято считать, что частицы, которые являются посредниками в процессе передачи взаимодействий, движутся со строго определённой скоростью, которая стремится к скорости света.

Переносчиками, или телами-посредниками, которые передают взаимодействие зарядов, являются кванты электрического поля, движущиеся со скоростью света.

Теория близкодействия

Квантовые поля

Сейчас считается, что квантовая механика должна лежать в основе всех физических явлений, так что классическая теория поля должна, по крайней мере в принципе, допускать пересмотр в терминах квантовой механики; успех приводит к соответствующей квантовой теории поля . Например, квантование классической электродинамики дает квантовую электродинамику . Квантовая электродинамика, пожалуй, самая успешная научная теория; экспериментальные данные подтверждают его предсказания с большей точностью (до более значащих цифр ), чем любая другая теория. Две другие фундаментальные квантовые теории поля — это квантовая хромодинамика и электрослабая теория .

Поля, обусловленные цветными зарядами , как в кварках ( G — тензор напряженности глюонного поля ). Это «бесцветные» сочетания. Вверху: Цветной заряд имеет «тройные нейтральные состояния», а также двоичную нейтральность (аналогично электрическому заряду ). Внизу: комбинации кварка и антикварка.

В квантовой хромодинамике силовые линии цветного поля на коротких расстояниях связаны глюонами , которые поляризованы полем и выстраиваются в линию с ним. Этот эффект усиливается на небольшом расстоянии (около 1 фм от окрестности кварков), заставляя цветную силу увеличиваться на небольшом расстоянии, удерживая кварки внутри адронов . Поскольку силовые линии плотно стягиваются глюонами, они не «изгибаются» наружу так сильно, как электрическое поле между электрическими зарядами.

Эти теории три квантовых полей могут быть получены как частные случаи так называемой стандартной модели в физике элементарных частиц . Общая теория относительности , теория поля гравитации Эйнштейна, еще предстоит успешно квантовать. Однако расширение, теория теплового поля , имеет дело с квантовой теорией поля при конечных температурах , что редко рассматривается в квантовой теории поля.

В теории БРСТ рассматриваются нечетные поля, например, призраки Фаддеева – Попова . Существуют разные описания нечетных классических полей как на градуированных многообразиях, так и на супермногообразиях .

Как и в случае с классическими полями, можно подойти к их квантовым аналогам с чисто математической точки зрения, используя те же методы, что и раньше. Уравнения, управляющие квантовыми полями, на самом деле являются PDE (в частности, релятивистскими волновыми уравнениями (RWE)). Таким образом, можно говорить о полях Янга – Миллса , Дирака , Клейна – Гордона и Шредингера как о решениях соответствующих уравнений. Возможная проблема заключается в том, что эти RWE могут иметь дело со сложными математическими объектами с экзотическими алгебраическими свойствами (например, спиноры не являются тензорами , поэтому может потребоваться исчисление для спинорных полей ), но в теории они все же могут быть подвергнуты аналитическим методам при соответствующем математическом обобщении .

Электромагнитное поле

Электромагнитное поле — это та часть пространства, которая содержит в себе или окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии. Таково определение электромагнитного поля, впервые данное Дж. К. Максвеллом.

В настоящее время электромагнитное поле определяется как особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие электрически заряженных тел. Термин * электромагнитное поле» ввёл М. Фарадей, причём для него это был реальный физический объект, распределённый в пространстве. Описание электромагнитных явлений с помощью представления об электромагнитном поле было альтернативой теории дальнодействия. Впоследствии Дж. Максвелл облёк идеи М. Фарадея в математическую форму. Он определил электромагнитное поле как совокупность взаимосвязанных векторных полей и установил законы, которым они подчиняются. В своей теории

Максвелл показал, что: 1) электрическое поле может быть создано неподвижными зарядами; 2) электрическое поле может быть создано переменным магнитным полем, и в этом случае его силовые линии являются замкнутыми; они охватывают изменяющийся магнитный поток (переменное электрическое поле называется вихревым); 3) магнитное поле не имеет источников (нет магнитных зарядов), его силовые линии всегда замкнуты; 4) переменное электрическое поле (переменный поток электрических силовых линий) создаёт переменное магнитное поле. Линии магнитной индукции этого поля охватывают линии напряжённости электрического поля (рис. 140) аналогично случаю создания переменным магнитным полем вихревого электрического поля.

