बिजली और चुंबकत्व एन.एफ. शेम्याकोव

… चार्ज और करंट कैरी फील्ड, उन्हें एक कारण के लिए इलेक्ट्रोमैग्नेटिक कहा जाता है,

वे गर्मी और प्रकाश देते हैं ताकि एक व्यक्ति आराम से रह सके ...

4. बिजली और चुंबकत्व परिचय

1. शास्त्रीय विद्युतगतिकी का विषय

विद्युत के गुणों का अध्ययन करने वाली भौतिकी की शाखा चुंबकीय क्षेत्रऔर इसके साथ परस्पर क्रिया करने वाले अन्य प्रकार के पदार्थ कहलाते हैं शास्त्रीय विद्युतगतिकी.

विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र एक स्वतंत्र प्रकार का पदार्थ है। ऐतिहासिक कारणों से, भौतिकी में "फ़ील्ड" शब्द के दो अलग-अलग अर्थ हैं। प्रथम, क्षेत्र कहा जाता है विशेष प्रकारमामला।दूसरा, के बीच भौतिक मात्रानिर्देशांक के कार्य वे होते हैं जिन्हें फ़ील्ड कहा जाता है, उदाहरण के लिए, वेग का क्षेत्र। मुहावरा " विद्युत चुम्बकीय"अपने विशेष प्रकार के पदार्थ की विशेषता है। एक विद्युत क्षेत्र, किसी भी भौतिक वस्तु की तरह, एक राज्य और गति के समीकरणों की विशेषता है। समय के प्रत्येक क्षण में, राज्य विद्युत चुम्बकीयदो क्षेत्रों द्वारा वर्णित है: विद्युत और चुंबकीय। विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के लिए गति के समीकरण सूक्ष्म समीकरणों में निहित हैं मैक्सवेल. सूक्ष्म समीकरण मैक्सवेलसमीकरणों के साथ लोरेन्जआवेशित कणों के लिए शास्त्रीय इलेक्ट्रोडायनामिक्स के समीकरणों की एक मौलिक प्रणाली बनाते हैं। सूक्ष्म के साथ, मैक्रोस्कोपिक समीकरणों का उपयोग किया जाता है मैक्सवेल, मैक्रोस्कोपिक समीकरण लोरेन्जऔर भौतिक समीकरण (उदाहरण के लिए, कानून ओह्मा), जो समीकरणों की एक मैक्रोस्कोपिक प्रणाली बनाते हैं।

2. छोटी दूरी की अवधारणा

एक बल क्षेत्र की अवधारणा का उपयोग निकायों की परस्पर क्रिया का वर्णन करने के लिए किया जाता है। चूँकि आवेशित कणों की परस्पर क्रिया एक सीमित गति से शॉर्ट-रेंज इंटरैक्शन के माध्यम से प्रेषित होती है, मध्यस्थ विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र है। शॉर्ट-रेंज कैरेक्टर परिकल्पना इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंटरैक्शनप्रस्तावित फैराडे 19वीं सदी के मध्य में। बाद में मैक्सवेलइलेक्ट्रोडायनामिक्स के अपने प्रसिद्ध समीकरणों को लिखा, जिसमें शॉर्ट-रेंज एक्शन के विचार की गणितीय व्याख्या शामिल थी और जिससे प्रकाश की विद्युत चुम्बकीय प्रकृति के बारे में भविष्यवाणी करना संभव हो गया। हेटर्सप्रयोगात्मक रूप से समीकरणों के अनुसार विद्युत चुम्बकीय तरंगों की उत्पत्ति और प्रसार की स्थापना की मैक्सवेल, जिसने अंततः कम दूरी की कार्रवाई के विचार की पुष्टि की।

4.1. इलेक्ट्रोस्टाटिक्स

1.1. चार्ज परिमाणीकरण।

विद्युत बल मौलिक अंतःक्रियाओं में से एक को संदर्भित करता है - विद्युत चुम्बकीय संपर्क, जो विद्युत आवेशों के परिमाण पर निर्भर करता है। विद्युत चुम्बकीय बलों के अस्तित्व की खोज बहुत पहले की गई थी। उनकी कार्रवाई प्राचीन यूनानियों के लिए जानी जाती थी।

कई प्राथमिक कणों में विद्युत आवेश होता है, उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, आयनोंया चार्ज किए गए मैक्रोबॉडीज, आदि।

एक कण का विद्युत आवेश इसकी विशेषताओं में से एक है।

एक प्राथमिक कण बिना किसी आवेश के मौजूद हो सकता है, उदाहरण के लिए, एक न्यूट्रॉन, एक फोटॉन, आदि, लेकिन एक कण के बिना कोई चार्ज नहीं होता है।

