Номер 1, страница 119, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

1. Какие идеи Фарадея нашли свое продолжение в теории Максвелла?

1. Решение

Теория электромагнитного поля Джеймса Клерка Максвелла является математическим обобщением и развитием фундаментальных идей и экспериментальных открытий Майкла Фарадея. Фарадей был гениальным экспериментатором, который мыслил образами силовых линий и полей, в то время как Максвелл облек эти физические интуиции в строгую и элегантную математическую форму. Основные идеи Фарадея, нашедшие продолжение в теории Максвелла, следующие:

Концепция электромагнитного поля и близкодействия. До Фарадея в физике господствовала концепция дальнодействия, согласно которой тела действуют друг на друга на расстоянии мгновенно через пустоту. Фарадей предложил революционную идею о том, что электрические заряды и токи не действуют друг на друга напрямую, а создают в окружающем пространстве особого рода материю — электромагнитное поле. Это поле, в свою очередь, и действует на другие заряды и токи. Эта концепция получила название теории близкодействия, так как взаимодействия передаются от точки к точке с конечной скоростью. Максвелл полностью принял эту идею и сделал ее центральной в своей теории, описав свойства и поведение электрического и магнитного полей с помощью системы дифференциальных уравнений.

Явление электромагнитной индукции. В 1831 году Фарадей экспериментально открыл, что всякое изменение магнитного потока через замкнутый проводящий контур порождает в этом контуре электрический ток (ЭДС индукции). Это показало фундаментальную связь между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл выразил этот закон в математической форме, которая стала одним из четырех его знаменитых уравнений (закон Фарадея-Максвелла):

$ \oint_L \vec{E} \cdot d\vec{l} = - \frac{d\Phi_B}{dt} $

Это уравнение утверждает, что циркуляция вектора напряженности электрического поля $ \vec{E} $ по любому замкнутому контуру $ L $ равна скорости изменения магнитного потока $ \Phi_B $ через поверхность, натянутую на этот контур, взятой с обратным знаком. Таким образом, переменное магнитное поле является источником вихревого электрического поля.

Идея о порождении магнитного поля переменным электрическим полем. Основываясь на идеях симметрии в природе и продолжая логику Фарадея, Максвелл выдвинул гипотезу, что не только переменное магнитное поле создает электрическое, но и переменное электрическое поле должно создавать магнитное. Он ввел понятие «тока смещения», который представляет собой изменение электрического поля во времени. Этот ток смещения, подобно обычному току проводимости, порождает магнитное поле. Это позволило замкнуть систему уравнений и стало решающим шагом в построении единой теории. Дополненный закон Ампера в форме Максвелла выглядит так:

$ \oint_L \vec{B} \cdot d\vec{l} = \mu_0 (I + \varepsilon_0 \frac{d\Phi_E}{dt}) $

где $ \varepsilon_0 \frac{d\Phi_E}{dt} $ — это и есть ток смещения.

Электромагнитная природа света. Фарадей был убежден в глубокой связи между светом и электромагнетизмом. Ему удалось получить экспериментальное подтверждение этой связи, открыв эффект вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Максвелл, решив свою систему уравнений для свободного пространства (без зарядов и токов), получил волновое уравнение. Скорость распространения этих гипотетических электромагнитных волн, вычисленная из чисто электрических и магнитных постоянных ( $ c = 1/\sqrt{\varepsilon_0\mu_0} $ ), оказалась поразительно близкой к экспериментально измеренной скорости света. Это позволило Максвеллу сделать гениальный вывод, что свет представляет собой электромагнитную волну. Таким образом, интуитивное предположение Фарадея получило строгое теоретическое обоснование.

Ответ: В теории Максвелла нашли свое продолжение и математическое выражение следующие идеи Фарадея: 1) концепция электромагнитного поля как физической реальности и теория близкодействия; 2) закон электромагнитной индукции, описывающий порождение электрического поля переменным магнитным полем; 3) идея о глубокой связи между светом и электромагнетизмом, которая привела к созданию электромагнитной теории света.