Рис. 140

Однако теперь при возрастании напряжённости электрического поля

Таким образом, источником электромагнитного поля являются ускоренно движущиеся заряды. Переменные электрическое и магнитное поля существуют в пространстве независимо от наличия в них проводников. Проводник, замкнутый на гальванометр, в опытах Фарадея по электромагнитной индукции явился лишь индикатором, с помощью которого было обнаружено переменное электрическое поле, индуцированное переменным магнитным полем.

Согласно законам Максвелла, переменное электрическое поле не может существовать без переменного магнитного, а переменное магнитное — без переменного электрического.

Электрическое поле может существовать без магнитного или магнитное без электрического лишь по отношению к определённой системе отсчёта. Так, покоящийся в данной системе отсчёта заряд создаёт только электрическое поле. Однако относительно любой другой движущейся (относительно данной) системы отсчёта он создаёт магнитное поле. То же самое можно сказать относительно неподвижного магнитного поля (например, постоянного магнита). Относительно движущегося к нему наблюдателя магнитное поле будет переменным и, следовательно, будет порождать вихревое электрическое поле.

Таким образом, электромагнитное поле — это единое целое: в зависимости от системы отсчёта проявляются те или иные свойства поля. Теорию Максвелла по своей значимости можно сравнить с законами Ньютона. Предсказания теории Максвелла в полной мере были подтверждены экспериментально и явились основой для всей современной электротехники и радиотехники.

Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Вынужденные электромагнитные колебания в физике

Резонанс в электрической цепи в физике

Электромагнитные волны в физике

Переменный ток в физике

8 Поля Стандартной модели

В рамках недоказанных утверждений абстрактного теоретического построения, называемого сторонниками «Стандартной моделью» в качестве фундаментальных выступают следующие поля:

• Фундаментальные фермионные поля — каждому фундаментальному фермиону (каждому типу вымышленных кварков и каждому типу лептонов) в рамках Стандартной модели соответствует своё поле, математически представляемое спинорным полем,
• Фундаментальные бозонные поля (поля — переносчики фундаментальных взаимодействий, в рамках голословных утверждений Квантовой «теории» и в нарушение закона сохранения энергии).

Эти гипотетические поля Стандартная модель называет калибровочными полями. Утверждается, что физике известны такие их типы:

• Электрослабое поле — вымышленное поле вымышленного взаимодействия (электрослабого),
• Электромагнитное поле — действительно существует в природе,
• — Электрическое поле — является одной из форм электромагнетизма
• — Магнитное поле — является одной из форм электромагнетизма
• Поле — переносчик слабого взаимодействия — вымышленное поле вымышленного взаимодействия,
• Глюонное поле — вымышленное поле вымышленного взаимодействия (сильного) вымышленных частиц (кварков) путем обмена вымышленными частицами (глюонами) в нарушение законов природы,
• Поле ядерных сил — сводится к электромагнитным взаимодействиям нуклонов в ближней зоне,
• Гравитационное поле — в природе существует не абстрактное математическое гравитационное поле, а векторные гравитационные поля элементарных частиц, и там математика совершенно другая: не скалярная, а векторная.

Воздействие электрического поля на жизнь и здоровье человека

Электрическое поле волны низкой частоты, которые образуют заряд на теле человека и остаются на довольно неглубоком расстоянии от его поверхности. Протекающие в человеческом теле токи могут изменить направление своего движения под воздействием полей с переменным электротоком. Именно по этой причине некоторые люди чувствуют «шевеление» волос, когда находятся на территории воздушных линий электропередач переменного тока.

Электрическое поле может нанести человеку непоправимый вред. Как правило, негативное воздействие электричества происходит, когда люди регулярно пользуются мобильными телефонами.

Ещё один пример возможного наблюдения электрического поля в повседневной жизни – его возникновение вблизи дисплеев телевизоров с кинескопом. Если поднести руку к экрану такого телеприёмника, волоски на ней словно «вздыбятся». Это явление происходит именно из-за воздействия электрического поля.

Еще рекомендую посмотреть лекцию профессора на тему “Электрическое поле”:

Теории дальнодействия и близкодействия

Физики выдвигали различные теории, пытаясь объяснить взаимодействие зарядов. Наибольшее распространение получили две – их называют теориями близкодействия и дальнодействия.