उदाहरण के लिए, एक इलेक्ट्रॉन और एक प्रोटॉन का आवेश प्राथमिक आवेश के निरपेक्ष मान के बराबर होता है:

е=1.6 10 19 सीएल।

विद्युत आवेश को परिमाणित किया जाता है, अर्थात। एक चार्ज वैल्यू ले सकता है जो कि प्राथमिक चार्ज का एक गुणक है। किसी भी मैक्रोस्कोपिक चार्ज को एक अभिव्यक्ति के रूप में दर्शाया जा सकता है:

या क्यू = nе,

जहाँ n आवेशित कणों की संख्या है।

2. मौजूद सकारात्मक और नकारात्मकविद्युत शुल्क। उदाहरण के लिए, एक इलेक्ट्रॉन एक नकारात्मक चार्ज कण है, एक प्रोटॉन एक सकारात्मक चार्ज कण है।

3. इलेक्ट्रिक चार्ज अपरिवर्तनीय,अर्थात। . इसका मान संदर्भ के फ्रेम पर निर्भर नहीं करता है, अर्थात यह इस बात पर निर्भर नहीं करता है कि यह गतिमान है या विरामावस्था में है।

4. आवेश संरक्षण का नियम खुला है फैराडे

किसी भी विद्युत पृथक प्रणाली में बीजीय योगशुल्क एक स्थिर है, अर्थात।

. (1.1)

प्रभारी के मौलिक गुण सर्वोपरि हैं आधुनिक भौतिकीऔर सामान्य रूप से प्राकृतिक विज्ञान में।

टिप्पणी:

प्राथमिक कणों की खोज की गई - क्वार्क, जिनमें भिन्नात्मक आवेश होता है, का गुणज ,. क्वार्क मुक्त अवस्था में नहीं होते। .

शास्त्रीय इलेक्ट्रोडायनामिक्स के विकास का इतिहास इस बात का एक शिक्षाप्रद उदाहरण है कि कैसे प्राकृतिक विज्ञानों का गणितीकरण और वर्णन की एक सुरुचिपूर्ण (यद्यपि जटिल) भाषा में संक्रमण ने कई प्राकृतिक घटनाओं की समझ में गुणात्मक छलांग लगाई, कुछ जिनमें से मूल रूप से सैद्धांतिक रूप से ("एक कलम की नोक पर") भविष्यवाणी की गई थी, और फिर शानदार प्रयोगात्मक पुष्टि प्राप्त की। इस विषय में काफी बड़ी संख्या होगी गणितीय सूत्रकेवल गणित की भाषा की सुंदरता और सघनता को दर्शाने के लिए दिया गया है।

निरंतर प्रभार वितरण।मैक्रोस्कोपिक आवेशित निकायों के मामले में इलेक्ट्रोस्टैटिक और मैग्नेटोस्टैटिक क्षेत्रों (9_4) और (9_8) के लिए अभिव्यक्तियों में शामिल योगों में क्षेत्रों में योगदान के अनुरूप बहुत बड़ी संख्या में शब्द होते हैं बिंदु शुल्क. उनकी गणना विशुद्ध रूप से "तकनीकी" दृष्टिकोण से असुविधाजनक है: योग का गणितीय संचालन अधिक श्रमसाध्य है, उदाहरण के लिए, एकीकरण (उपरोक्त विश्लेषणात्मक गणनाओं पर लागू होता है, कंप्यूटर खाते के साथ, समाकलन लेने के लिए योग बेहतर है, लेकिन में 19वीं सदी में गणित में ऐसा कोई विकल्प नहीं था)। एकीकरण में परिवर्तन के लिए एक अनुमानित प्रतिस्थापन की आवश्यकता थी अलग वितरण प्रारंभिक शुल्कपर निरंतर , दवार जाने जाते है विद्युत आवेश घनत्व (इसमें शामिल अंतरिक्ष के एक छोटे लेकिन स्थूल तत्व के आयतन के लिए आवेश का अनुपात):

स्वाभाविक रूप से, प्रतिस्थापन (1) ने वास्तविक सूक्ष्म क्षेत्रों की तुलना में गणना किए गए मैक्रोस्कोपिक क्षेत्रों के "चिकनाई" का नेतृत्व किया, जो एक परमाणु के आकार के साथ तुलनीय दूरी पर बहुत भिन्न होता है। आवेशों के निरंतर वितरण के लिए वर्णित संक्रमण ने उनके व्यावहारिक मूल्य को कम किए बिना गणना को बहुत सरल बना दिया (19 वीं शताब्दी का विज्ञान और प्रौद्योगिकी पदार्थ संगठन के सूक्ष्म स्तर पर होने वाले प्रभावों के लिए अभी तक परिपक्व नहीं हुआ था)।

