Электродинамика және арнаулы салыстырмалық теориясы

Электродинамика және арнаулы салыстырмалық теориясы

Жоспары:

1. Кіріспе
2. Электродинамиканың негізгі ұғымдары
3. Вакуумдегі электр заряды
4. Электромагниттік өріс. Кернеулік, магнит өрісінің индукциясы
5. Электродинамиканың эксперименттік негіздері. Электростатика заңдары
6. Электромагнетизмнің пайда болуы және дамуы

Қазіргі заман техника  мен ғылымның екпінді дамуымен сипатталады. Даму негізінде - фундаменттік ғылымдардың жетістіктері. Солардың ішінде физиканың алатын орны ерекше. Бұл ғылым ғылми-техникалық прогресстің негізі болып табылады. Әсіресе, электромагниттік процесстерді зерттеу және қолдану кең өріс алған. Электромагниттік өрісті зерттейтін ғылым электродинамика – теориялық физиканың маңызды бөлімі болып табылады. Бұл саланың тарихи маңызы: ол физика ғылымының дамуына ерекше түрткі берген сала. Электродинамиканың теориялық принциптерінің қалыптасуы кезінде классикалық физиканың шектелгендігін көрсетіп, жаңа физиканың пайда болуына себепші болды. Классикалық физиканың теориялық негіздерінің кемшілікте-рі оптикалық құбылыстарды классикалық физика тұрғысы-нан түсіндіру әрекеттерінің сәтсіздігінен көріне бастады. Ғылымда пайда болған дағдарысты жеңу жолында физика-ның фундаменттік, яғни негізгі принциптерін қайта қарау қажет болды. Осының нәтижесінде физиканың жаңа салала-ры: салыстырмалық теория және кванттық механика пайда болды. Соның көмегімен көптеген құбылыстар мен зат қасиеттері түсіндірілді, техникада қолданыс тапты.

ЭЛЕКТРОДИНАМИКАНЫҢ  НЕГІЗГІ ТЕҢДЕУЛЕРІ

Электродинамиканың негізгі ұғымдары

Электродинамика дегеніміз – электромагниттік өріс жайындағы ғылым. Ол өрістің электр зарядтарымен байланысын, өрістің зарядтарға әсерін ашып береді. Классикалық механикада денелердің қозғалысын қарастырғанда, денелерге әсер етуші күштердің табиғаты ашып айтылмайтынын еске алайық. Олардың жылдамдыққа, уақытқа тәуелділігі алдын ала беріледі немесе басқа физикалық теориялардан алынады. Электродинамика электромагниттік әсер күштерінің электр зарядталған денелердің әсерінен болатындығын және олар зарядталған денелерге әсер ететіндігін айтып сипаттайды.

Электродинамикада негізгі  ұғым – заряд. Бірақ оны таситын бөлшектердің, денелердің қандай екендігін қарастырмайды. Заряд мөлшерін анықтау үшін 2 зарядтың әсерлесу күшін табады. Олардың бірі- эталондық заряд етіп қабылданады.

Бірақ электродинамика зерттейтін негізгі объект- заряд емес, электромагниттік өріс. Өріс- нақты физикалық объект, затпен қатар өмір сүретін материяның бір түрі. Өрісті электр зарядтары туғызса да, ол зарядтан бөлек те өмір сүре алады. Мысалы: жарықтың, электромагниттік сәулелердің тууына себепші – электр зарядтарының қозғалысы. Пайда болғаннан кейін бұл сәулелер зарядтан бөлек өздігінен өмір сүреді. Электромагниттік өріс кеңістіктің макроскопиялық аумақтарына таралады, бұл аумақтардың анық шекаралары болмайды. Өріс зарядталған денелерге күштік әсері арқылы білінеді.

Электродинамикада және механикада өріс ұғымдары қолданылғанмен оларға әртүрлі мағына беріледі. Механикада қарастырылған өріс– көмекші  математикалық ұғым; Бұл өріс денелерге  әсер ету үшін материалдық ортаның қажет қылмайды. Ол қандай қашықтық болса да лезде әсер етеді деп есептеледі. Механикада қарастырылатын әсер теориясын – алыстан әсер ету ілімі дейді. Бірақ та, іс жүзінде,  табиғатта денелер үлкен қашықтықтарда бір-бірімен лезде әсерлесуі мүмкін емес. Айталық, зарядтар, өздері орналасқан нүктелерінде, сырттан келген өрістермен әсерлеседі. Электродинамикада қарастырылатын әсер теориясы– жақыннан әсер ету ілімі деп аталады. Онда күштік әсерді жеткізетін – электромагнитттік өріс. Зарядқа әсер ететін күш берілген нүктедегі өрістің күйімен анықталады. Ал зарядталған денелердің өзара әсері шекті жылдамдықпен өріс арқылы беріледі. Электродинамикада өзара әсердің өрістік моделі осындай. Өзара әсердің таралу жылдамдығы (с) бойынша электромагниттік өріс – релятивистік объект болып табылады, яғни оны салыстырмалық теория тұрғысынан зерттеу керек, ал электродинамика- релятивистік теория болып табылады; өрістерді сипаттау үшін инерциалды санақ жүйесі (И.С.Ж.) қолданылады. И.С.Ж. етіп Жермен байланыстырылған жүйе алынады. Бір И.С.Ж.-нен 2-сіне өту үшін Лоренц түрлендірулері қолданылады. Классикалық электродинамикада өріс те, заряд та үздіксіз есептеледі. Бірақ та электромагниттік өріс- фотондардан құралса, заряд электрондар мен протондардан құралады.