Дальнодействие

Теория дальнодействия сообщает, что один заряд действует на другой заряд непосредственно. То есть, чтобы передать действие одного заряда на другой, посредники не нужны.

Кроме того, взаимодействие происходит мгновенно на любых расстояниях. Это значит, что если убрать один из взаимодействующих зарядов, то его действие на оставшийся заряд прекратится мгновенно.

Близкодействие

В противоположность этой теории Майкл Фарадей предложил свою теорию близкодействия.

Эта теория заявляет о том, что непосредственно действовать друг на друга заряды не могут. То есть, для передачи своего воздействия заряду нужна некоторый помощник. И каждый заряд создает в пространстве вокруг себя этого помощника. Фарадей назвал его электрическим полем.

На другие заряды будет действовать не сам заряд, а поле, созданное этим зарядом. Такое поле распространяется в пространстве не мгновенно, а с конечной скоростью.

Примечание: Как выяснилось позже, это очень большая скорость – триста тысяч километров в секунду. Ее называют скоростью света.

Поэтому, если один из взаимодействующих зарядов быстро убрать, то второй заряд узнает о его исчезновении не мгновенно, а через некоторое, пусть небольшое, время.

Получается, что взаимодействие зарядов протекает не непосредственно, а в виде цепочки. Каждый заряд создает вокруг себя поле, именно поле действует на другой заряд, помещенный в него.

А сила, действующая на заряд, расположенный в какой-либо точке пространства, зависит от характеристик поля в этой точке.

Рис. 3. Основные отличия теории дальнодействия от теории близкодействия

В настоящее время общепринятой теорией, объясняющей взаимодействие зарядов, является теория близкодействия Фарадея. Так как эта теория полностью подтвердилась экспериментально.

Примечание: Кроме электрических существуют, так же, магнитные поля. В отличие от электростатического, магнитное поле не имеет своих магнитных источников. Оно возникает в пространстве вокруг движущихся зарядов. То есть, магнитное поле – это поле электрических зарядов, находящихся в движении.

Джеймс Клерк Максвелл в середине 19-го века показал, что электрическое и магнитное поля связаны и это электромагнитное поле распространяется в пространстве с очень большой, но конечной скоростью.

Поле и вещество – это два вида материи

Мир, окружающий нас, материален. Значит, материя – это то, что существует реально, независимо от того, наблюдаем ли мы за ней, или нет.

Она может проявлять себя в виде двух частей — вещества и поля. Нас окружает вещество, а атомы и молекулы — это мельчайшие единицы вещества.

Поле – это еще один вид материи. Поле веществом не является, однако, оно существует реально.

Рис. 4. Материя состоит из двух частей — поля и вещества

7.1 Инерционная масса элементарных частиц и природа их кинетической энергии

Согласно Классической электродинамике — Науке, созданной трудами величайших физиков прошлого, и формуле Эйнштейна, масса, содержащаяся в электрическом поле напряженностью E, равна:

• (1)

А масса, содержащаяся в магнитном поле напряженностью H, равна:

• (2)

Масса всего электромагнитного поля (покоящейся элементарной частицы) равна сумме масс его компонент и равна:

• (3)

Эти и все последующие формулы будут написаны в системе СГС (сантиметр-грамм-секунда), принятой в Классической электродинамике.

Преобразования Лоренца для скоростей, значительно ниже скорости света (V

• (4)

• (5)

где вектора E и H — напряженности электрического и магнитного поля в системе отсчета, по отношению к которой элементарная частица покоится.

Согласно уравнению (5), движущееся со скоростью V, электрическое поле, напряженностью E, порождает магнитное поле:

• (6)

А согласно уравнению (4), движущееся со скоростью V, магнитное поле, напряженностью H, порождает электрическое поле:

• (7)

Модуль напряженности магнитного поля, создаваемого движущимся электрическим полем:

• (8)

где θ_E — угол между векторами V и E.

А модуль напряженности электрического поля, создаваемого движущимся магнитным полем:

• (9)

где θ_H — угол между векторами V и H.

Плотность энергии магнитного поля, создаваемого движущимся электрическим полем:

• (10)

Плотность энергии электрического поля, создаваемого движущимся магнитным полем:

• (11)

Энергия магнитного поля, создаваемого движущимся электрическим полем (с учетом (1)):

• (12)

Энергия электрического поля, создаваемого движущимся магнитным полем (с учетом (2)):

• (13)

Уравнения (12) и (13) показывают среднюю энергию, усредненную по θ, поскольку среднее значение от функции sin2 равно 1/2. В материальном веществе имеются гигантские количества элементарных частиц, ориентация спинов которых произвольная. Также различаются и направления векторов E и H в различных точках элементарной частицы.