गणितीय औपचारिकता।के लिए संक्रमण निरंतर वितरणआवेशों और धाराओं ने इलेक्ट्रोस्टैटिक्स और मैग्नेटोस्टैटिक्स के नियमों को एक साथ कई गणितीय रूपों में फिर से लिखना संभव बना दिया, भौतिक अर्थ के बराबर, लेकिन विशिष्ट गणना करने की तकनीक में काफी भिन्न:

अभिन्न सूत्र:

विभेदक सूत्र:

(3)
;

अदिश के माध्यम से क्षेत्र गणना और वेक्टर
क्षमता :

उस। गणित की विभिन्न भाषाओं में प्राकृतिक विज्ञान के समान नियमों का पर्याप्त वर्णन संभव है.

ऑपरेटर्स. 20वीं शताब्दी की शुरुआत में गणित में नई वस्तुओं का परिचय दिया गया - ऑपरेटरों जिसके बिना आधुनिक भौतिकी की कल्पना नहीं की जा सकती। एक ऑपरेटर की अवधारणा शास्त्रीय गणित में एक समारोह की पारंपरिक अवधारणा का एक प्राकृतिक सामान्यीकरण है। यदि किसी फ़ंक्शन को एक कानून (नियम, मानचित्रण) के रूप में समझा जाता है, जिसके अनुसार एक संख्या (संख्याओं का सेट) दूसरी संख्या (संख्याओं का सेट) से जुड़ी होती है, तो ऑपरेटर का अर्थ है वह कानून जिसके अनुसार एक वस्तु (वस्तुओं का समूह) दूसरी वस्तु (समूह) को सौंपी जाती है।कार्यों पर कार्य करने वाले सबसे आम हैं (संख्या से गुणा, विभेदन, एकीकरण, आदि) या वैक्टर (रोटेशन, प्रोजेक्शन, आदि)। ऑपरेटरों पर गणितीय संचालन को परिभाषित करने का विचार बहुत उपयोगी निकला। उदाहरण के लिए, दो ऑपरेटरों के उत्पाद का अर्थ एक ऑपरेटर है जो प्रत्येक गुणा किए गए ऑपरेटरों की क्रियाओं को क्रमिक रूप से करता है। में ऑपरेटरों के गुणन संचालन के लिए सामान्य मामलाकम्यूटेटिविटी संपत्ति संतुष्ट नहीं है:

(5)
.

ऑपरेटरों की भाषा का उपयोग करने से कई गणितीय फ़ार्मुलों का लेखन कम हो जाता है और वे अधिक "सुरुचिपूर्ण" हो जाते हैं। तो सिर्फ एक का परिचय अंतर ऑपरेटर "नाबला"

स्केलर के मानक रूप से परिभाषित संचालन की सहायता से (,) और वेक्टर [ , ] गुणन हमें समीकरणों (3) और (4) के सिस्टम को बहुत ही संक्षिप्त रूप में लिखने की अनुमति देता है:

(3’)
;

(4’)
,
.

पिछली समानता में, हमने इस्तेमाल किया लाप्लास ऑपरेटर:

(7)
.

संकेतन की संक्षिप्तता के अलावा, ऑपरेटर विधि का लाभ यह है कि। नाबला ऑपरेटर को नियमित वेक्टर की तरह ही संभाला जा सकता है, जो निस्संदेह बोझिल गणनाओं को सरल करता है।

कानून इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंडक्शनफैराडे।लंबे समय तक, विद्युत और चुंबकीय घटनाओं को स्वतंत्र माना जाता था, हालांकि मैग्नेटोस्टैटिक्स के स्तर पर भी यह पूरी तरह से सच नहीं है: मैग्नेटोस्टैटिक क्षेत्र प्रत्यक्ष धाराओं द्वारा उत्पन्न होता है, जिसका अस्तित्व विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति के बिना असंभव है। . फैराडे ने प्रयोगात्मक रूप से पाया कि एक समय-भिन्न चुंबकीय क्षेत्र विद्युत उत्पन्न कर सकता है. यह विद्युत क्षेत्र, आवेशों द्वारा उत्पन्न संभावित इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र के विपरीत, है एडी, वे। इसकी रेखाएं बंद वक्र हैं (चित्र 11_1)। फैराडे द्वारा खोजे गए प्रेरण के नियम का बाद में जबरदस्त व्यावहारिक महत्व था, क्योंकि उन्होंने चुंबकीय क्षेत्र के स्रोतों की गति की यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में बदलने के लिए एक बहुत ही सुविधाजनक और सस्ता तरीका खोजा, जो अब बिजली के औद्योगिक उत्पादन का आधार है।

क्षेत्र के लिए समीकरणों के गणितीय अंकन की दृष्टि से फैराडे द्वारा खोजा गयाघटना के लिए समीकरणों की प्रणाली में संशोधन की आवश्यकता होती है (6):

(10)
.

