Взаимосвязь электрического и магнитного полей

До поры до времени казалось, что электрическое и магнитное поля существуют независимо друг от друга. Но в 1831 году Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, которое привело к изменению этой точки зрение.

Фарадей обнаружил, что если перемещать проводящий контур в поле магнита так, чтобы число магнитных силовых линий, охватываемых контуром, изменялось, то в контуре возникает электрический ток — он назвал его индукционным (то есть наведённым). Число охватываемых контуром магнитных силовых линий определяет так называемый магнитный поток.

Многочисленные эксперименты Фарадея показали, что магнитный поток можно изменять любым способом: перемещать или поворачивать контур в магнитном поле или магнит рядом с контуром — в любом случае в контуре появляется индукционный ток, сила которого тем больше, чем быстрее происходит изменение потока.

Открытое Фарадеем явление, без преувеличения, повлияло на техническое развитие нашей цивилизации — ведь оно легло в основу создания генераторов переменного тока.

Принцип действия электрогенератора прост: надо вращать или проводящую рамку в поле постоянного магнита, или, наоборот, вращать магнит внутри рамки (последнее оказалось технологически удобнее). На вращение затрачивается механическая работа, которая и преобразуется в электрическую энергию тока. Механическую же работу можно получить от энергии ветра, падающей воды или теплового двигателя. В свою очередь тепловой двигатель может получать тепловую энергию от сжигания топлива, от геотермальных источников, от атомного реактора... Электрическая энергия переменного тока питает все наши электроприборы и устройства, от лампочек до компьютеров. Преобразование энергии из одних видов в другие — основа нашей цивилизации.

Но почему возникает индукционный ток при движении магнита? Что за сила заставляет двигаться электроны внутри проводящего контура, создавая ток? Объяснение нашел Максвелл 30 лет спустя после открытия явления электромагнитной индукции.

Он рассуждал так: на заряды неподвижного контура магнитные силы не действуют, поэтому единственная возможность объяснить их движение — допустить возникновение электрического поля в проводнике. Это поле отличается от электрического поля, создаваемого зарядами, тем, что его силовые линии не имеют начала и конца — они замкнуты сами на себя, так что могут перемещать заряды в проводнике по замкнутому контуру без всяких источников тока. Такие поля называют вихревыми.

Джеймс Кларк Максвелл (1831-1879) родился в год открытия явления электромагнитной индукции. Пожалуй, он был единственным, кто смог прочесть все труды Фарадея и разобраться в них, и один из немногих, кто поверил в реальность электромагнитного поля. Максвелл перевел на язык математики все идеи и формулировки Фарадея, переписав, по сути, заново его работы.

Итак, Максвелл сформулировал постулат: изменяющееся со временем магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Естественно, этот постулат выражается и неким уравнением, позволяющим правильно вычислять порождаемое поле и индукционные токи.

Иногда вера в красоту законов природы приводит физиков к новым гениальным идеям. Максвелл верил в симметрию взаимозависимости электрического и магнитного полей, и эта вера подтолкнула его к еще одному постулату: изменяющееся со временем электрическое поле порождает магнитное поле.

Эти два постулата Максвелла стали недостающими звеньями для построения полной теории электромагнитных полей.