Суммарная средняя кинетическая энергия движущегося электромагнитного поля элементарной частицы равна:

Получилось, что кинетическая энергия движущейся (в инерциальной системе отсчета) элементарной частицы равна суммарной средней кинетической энергии ее электромагнитных полей. А поскольку вещество состоит из элементарных частиц, то в соответствии с Классической электродинамикой, преобразованиями Лоненца и уравнением (14), кинетическая энергия вещества создается электромагнитными полями его элементарных частиц. — Физика 21 века установила природу кинетической энергии вещества Вселенной.

Следовательно: электрическая и магнитная составляющая электромагнитного поля элементарной частицы и создают инерционные свойства полевой электромагнитной материи, из которой состоит вещество Вселенной. Для сдвигания такой полевой массы или придания ей скорости, потребуется приложить силу, как в Классической механике.

Немного истории вопроса

Считается, что впервые попытка связать массу и энергию была предпринята в работе Дж. Дж. Томсона 1881 год. Идея наличия инерции у электромагнитного поля присутствует и в работе О. Хевисайда, 1889 год. В более полной мере принцип эквивалентности массы и энергии был сформулирован А. Эйнштейном 1907 год. Современный вид формулам преобразования (названного в честь голландского физика Х. А. Лоренца) придали французский математик А. Пуанкаре (1900 год) и (параллельно и независимо) А. Эйнштейн (1905 год). Классическая электродинамика была создана еще раньше (полная система уравнений была впервые опубликована Дж. К. Максвеллом в 1864 году). Таким образом, у Нобелевского комитета по физике было более 100 лет, чтобы ознакомиться с этими открытиями в физике и 49 лет, чтобы понять ошибочность гипотезы Хиггса. Вместо этого, математической СКАЗКЕ, якобы объясняющей наличие массы во Вселенной, была присуждена Нобелевская премия по физике 2013 года: «За теоретическое обнаружение механизма, который помогает нам понять происхождение массы субатомных частиц …». Под видом якобы открытого бозона Хиггса нам подсунули векторный мезон. Как будто в физике НЕ было этих великих открытий 19 и начала 20 веков. К сожалению, это далеко не первое и не последнее ошибочное решение Нобелевского комитета по физике — А король-то голый!

Скалярное поле

К примеру, мы можем измерять зимой в различных точках комнаты.

При этом, чем ближе к батарее центрального отопления и чем выше к потолку, тем выше будет температура. А в точках у пола и в отдалении от нагретой батареи температура будет ниже на несколько градусов.

Рассмотрим трехмерное пространство (рис. 1) и какую-нибудь точку, расположенную в этом пространстве. Обозначим точку большой латинской буквой, например P.

Рис. 1. Каждой точке в трехмерном пространстве в соответствие поставлены три числа на осях

Этой точке поставлены в соответствие три числа x, y, z, лежащие на осях Ox, Oy, Oz. Такие числа называют координатами точки. Обычно математики записывают координаты точки рядом с ее названием: \(\large P\left( x ; y ; z \right)\).

Мы можем дополнительно поставить в соответствие этой точке четвертое число – температуру t в градусах Цельсия (рис. 2).

Рис. 2. Пример распределения температуры в комнате, во время сезона отопления

Составим таблицу, в которой будут содержаться координаты точек пространства и температура в этих точках. Так мы упорядочим информацию о распределении температуры в комнате.

По такой таблице можно построить графики, на которых изобразим, как именно температура будет зависеть от какой-либо координаты пространства.

Эта таблица и графики содержат информацию о поле температур.

Так как распределенная по комнате температура является скалярной величиной, то поле температуры называют скалярным. А таблица задает скалярную функцию, описывающую распределение температуры в комнате.

Такая функция связывает координаты точки и значение физической величины – температуры в этой точке.

Это обычная функция, наподобие тех, с которыми вам приходилось решать примеры на школьной математике. Только эта функция зависит не от одной переменной x, а от трех переменных величин — координат x, y, z точек, расположенных в трехмерном пространстве.