मैक्सवेल की परिकल्पना।समीकरणों (7) और (10) की प्रणाली पर एक साथ विचार करने के बाद, मैक्सवेल ने निम्नलिखित कमियों की ओर ध्यान आकर्षित किया:

1. यह प्रणाली आवेश संरक्षण के नियम के साथ असंगत है।

2. खाली जगह में विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र का वर्णन करने के मामले में भी प्रणाली बहुत असममित निकली ( =0 और जे = 0).

चार्ज संरक्षण कानून के साथ समीकरणों की असंगति उनकी सच्चाई पर संदेह करने के लिए एक पर्याप्त तर्क था, क्योंकि संरक्षण कानून बहुत हैं सामान्य चरित्र. यह पता चला कि समीकरणों की प्रणाली (7) को संशोधित करने के कई तरीके हैं, (10), उन्हें संरक्षण कानून के अनुरूप लाते हैं। मैक्सवेल ने चुना प्रोटोजोआ से संभव तरीका, प्रणाली का नेतृत्व करने के लिए सममित खाली जगह में खेतों के विवरण के लिए इसके उपयोग के मामले में। अंतिम समीकरण में एक शब्द जोड़ा गया था, जो एक बदलते विद्युत क्षेत्र ("पूर्वाग्रह वर्तमान") द्वारा एक भंवर चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करने की संभावना का वर्णन करता है:

(11)

.

संशोधित से विशुद्ध रूप से गणितीय परिणाम मैक्सवेल समीकरणों की प्रणाली विद्युतचुंबकीय प्रक्रियाओं में ऊर्जा के संरक्षण के बारे में एक बयान और रूप में आवेशों और धाराओं से स्वतंत्र क्षेत्र की संभावना के बारे में एक सैद्धांतिक निष्कर्ष था। विद्युतचुम्बकीय तरंगें खाली जगह में। इस अंतिम भविष्यवाणी को हर्ट्ज़ और पोपोव के प्रसिद्ध प्रयोगों में शानदार प्रयोगात्मक पुष्टि मिली, जिसने आधुनिक रेडियो संचार की नींव रखी। प्रणाली से परिकलित (11) प्रसार वेग विद्युतचुम्बकीय तरंगेंनिर्वात में प्रकाश के प्रसार की प्रयोगात्मक रूप से मापी गई गति के बराबर निकला, जिसका अर्थ था विद्युत चुंबकत्व और प्रकाशिकी के भौतिकी के व्यावहारिक रूप से पहले के स्वतंत्र वर्गों का एक पूर्ण सिद्धांत में एकीकरण।

एक चुंबकीय मोनोपोल के अस्तित्व की समस्या।मैक्सवेल के सिद्धांत की विशाल सफलता ने गणितीय समीकरणों के विश्लेषण के आधार पर प्रकृति के नए नियमों की सैद्धांतिक खोज की संभावना का प्रदर्शन किया, जो पहले से ज्ञात नियमितताओं का वर्णन करते हैं, इस प्रकार "अनुमानित" परिणामों के अनिवार्य प्रयोगात्मक सत्यापन के साथ।

मैक्सवेल समीकरणों की प्रणाली (11), जो रिक्त स्थान में विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों का वर्णन करने के लिए सममित है, अनिवार्य रूप से "अपनी सुंदरता खो देता है" जब विद्युत आवेशों और धाराओं को ध्यान में रखा जाता है: विद्युत आवेशों द्वारा निर्मित संभावित क्षेत्र इचुंबकीय बातचीत में कोई एनालॉग नहीं है। यह विषमता खोज करने के लिए कई प्रयोग स्थापित करने का कारण थी चुंबकीय मोनोपोल (या चुंबकीय शुल्क) - काल्पनिक कण जो एक संभावित चुंबकीय क्षेत्र का स्रोत हैं और उनके कथित गुणों के सैद्धांतिक अध्ययन हैं। अब तक, चुंबकीय मोनोपोल के अस्तित्व पर विश्वसनीय प्रयोगात्मक डेटा प्राप्त नहीं किया गया है।