Классикалық электродинамика – макроскопиялық теорияларға жатады, қолданылу ауқымы үлкен болғанымен, шектелген; Яғни өрістің және зарядтардың дискретті сипаты құбылыстарға әсерін тигізбейтін кезде ғана электродинамика қорытындылары дұрыс болады. Ал атомдық масштабтағы электромагниттік әсерді қарастырғанда макроскопиялық электродинамика заңдарының қолданылуы шектелген және кванттық электродинамикада көп толықтырылады.

 Электродинамиканың теориялық өзегі- Максвелл дифференциалдық теңдеулер жүйесі. Электродинамика есептерінің көбісі зарядтардың орналасуы және қозғалысы берілген жағдайда өрісті анықтау мақсатын қояды. Ол үшін өріс теңдеулерін дербес жағдайлар үшін интегралдау қажет болады.

Табиғатта электромагниттік әсерлер кең таралғандықтан электродинамиканың да қолдану аумағы кең, әсіресе оның техникада қолданылуының маңызы жоғары. Заттың құрылымы және қасиеттерін түсінуде осы теорияның қызметі ерекше орын алады. Электрлік құбылыстардың қазіргі тео-риясының пайда болуының  алғы шарттары – эмпирикалық фактілер мен жеке фундаменталды заңдардың ашылуы сияқ-ты  жаңалықтарының жинақталуы болып табылады.

Біздер В.В.Мултановский [12] классификациясы бойын-ша электродинамикаға сипаттама берейік (2-сурет). Бұл тео-рия электр және магнит құбылыстары аумағындағы экспери-менттік фактілерді жинақтау, сараптау және ой елегінен өткізудің ұзақ тарихи периодының аяғында пайда болды. Электродинамикада негіз, ядро, қорытындылар болады. Негіздің құрылуы эмпирикалық базисті жинақтаудан басталады. Эмпирикалық базиске Кулон заңын (1785), Эрстед жаңалығын (1820), Ампердің жұмыстарын (1826), Био-Савар-Лаплас заңын, Фарадейдің электромагниттік ин-дукция  заңын(1831) жатқызады. Идеалданған объекті бөлі-ніп алынды: ол үздіксіз электромагниттік өріс.  Өрісті 4 шама арқылы сипаттайды:  электр және магнит өрістерінің кернеу-ліктері және индукциялары. Бұлар координат пен уақыттың үздіксіз функциялары болып табылады, өрістегі зарядтар мен токтарға күштік әсері бойынша тіке өлшенеді. Өрістің білінуі мен сипатталуы осы шамалармен байланысты. Зарядтар мен токтар Максвелл  электродинамикасында өріс көздері болса да, олар теорияда сырттай ғана қарастырылады, яғни олар-дың табиғаты ашып көрсетілмейді, заттың құрылысынан тәуелсіз алынады. Заттың электрлік және магниттік өтімді-ліктері, электрөткізгіштік сияқты шамалар феноменология-лық жолмен, яғни еш анықтамасыз, тәжірибе арқылы енгізіледі. Теорияның ядросына дербес туындылы диффе-ренциалдық Максвелл теңдеулер жүйесі кіреді. Олар өріс сипаттамаларын зарядтар мен токтардың кеңістікте орнала-суымен және уақыт өтуімен байланыстырады. Бұл жүйеге материалдық теңдеулер қосылады. Олар ортаның қасиеттерін ескереді. Сонымен бірге электр зарядының сақталу заңы да, өрістер суперпозиция принципі де ядроға кіреді. Соңғысы кернеуліктерді қосу ережесін анықтайды. Теорияның нақты қорытындыларын шығару үшін Максвеллдің дифференциал-дық теңдеулер жүйесін бастапқы және шекаралық шарттарын ескере отырып, шешеді.

Электродинамика физикалық  құбылыстардың өте кең аумағын  қамтиды. Ол макроскопиялық өрістерге, токтарға, зарядтар үлестірімдігіне арналған кез келген есепті теория-лық жолмен шеше алады. Осы тұрғыдан ол механика саласы сияқты теорияның ең көрінекті моделі болып табылады. Ол белгілі бір құбылыстарды, жеке заңдарды түсіндіріп қана қоймай, жаңа эффектілерді болжауға да шамасы жетеді. Мысалы: Максвеллдің электромагниттік толқындардың мүм-кіндігі жөніндегі болжамы дәлелденіп қана қоймай, жарық-тың теориясына айналды.

