Мы приступаем к изучению нового раздела физики — электродинамики. Речь пойдёт о процессах, которые определяются движением и взаимодействием электрически заряженных частиц. Такое взаимодействие называют электромагнитным.
Изучение природы этого взаимодействия приведёт нас к одному из самых глубоких понятий физики — электромагнитному полю. Как и гравитационное поле, электромагнитное поле есть особая форма материи, через которую одни заряженные тела действуют на другие. Это — ещё одно проявление того единого Порядка, который пронизывает всё сущее. Воля Всевышнего являет себя не только в падении камня или движении планет, но и в силе, связывающей электрон с ядром, в свете, который мы видим, и в самом электрическом токе, без которого немыслима современная жизнь.
Электродинамика — это наука о свойствах и закономерностях поведения электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами.
Науке известно четыре типа фундаментальных взаимодействий:
Из всех четырёх именно электромагнитные взаимодействия занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. В повседневной жизни и технике мы чаще всего встречаемся с различными видами именно электромагнитных сил. Силы упругости, трения, мышечные усилия — всё это проявление электромагнитного взаимодействия между атомами и молекулами.
Электромагнитные взаимодействия позволяют нам видеть книгу, которую вы читаете, — ведь свет есть одна из форм электромагнитного поля. Сама жизнь немыслима без этих сил.
Живые существа и даже человек способны длительное время находиться в состоянии невесомости, когда силы всемирного тяготения не оказывают заметного влияния на жизнедеятельность организмов. Внутренние органы человека не оказывают давления друг на друга, как это происходит на Земле. Тем не менее, человек спокойно существует в этих условиях. Но если бы на мгновение прекратилось действие электромагнитных сил, то сразу исчезла бы и жизнь. Ибо жизнь — это непрерывная цепь электрических и химических процессов, и все они имеют электромагнитную природу.
Строение атомной оболочки, сцепление атомов в молекулы (химические силы) и образование макроскопических тел — всё определяется электромагнитными силами. Трудно, почти невозможно указать явление, которое не было бы связано с действием этих сил.
К созданию электродинамики привела длинная цепь исследований и открытий — начиная с обнаружения способности янтаря, потёртого о шерсть, притягивать лёгкие предметы (об этом знал ещё Фалес Милетский в VI веке до н. э.) и кончая гениальной гипотезой Джеймса Клерка Максвелла о порождении магнитного поля переменным электрическим полем.
Лишь во второй половине XIX века, после создания теории электромагнитного поля, началось широкое практическое использование электромагнитных явлений. Изобретение радио Александром Степановичем Поповым (1859–1906) и Гульельмо Маркони (1874–1937) — одно из важнейших применений принципов новой теории.
При развитии электродинамики впервые научные исследования предшествовали техническим применениям. Если паровая машина была построена задолго до создания теории тепловых процессов, то сконструировать электродвигатель или радиоприёмник оказалось возможным лишь после открытия и изучения законов электродинамики. В этом — глубокая закономерность: человек сначала познаёт волю Всевышнего, явленную в законах природы, а затем учится использовать её во благо.
Бесчисленные практические применения электромагнитных явлений преобразовали жизнь людей на всём земном шаре. Современная цивилизация немыслима без электрического тока. Телевизоры, компьютеры, электроплиты, освещение, связь — всё то, что кажется нам естественным и привычным, образует своеобразную среду обитания, об истоках которой мы часто не задумываемся. Нам кажется, будто это существовало вечно. Однако это далеко не так. Каждый прибор, которым мы пользуемся, работает на основе того или иного физического закона — то есть на основе проявления того единого Порядка, который заложен в основание мира.
Наша задача в ближайших главах — изучить основные законы электромагнитных взаимодействий, познакомиться с главными способами получения электрической энергии и использования её на практике.
Вначале мы рассмотрим наиболее простой случай, когда электрически заряженные тела находятся в покое. Раздел электродинамики, посвящённый изучению покоящихся электрически заряженных тел, называют электростатикой. С неё мы и начнём.