इलेक्ट्रोडायनामिक्स और शास्त्रीय भौतिकी के बीच विरोधाभास।एक पूर्ण सिद्धांत के रूप में तैयार किया गया और प्रयोगात्मक सत्यापन के बावजूद, मैक्सवेल के विद्युत चुंबकत्व के नियम गैलीलियो - न्यूटन के शास्त्रीय विश्वदृष्टि के अंतर्निहित सिद्धांतों के विरोध में निकले:

1. गैलीलियो के सापेक्षता के सिद्धांत को संतुष्ट करने वाली शास्त्रीय ताकतें समय, पिंडों के बीच की दूरी और उनके सापेक्ष वेगों पर निर्भर हो सकती हैं, अर्थात। मात्राएँ जो संदर्भ के एक जड़त्वीय फ्रेम से दूसरे में जाने पर नहीं बदलती हैं। मैग्नेटोस्टैटिक क्षेत्र और संबंधित लोरेंत्ज़ बल पर्यवेक्षक के संबंध में आवेश वेगों के कार्य हैं और संदर्भ के विभिन्न जड़त्वीय फ्रेम में भिन्न हैं। उस। के दृष्टिकोण से विद्युत चुम्बकीय अंतःक्रियाओं के कारण होने वाली प्राकृतिक घटनाएं शास्त्रीय भौतिकीसंदर्भ के विभिन्न जड़त्वीय फ्रेम में अलग तरीके से आगे बढ़ना चाहिए।

2. मैक्सवेल के समीकरणों को हल करने के परिणामस्वरूप प्राप्त रिक्त स्थान में विद्युत चुम्बकीय तरंगों के प्रसार की गति इन तरंगों के स्रोत और पर्यवेक्षक दोनों की गति की गति से स्वतंत्र निकली। यह निष्कर्ष वेगों के योग के शास्त्रीय नियम का पूरी तरह से खंडन करता है।

विद्युत चुंबकत्व के समीकरणों को इस तरह से संशोधित करने के सभी प्रयासों ने उन्हें शास्त्रीय प्राकृतिक विज्ञान के सिद्धांतों के अनुरूप लाने के लिए उन प्रभावों की सैद्धांतिक भविष्यवाणी की, जो प्रयोग में नहीं देखे गए थे, और उन्हें अस्थिर के रूप में मान्यता दी गई थी।

लोरेंत्ज़ रूपांतरण।चूंकि मैक्सवेल के समीकरण नहीं थे अचल गैलीलियन परिवर्तनों के संबंध में, अर्थात्। सापेक्षता के सिद्धांत की आवश्यकताओं के विपरीत, संबंधों द्वारा दिए गए नियमों के अनुसार, उन्होंने संदर्भ के एक जड़त्वीय फ्रेम से दूसरे में जाने पर अपना आकार बदल दिया:

(12) ,

लोरेंत्ज़ ने निर्देशांक और समय के ऐसे परिवर्तनों को खोजने का स्वाभाविक प्रश्न उठाया जो मैक्सवेल के समीकरणों को नहीं बदलेगा और साथ ही जितना संभव हो उतना सरल होगा। इस समस्या को उनके द्वारा विशुद्ध रूप से गणितीय रूप में हल किया गया था:

(13) .

गैलीलियो (12) और लोरेंत्ज़ (13) के परिवर्तनों की तुलना में, यह देखना आसान है कि प्रकाश की गति की तुलना में छोटी गति के मामले में उत्तरार्द्ध शास्त्रीय लोगों में बदल जाता है साथ. उस। लोरेंत्ज़ द्वारा प्रस्तावित संबंध संतुष्ट अनुरूपता सिद्धांत , जिससे नया सिद्धांत उन क्षेत्रों में पुराने के अनुरूप होना चाहिए जहां बाद वाले को प्रयोगात्मक रूप से विश्वसनीय रूप से सत्यापित किया गया है।इसके अलावा, लोरेंत्ज़ परिवर्तनों से निम्नलिखित वेगों के योग का सापेक्षिक नियम से कम गति से चलते हुए संदर्भ के किसी भी जड़त्वीय फ्रेम में गुजरने के संबंध में प्रकाश अपरिवर्तनीय की गति को छोड़ दिया साथ.