\

А четвертая величина – температура, будет являться значением этой функции. Наподобие числа «y» для функции одной переменной «x».

Расчет показателей

Напряженность поля, которое возникает под действием системы зарядов в искомой точке исследуемой области, равняется векторному результату аналогичных показателей всех полей, создаваемых отдельными потенциалами.

Формула напряженности электрического поля выглядит как Е= F / q, где параметры обозначаются буквами:

1. Е — напряженность поля.
2. F — сила, которая влияет на заряд, находящийся в определенной точке.
3. Q — потенциал отдельной частицы, измеряется в кулонах.

Это свойство означает, что действие поля происходит по принципу суперпозиции, который гласит:

• результат влияния на отдельную микрочастицу нескольких наружных сил равняется векторной сумме обособленных влияний;
• каждое сложное передвижение раскладывается на несколько простых.

Иногда принцип принимает другие формулировки, которые по смыслу представляют собой эквивалентную теорию. В соответствии с ней, для нахождения энергии взаимного смещения в системе множества частиц берется сумма активности парных сочетаний между всеми реальными парами зарядов. Уравнения, которые участвуют в описании поведения системы, являются линейными формулами по количеству микрочастиц.

Потенциал электрического поля. Разность потенциалов

Потенциал – скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда.

Обозначение – ​\( \varphi \)​, единица измерения в СИ – вольт (В).

Потенциал \( \varphi \) является энергетической характеристикой электростатического поля.

Разность потенциалов численно равна работе, которую совершает электрическая сила при перемещении единичного положительного заряда между двумя точками поля:

Обозначение – ​\( \Delta\varphi \)​, единица измерения в СИ – вольт (В).

Иногда разность потенциалов обозначают буквой ​\( U \)​ и называют напряжением.

Важно!
Разность потенциалов \( \Delta\varphi=\varphi_1-\varphi_2 \), а не изменение потенциала \( \Delta\varphi=\varphi_2-\varphi_1 \). Тогда работа электростатического поля равна:

Важно!
Эта формула позволяет вычислить работу электростатических сил в любом поле. В электростатике часто вычисляют потенциал относительно бесконечно удаленной точки

В этом случае потенциал поля в данной точке равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность

В электростатике часто вычисляют потенциал относительно бесконечно удаленной точки. В этом случае потенциал поля в данной точке равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность.

Потенциал поля точечного заряда ​\( q \)​ в точке, удаленной от него на расстояние ​\( r \)​, вычисляется по формуле:

Для наглядного представления электрического поля используют эквипотенциальные поверхности.

Важно!
Внутри проводящего шара потенциал всех точек внутри шара равен потенциалу поверхности шара и вычисляется по формуле потенциала точечного заряда (​\( r =R \)​, где ​\( R \)​ – радиус шара). Напряженность поля внутри шара равна нулю

Эквипотенциальной поверхностью, или поверхностью равного потенциала, называется поверхность, во всех точках которой потенциал имеет одинаковое значение.

Свойства эквипотенциальных поверхностей

• Вектор напряженности перпендикулярен эквипотенциальным поверхностям и направлен в сторону убывания потенциала.
• Работа по перемещению заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю.

В случае однородного поля эквипотенциальные поверхности представляют собой систему параллельных плоскостей. Для точечного заряда эквипотенциальные поверхности представляют собой концентрические окружности.

Разность потенциалов и напряженность связаны формулой:

Из принципа суперпозиции полей следует принцип суперпозиции потенциалов:

Потенциал результирующего поля равен сумме потенциалов полей отдельных зарядов.

Важно!
Потенциалы складываются алгебраически, а напряженности – по правилу сложения векторов. Решение задач о точечных зарядах и системах, сводящихся к ним, основано на применении законов сохранения, теоремы об изменении кинетической энергии заряда с учетом работы электростатических сил

Решение задач о точечных зарядах и системах, сводящихся к ним, основано на применении законов сохранения, теоремы об изменении кинетической энергии заряда с учетом работы электростатических сил.

Алгоритм решения таких задач:

• установить характер и особенности электростатических взаимодействий объектов системы;
• ввести характеристики (силовые и энергетические) этих взаимодействий, сделать рисунок;
• записать законы сохранения и движения для объектов;
• выразить энергию электростатического взаимодействия через заряды, потенциалы, напряженности;
• составить систему уравнений и решить ее относительно искомой величины;
• проверить решение.