Электромагниттік толқындарды  ерекше материалдық субстанция болатындығы  жөніндегі көзқарас арнаулы салыс-тырмалық теория пайда болғаннан кейін ғана орнығып қалды. Бірақ бұл көзқарас Максвелл теңдеулерінен де қоры-тылып шығады, өйткені бұл  теңдеулерден энергия, импульс, импульс моментінің сақталу заңдары да қорытылып шығады. Өрістің зарядтармен байланысын үзіп, жеке объект болу мүмкіндігі жөніндегі теорияның қорытындысы да маңызды. Бұл еркін электромагниттік өріс (1-сурет). Өріс механика са-ласындағыдай көмекші математикалық ұғым емес, ол физи-калық болмыс. Макроскопиялық электродинамика – заттың атомдық-молекулалық құрылымын және зарядтың дискретті-гін ескермейді. ХІХ ғасырдың аяғында Максвелл теориясын және атомизм идеяларын біріктіріп, Лоренц зат құрылымы-ның біртұтас электрондық теориясын құруға әрекет жасады. Бірақ  Лоренц теориясын қарастыру біздің мақсатқа кірмейді.

Электромагнетизмнің пайда болуы және дамуы.

Электр мен магнетизмді  ғылыми түрде зерттеудің негі-зін салған Гилберт болды. (ХҮІ ғасырдың екінші жартысын-да). Ол магнит өрістердің әсерімен магниттік стрелканың қозғалысын, магниттелу құбылысын түсіндірді, денелердің электрленетіндігін ашты, «электричество» терминін енгізді. Кавендиш, 1771 жылы электр зарядтардың өзара әсер күші-нің зарядтардың өзара қашықтықтарының квадратына кері пропорционал болатындығын тәжірибе жүзінде анықтады. 1784-85 жылдары Ш.Кулон қозғалмайтын электр зарядтары-ның өзара әсерлесуінің фундаменттік заңын ашты. Ал 1781 жылы Гальвани электр тогі құбылысын ашты. Вольта 1800 жылы ең алғашқы ток көзі – «вольт бағанын» жасады. 1820 жылы Эрстед токтың магниттік әсері болатындығын анықта-ды. Электродинамиканың дербес ғылым болып қалыптасуын Ампер есемімен байланыстырады. Ол «кернеу», «ток» ұғы-мын 1820 жылы қолдана бастады. Токтардың механикалық өзара әсерлесуінің заңдылықтарын анықтайды. Тұрақты маг-ниттердің магниттік өрістердің табиғатын заттардағы микро-скопиялық молекулалық токтар арқылы түсіндірудің әрекетін жасады. 1827 жылы Ом- ток күші мен кернеудің арасындағы байланысты тапса, 1831 жылы М.Фарадей электромагниттік индукция заңын ашады, сол арқылы электрлік өріс пен маг-нит өрістерінің арасында маңызды байланыстарды анықтай-ды. Сол заманда электр мен магнетизм жайындағы бастапқы эмпирикалық білімнің ерекшелігі: олардың әрқайсысы және оптика дербес ғылым болатын. Теориялық жалпылау проце-сінің арқасында табиғаты бөлек болып есептелінетін құбы-лыстар мен объектілерінің ортақ табиғаты анықталады. Бұл жалпылау нәтижесінде Максвелл 1860-1865 жылдары элект-ромагниттік өрістің теориясын дамытады. Электр өрісі және магниттік өріс дегені- электромагниттік өрістің құрамдас бөліктері екендігі анықталды, бір-бірімен байланыстылығы, ал электромагнетизмнің эмпирикалық заңдары өрісті сипат-тайтын негізгі теңдеулерден қорытылып шығарылатындығы көрсетіледі. Максвелл теориясының орнығуына Герцтің 1888 жылы электромагниттік толқындарды ашуы көп көмектесті.

Максвелл теориясында  заттың электромагниттік қасиеттері феноменологиялық жолмен ғана ескерілді. Яғни заттың электрлік  және магниттік өтімділіктері арнайы коэффициент арқылы ескеріліп, олардың  заттардың құрылымымен, зарядтардың  дискреттілігімен байланысы анықталмады. 1898 жылы Лоренц электрондық теориясын қорытындылап шығарғанда, өріс теориясының идеаларын зарядтардың дискреттілік табиғатымен байланыстырады. Ол кезде кванттық физика әлі шықпағандықтан, Лоренцтің электрондық теориясы шектелген болып шықты, бірақ та заттың электр және магниттік қасиеттерін талдау, ондағы электромагниттік өрістің ерекшеліктерін заттағы зарядтар мен өрістің әсерлесуі тұрғысынан зерттеу елеулі жетістік болды. Қазіргі заманғы электрондық теория – электродина-мика мен классикалық механикаға ғана емес, сонымен бірге кванттық механика мен статистикалық физикаға сүйенген физиканың фундаментальды саласы болып табылады