माइकलसन के प्रयोग।संदर्भ के अन्य फ़्रेमों में संक्रमण के दौरान प्रकाश की गति की स्थिरता के बारे में मैक्सवेल के समीकरणों के बाद के दावे ने शास्त्रीय अवधारणाओं का पूरी तरह से खंडन किया। इसके प्रायोगिक सत्यापन पर एक स्वाभाविक प्रश्न खड़ा हो गया। मिशेलसन द्वारा विशेष रूप से उनके द्वारा डिजाइन किए गए उपकरण की सहायता से एक बहुत ही सुंदर प्रयोग किया गया था - व्यतिकरणमापी , जो दर्पणों द्वारा सिरों पर सीमित सीधी रेखाओं के दो परस्पर लंबवत खंडों के साथ प्रकाश संकेतों के प्रसार समय की तुलना करना संभव बनाता है (चित्र 11_2)। प्रयोग का विचार पृथ्वी की कक्षीय गति के कारण इंटरफेरोमीटर की विभिन्न भुजाओं के साथ प्रकाश प्रसार की गति में अंतर दर्ज करने का प्रयास करना था। मिशेलसन इंटरफेरोमीटर के साथ प्रयोगों ने नकारात्मक परिणाम दिए: उच्च सटीकता के साथ प्रकाश की गति इसके प्रसार की दिशाओं और पृथ्वी की गति के अनुपात से स्वतंत्र निकली।.

एक काल्पनिक माध्यम की शुरुआत करके वेग जोड़ने के शास्त्रीय कानून को बचाने के कई प्रयास - ईथर , जिसमें प्रकाश स्पंदन फैलता है, प्रस्तावित माध्यम के गुण बहुत ही आकर्षक निकले, इसके वास्तविक अस्तित्व की कोई प्रायोगिक पुष्टि प्राप्त नहीं हुई।

प्राकृतिक विज्ञान में सदी के मोड़ पर पैदा हुए गतिरोध से बाहर निकलने का एक रास्ता ए आइंस्टीन द्वारा प्रस्तावित किया गया था, जिन्होंने बनाया था विशेष सापेक्षता (एसआरटी), जिसमें प्रयोग में दो अच्छी तरह से परीक्षण के आधार पर तत्वों (कथन), एक आंतरिक रूप से सुसंगत (शास्त्रीय प्राकृतिक विज्ञान और रोजमर्रा के अनुभव के दृष्टिकोण से बहुत ही अजीब) अवधारणा का निर्माण किया गया है जो लोरेंत्ज़ परिवर्तनों की व्याख्या करता है और वास्तव में प्रकृति में पंजीकृत कई नई घटनाओं की भविष्यवाणी करता है।

व्याख्यान 1

शास्त्रीय इलेक्ट्रोडायनामिक्स का विषय। विद्युत क्षेत्र। विद्युत क्षेत्र की ताकत।

इलेक्ट्रोडायनामिक्स का विषय। बिजली का गतिविज्ञान - भौतिकी की वह शाखा जो अंतःक्रिया का अध्ययन करती है विद्युत आवेशित कण और इन कणों से उत्पन्न एक विशेष प्रकार का पदार्थ - विद्युत चुम्बकीय .

1. इलेक्ट्रोस्टैटिक्स

इलेक्ट्रोस्टाटिक्स- इलेक्ट्रोडायनामिक्स का एक खंड जो बातचीत का अध्ययन करता है गतिहीन आवेशित पिंड . इस परस्पर क्रिया को करने वाले विद्युत क्षेत्र को कहते हैं इलेक्ट्रोस्टैटिक .

1.1. विद्युत शुल्क।

शुल्क प्राप्त करने के तरीके। विद्युत आवेश के संरक्षण का नियम।

प्रकृति में, दो प्रकार के विद्युत आवेश होते हैं, जिन्हें पारंपरिक रूप से धनात्मक और ऋणात्मक कहा जाता है। ऐतिहासिक रूप से, रेशम पर कांच को रगड़ने पर उत्पन्न होने वाले समान धनात्मक आवेशों को कॉल करने की प्रथा है; नकारात्मक - उन आरोपों के समान जो एम्बर को फर के खिलाफ रगड़ने पर उत्पन्न होते हैं। एक ही चिन्ह के आवेश एक दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं, विभिन्न चिन्हों के आवेश आकर्षित करते हैं (चित्र 1.1)।

अनिवार्य रूप से, विद्युत शुल्क परमाणुवादी (असतत)। इसका मतलब यह है कि प्रकृति में सबसे छोटा, आगे अविभाज्य आवेश होता है, जिसे प्राथमिक आवेश कहा जाता है। मूल्य प्राथमिक द्वारा चार्ज निरपेक्ष मूल्यएसआई में:

विद्युत आवेश कई प्राथमिक कणों, विशेष रूप से, इलेक्ट्रॉनों और प्रोटॉनों में निहित होते हैं, जो कि का हिस्सा हैं विभिन्न परमाणुजिससे प्रकृति के सभी पिंड बने हैं। हालांकि, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि के अनुसार आधुनिक विचारदृढ़ता से परस्पर क्रिया करने वाले कण - हैड्रॉन (मेसन और बेरियन) - तथाकथित से निर्मित होते हैं क्वार्क - विशेष कण जो ले जाते हैं आंशिकशुल्क। वर्तमान में, छह प्रकार के क्वार्क ज्ञात हैं - यू, डी, एस, टी, बी और सी - शब्दों के पहले अक्षरों के अनुसार: यूपी-ऊपरी, नीचे-निचला, पक्ष-तरफा- पार्श्व (या विचित्र-विचित्र), ऊपर- ऊपर, नीचे- चरम और आकर्षण-मन प्रसन्न कर दिया। ये क्वार्क जोड़े में विभाजित होते हैं: (यू, डी), (सी, एस), (टी, बी)। क्वार्क यू, सी, टी का चार्ज +2/3 है, और क्वार्क डी, एस, बी का चार्ज -1/3 है। प्रत्येक क्वार्क का अपना होता है क्वार्क. इसके अलावा, प्रत्येक क्वार्क तीन रंग राज्यों (लाल, पीला और नीला) में से एक में हो सकता है। मेसन दो क्वार्क से बने होते हैं, बेरियन तीन से बने होते हैं। फ्री स्टेट क्वार्क में नही देखा गया. यह हमें यह विचार करने की अनुमति देता है कि प्रकृति में प्राथमिक आवेश स्थिर है पूर्णांकशुल्क इ, लेकिन नहीं आंशिकक्वार्क चार्ज। स्थूल पिंडों का आवेश प्राथमिक आवेशों के संयोजन से बनता है और इस प्रकार, e . का पूर्णांक गुणज.

प्रयोगों के लिए विद्युत शुल्कउपयोग विभिन्न तरीकेउन्हें प्राप्त करना। सबसे आसान और पुराना तरीका मलाईएक शरीर दूसरे के द्वारा। इस मामले में, घर्षण स्वयं यहां एक मौलिक भूमिका नहीं निभाता है। विद्युत आवेश हमेशा तब उत्पन्न होते हैं जब संपर्क निकायों की सतह निकट संपर्क में होती है। घर्षण (पीसने) केवल संपर्क में निकायों की सतह पर अनियमितताओं को खत्म करने में मदद करता है, जो उन्हें एक-दूसरे से कसकर फिट होने से रोकता है, जो बनाता है अनुकूल परिस्थितियांएक निकाय से दूसरे निकाय में प्रभार स्थानांतरित करने के लिए। विद्युत आवेश प्राप्त करने की यह विधि कुछ विद्युत मशीनों के संचालन को रेखांकित करती है, उदाहरण के लिए, उच्च ऊर्जा भौतिकी में उपयोग किया जाने वाला वैन डे ग्रैफ इलेक्ट्रोस्टैटिक जनरेटर (वैन डे ग्रैफ आर।, 1901-1967)।

विद्युत आवेश प्राप्त करने का दूसरा तरीका परिघटना के उपयोग पर आधारित है इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रेरण . इसका सार चित्र 1.2 में दिखाया गया है। आइए इसे दो हिस्सों में विभाजित करने के लिए लाएं न लगाए गएएक धात्विक पिंड (बिना छुए) एक अन्य पिंड, आवेशित, कहते हैं, धनात्मक। धातु में मुक्त ऋणावेशित इलेक्ट्रॉनों के एक निश्चित अंश के विस्थापन के कारण, बायां आधामूल शरीर का एक अतिरिक्त ऋणात्मक आवेश प्राप्त करेगा, और दाहिना एक समान परिमाण प्राप्त करेगा, लेकिन संकेत में विपरीत, धनात्मक आवेश। यदि अब, बाहरी आवेशित पिंड की उपस्थिति में, हम दोनों हिस्सों को पतला करते हैं विभिन्न पक्षऔर आवेशित शरीर को हटा दें, तो उनमें से प्रत्येक होगा आरोप लगाया. नतीजतन, हम दो नए निकायों को परिमाण के बराबर और साइन में विपरीत चार्ज के साथ प्राप्त करेंगे।

हमारे विशेष मामले में, प्रयोग से पहले और बाद में मूल शरीर का कुल चार्ज नहीं बदला - यह शून्य के बराबर रहा:

क्यू = क्यू - + क्यू + = 0

1.2. विद्युत आवेशों की परस्पर क्रिया।

कूलम्ब का नियम। विस्तारित आवेशित पिंडों की परस्पर क्रिया बलों की गणना के लिए कूलम्ब के नियम का अनुप्रयोग।