Закон Кулона

Закон Кулона был открыт экспериментально: в опытах с использованием крутильных весов измерялись силы взаимодействия заряженных шаров.

Закон Кулона формулируется так:
сила взаимодействия ​\( F \)​ двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна их модулям ​\( q_1 \)​ и \( q_2 \) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними ​\( r \)​:

где ​\( k=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}=9\cdot10^9 \)​ (Н·м2)/Кл2 – коэффициент пропорциональности,
​\( \varepsilon_0=8.85\cdot10^{-12} \)​ Кл2/(Н·м2) – электрическая постоянная.

Коэффициент ​\( k \)​ численно равен силе, с которой два точечных заряда величиной 1 Кл каждый взаимодействуют в вакууме на расстоянии 1 м.

Сила Кулона направлена вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие заряды. Заряды взаимодействуют друг с другом с силами, равными по величине и противоположными по направлению.

Значение силы Кулона зависит от среды, в которой они находятся. В этом случае формула закона:

где ​\( \varepsilon \)​ – диэлектрическая проницаемость среды.

Закон Кулона применим к взаимодействию

• неподвижных точечных зарядов;
• равномерно заряженных тел сферической формы.

В этом случае ​\( r \)​ – расстояние между центрами сферических поверхностей.

Важно!
Если заряженное тело протяженное, то его необходимо разбить на точечные заряды, рассчитать силы их попарного взаимодействия и найти равнодействующую этих сил (принцип суперпозиции)

Куда направлен вектор Е

Обратим в очередной раз внимание на формулу:

\

Заряд q – скалярная величина. А сила F – векторная.

Воспользуемся математическими свойствами векторов: разделив вектор F на скаляр q, мы получим новый вектор E:

1. его длина отличается от вектора F.
2. направления векторов F и E совпадают (либо векторы F и E направлены в противоположные стороны).

Рис. 8. Направление вектора E выбирается от положительных зарядов и в сторону отрицательных зарядов

Примечание: Однонаправленные или противоположно направленные, то есть, параллельные векторы, называют коллинеарными. У них может отличаться длина.

История [ править ]

Для Исаака Ньютона его закон всемирного тяготения просто выражал гравитационную силу , действующую между любой парой массивных объектов. При рассмотрении движения многих тел, взаимодействующих друг с другом, таких как планеты Солнечной системы , рассмотрение силы между каждой парой тел по отдельности быстро становится вычислительно неудобным. В восемнадцатом веке была изобретена новая величина, чтобы упростить учет всех этих гравитационных сил. Эта величина, гравитационное поле, давал в каждой точке пространства полное гравитационное ускорение, которое чувствовал бы небольшой объект в этой точке. Это никоим образом не изменило физику: не имело значения, вычислялись ли все гравитационные силы на объекте индивидуально, а затем складывались вместе, или все вклады сначала складывались вместе как гравитационное поле, а затем применялись к объекту.

Развитие независимой концепции поля по-настоящему началось в девятнадцатом веке с развития теории электромагнетизма . На ранних стадиях Андре-Мари Ампер и Шарль-Огюстен де Кулон могли управлять законами в стиле Ньютона, которые выражали силы между парами электрических зарядов или электрическими токами . Однако стало намного естественнее использовать полевой подход и выразить эти законы в терминах электрических и магнитных полей ; в 1849 году Майкл Фарадей стал первым, кто ввел термин «поле».

Независимый характер поля стал более очевидным с открытием Джеймсом Клерком Максвеллом того факта, что волны в этих полях распространяются с конечной скоростью. Следовательно, силы, действующие на заряды и токи, больше не зависели только от положений и скоростей других зарядов и токов одновременно, но также от их положений и скоростей в прошлом.

Максвелл сначала не принимал современную концепцию поля как фундаментальной величины, которая могла бы существовать независимо. Вместо этого он предположил, что электромагнитное поле выражает деформацию некоторой подстилающей среды — светоносного эфира — во многом подобно напряжению в резиновой мембране. Если бы это было так, наблюдаемая скорость электромагнитных волн должна зависеть от скорости наблюдателя по отношению к эфиру. Несмотря на большие усилия, никаких экспериментальных доказательств такого эффекта так и не было найдено; ситуация была решена путем введения специальной теории относительности с помощью Альберта Эйнштейнав 1905 году. Эта теория изменила способ соотношения точек зрения движущихся наблюдателей друг с другом. Они стали связаны друг с другом таким образом, что скорость электромагнитных волн в теории Максвелла была одинаковой для всех наблюдателей. Отказавшись от необходимости в фоновой среде, это развитие открыло для физиков возможность начать думать о полях как о действительно независимых объектах.

