Електромагнітне поле. Система рівнянь Маквелла

Електромагнітне поле є формою матерії, через яку здійснюється взаємодія між електрично зарядженими частинками. Поняття поля (електричного та магнітного) ввів М. Фарадей у 1830 р. Електромагнітне поле може існувати і вільно, незалежно від джерел, які його створили, у вигляді електромагнітних хвиль. Електромагнітне поле в будь-якому середовищі описується в макроскопічній електродинаміці системою рівнянь Максвелла, які дають можливість визначити силові характеристики поля Е і В залежно від розподілу зарядів і струмів. Вихрове електричне поле збуджується змінним магнітним полем, а вихрове магнітне поле – змінним у часі електричним полем. Якщо в певній точці простору виникає змінне електричне поле, то в сусідніх точках виникає змінне магнітне поле, яке, у свою чергу, зумовлює появу в сусідніх точках змінного електричного поля і т. д. Періодичні зміни електричного і магнітного полів становлять електромагнітне поле як форму матерії, через яку здійснюється електромагнітна взаємодія між матеріальними електрично зарядженими частинками. Оскільки до складу речовинного матеріального світу входять позитивні і негативні електричні заряди як структурні елементи атомів, то й електромагнітна взаємодія як між окремими електричними зарядами, так і їхніми сукупностями (рухомими або нерухомими) є невід'ємною властивістю матерії і, отже, фундаментальною взаємодією поряд із сильною, слабкою та гравітаційною взаємодіями, які проявляються в природі. Електромагнітна взаємодія є далекодіючою і може спричиняти як притягання, так і відштовхування між зарядженими тілами або струмами. До електромагнітної взаємодії зводиться більшість макроскопічних явищ: сили пружності, тертя, поверхневий натяг. Електромагнітною взаємодією визначаються агрегатний стан речовини, хімічні перетворення, електричні, магнітні й оптичні явища, іонізація, різноманітні атомні процеси тощо.

Теорія Максвелла розглядає поля, що створюються макроскопічними зарядами та струмами, рівномірно розподіленими в об'ємах, що є значно більшими від характерних об'ємів атомів і молекул речовини, на відстанях від джерел значно більших за атомні розміри. Зміни полів розглядаються в часових інтервалах, значно більших від характерних часових інтервалів атомних процесів (наприклад, періоду обертання електронів на орбітах навколо ядер).Принципово важливою особливістю електричних і магнітних полів є наявність тісного взаємозв'язку між ними.

Система рівнянь Максвелла є узагальненим математичним записом основних експериментальних законів електромагнітних явищ у довільному середовищі. Ці рівняння становлять основу розробленої Дж. Максвеллом теорії макроскопічної електродинаміки. Рівняння Максвелла встановлюють співвідношення між векторами електромагнітного поля Е, В, D і Н та розподілом у просторі їх джерел: електричних зарядів і струмів. Обмеження, які накладаються на застосовність цих рівнянь, такі: тіла, вміщені в поле, є нерухомими; параметри , та , які характеризують властивості речовини в кожній точці, є незмінними в часі і не залежать від температури та напруженості зовнішнього поля; в полі немає постійних магнітів, сегнетоелектриків та феромагнетиків.

В інтегральній формі система рівнянь Максвелла записується так:

а у диференціальній –

Перше рівняння Максвелла – це узагальнення закону Біо – Савара – Лапласа і є більш загальною формою закону повного струму, який відображає той експериментальний факт, що джерелами вихрового магнітного поля можуть бути струми провідності і струми зміщення.

Друге рівняння Максвелла є математичним записом експериментального закону електромагнітної індукції Фарадея. Узагальнений фізичний зміст його полягає в тому, що всяка зміна в часі магнітного поля спричиняє збудження вихрового електричного поля.

Третє рівняння Максвелла відображає експериментальний факт відсутності в природі магнітних зарядів, тобто відсутність джерел магнітного поля, подібних до джерел електричного поля (зарядів).

Четверте рівняння Максвелла є узагальненням на основі теореми Гаусса закону Кулона і фізично вказує на існування в природі джерел електричного поля у вигляді електричних зарядів, розподілених у просторі з об'ємною густиною .

Як видно, рівняння Максвелла не є симетричними відносно електричного і магнітного полів. Це зумовлено наявністю в природі джерел електричного поля (електричних зарядів) і відсутністю подібних джерел магнітного поля (магнітних зарядів, монополів).