В конце 1920-х годов новые правила квантовой механики впервые были применены к электромагнитному полю. В 1927 году Поль Дирак использовал квантовые поля , чтобы успешно объяснить , как Распад атома в нижнем квантовом состоянии привело к спонтанному излучению в виде фотона , кванта электромагнитного поля. Вскоре за этим последовало осознание (вслед за работами Паскуаля Джордана , Юджина Вигнера , Вернера Гейзенберга и Вольфганга Паули ), что все частицы, включая электроны и протоны, можно понимать как кванты некоторого квантового поля, возвышающего поля до статуса самых фундаментальных объектов в природе. Тем не менее, Джон Уиллер и Ричард Фейнман всерьез рассматривали допольную концепцию Ньютона о действии на расстоянии (хотя они отложили ее в сторону из-за постоянной полезности концепции поля для исследований в общей теории относительности и квантовой электродинамике ).

Свойства силовых линий электростатического поля

Можно выделить два свойства силовых линий поля, создаваемого неподвижными зарядами:

1. Силовые линии имеют начало и конец – они начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах.
2. Напряженность поля больше в той области, в которой линии располагаются гуще.

Рис. 15. Два свойства силовых линий электрического поля, созданного неподвижными зарядами

Примечание: Существует, так же, вихревое электрическое поле. Это поле не связано с неподвижными зарядами. Его линии замкнуты сами на себя. Картина такого поля представляет собой нечто похожее на вихрь, отсюда и появилось его название. Подробнее о вихревом электрическом поле написано в статье, посвященной электромагнитным волнам.

Где заканчиваются линии единственного заряда

Линии электростатического поля, начавшись на положительном заряде, должны закончиться на каком-либо отрицательном заряде.

Если поблизости от какого-либо заряда не располагается второй заряд, имеющий противоположный знак, то линии поля такого одинокого заряда уходят в бесконечность.

Там, далеко, на бесконечности, всегда найдется заряд, имеющий противоположный знак, на котором будут заканчиваться линии рассматриваемого одиночного заряда.

Рис. 16. Если заряд единичный и поблизости других зарядов противоположного знака нет, то силовые линии его уходят в бесконечность и там заканчиваются на противоположном заряде

Общий

Различное понимание концепции поля

С одной стороны, поля указывают на пространственное распределение определенных физических свойств: Например, пространственное распределение температуры в верхней части печи может быть описана с помощью температурного поля или пространственного распределения плотности в теле может быть описано с помощью а поле плотности массы. В этом смысле поле — это математический инструмент, который на самом деле точечно описывает физические свойства широко распространенной или состоящей из подсистем системы по размеру, резюмируется поле .

Однако поле также может быть независимым физическим объектом, который нельзя рассматривать как составную систему или математическую вспомогательную переменную. Так же, как частица , твердое тело или другая физическая система, поле может нести импульс и угловой момент , содержать энергию и находиться в возбужденном состоянии . Например, луч света, который переносит энергию через пустое пространство, как описано вектором Пойнтинга , является (зависящим от времени) полем и находится на том же уровне, что и частицы или другая материя в физической иерархии сущностей .

В этом смысле z. Как электрическое поле с одной стороны, так же как пространственное распределение напряженности электрического поля рассматривается, или как автономная неприводимая система.
Э.→(р→,т){\ displaystyle {\ vec {E}} ({\ vec {r}}, т)}

Динамика полей

В общем, поля зависят от времени, то есть функции места и времени. В динамике частицы описываются с помощью уравнений движения ; соответственно, динамика полей, то есть пространственно-временное изменение размера поля, описывается уравнениями поля . Основное различие между уравнениями поля и уравнениями движения частиц состоит в том, что уравнение поля описывает динамику бесконечного числа степеней свободы , поскольку поле имеет бесконечное число степеней свободы (размер поля в каждой точке пространства образует степень свободы и поле обычно определяется в бесконечном количестве точек в пространстве). С другой стороны, уравнения движения частицы описывают только динамику конечного числа степеней свободы (в основном развитие трех пространственных координат частицы во времени).