विद्युत आवेशों की परस्पर क्रिया का नियम 1785 में चार्ल्स कूलम्ब (कूलम्बश।, 1736-1806) द्वारा स्थापित किया गया था। कूलम्ब ने दो छोटी आवेशित गेंदों के बीच परस्पर क्रिया के बल को मापा, जो उनके द्वारा विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए टॉर्सियन बैलेंस का उपयोग करके, आवेशों के परिमाण और उनके बीच की दूरी पर निर्भर करता है (चित्र। 1.3)। अपने प्रयोगों के परिणामस्वरूप, कूलम्ब ने पाया कि दो बिंदु आवेशों की परस्पर क्रिया का बल प्रत्येक आवेश के परिमाण के समानुपाती और उनके बीच की दूरी के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती होता है, जबकि बल की दिशा दोनों आवेशों से गुजरने वाली सीधी रेखा के साथ मेल खाती है:

दूसरे शब्दों में, हम लिख सकते हैं:

आनुपातिकता k का गुणांक इस सूत्र में शामिल मात्राओं की माप की इकाइयों की पसंद पर निर्भर करता है:

अब आम अंतर्राष्ट्रीय प्रणालीमाप की इकाइयाँ (SI) कूलम्ब का नियम इस रूप में लिखा गया है:

एक बार फिर इस बात पर जोर दिया जाना चाहिए कि इस रूप में कूलम्ब नियम केवल बिंदु आवेशों के लिए तैयार किया जाता है, अर्थात् ऐसे आवेशित निकाय, जिनके आयामों को उनके बीच की दूरी की तुलना में उपेक्षित किया जा सकता है। यदि यह शर्त पूरी नहीं होती है, तो कूलम्ब के नियम को dq1 और dq2 के प्राथमिक आवेशों के प्रत्येक जोड़े के लिए विभेदक रूप में लिखा जाना चाहिए, जिसमें आवेशित पिंड "ब्रेक" करते हैं:

फिर पूर्ण बलदो स्थूल आवेशित पिंडों की परस्पर क्रिया को इस प्रकार दर्शाया जाएगा:

इस सूत्र में एकीकरण प्रत्येक पिंड के सभी आवेशों पर किया जाता है।
उदाहरण। एक अपरिमित रूप से विस्तारित रेक्टिलिनियर आवेशित धागे की ओर से बिंदु आवेश Q पर कार्यरत F बल ज्ञात कीजिए (चित्र 1.4)। चार्ज से फिलामेंट की दूरी, फिलामेंट का रैखिक चार्ज घनत्व ।

आवश्यक बल F = Fx= Qτ/(2πε0a) है।

1.3. विद्युत क्षेत्र। विद्युत क्षेत्र की ताकत। विद्युत क्षेत्रों के अध्यारोपण का सिद्धांत।
विद्युत आवेशों की परस्पर क्रिया आवेशित कणों द्वारा उत्पन्न एक विशेष प्रकार के पदार्थ के माध्यम से होती है - एक विद्युत क्षेत्र। विद्युत आवेश आसपास के स्थान के गुणों को बदल देते हैं। यह इस तथ्य में प्रकट होता है कि एक आवेशित वस्तु के पास रखा गया एक अन्य आवेश (इसे परीक्षण आवेश कहते हैं) एक बल से प्रभावित होता है (चित्र। 1.5)। इस बल के परिमाण से, आवेश q द्वारा निर्मित क्षेत्र की "तीव्रता" का अंदाजा लगाया जा सकता है। अंतरिक्ष में दिए गए बिंदु पर विद्युत क्षेत्र को सटीक रूप से दर्शाने के लिए परीक्षण आवेश पर कार्य करने वाले बल के लिए, परीक्षण आवेश, स्पष्ट रूप से, एक बिंदु आवेश होना चाहिए।

चित्र.1.5। विद्युत क्षेत्र की ताकत के निर्धारण के लिए।
एक परीक्षण आवेश qpr को आवेश q (चित्र 1.5) से एक निश्चित दूरी r पर रखने पर, हम पाते हैं कि यह एक बल द्वारा प्रभावित होता है जिसका परिमाण

qpr लिए गए परीक्षण शुल्क के मूल्य पर निर्भर करता है। हालांकि, यह देखना आसान है कि सभी परीक्षण शुल्कों के लिए अनुपात F/ qpr समान होगा और यह केवल q और r मात्राओं पर निर्भर करता है जो किसी दिए गए बिंदु r पर चार्ज फ़ील्ड q निर्धारित करते हैं। इसलिए, इस अनुपात को "तीव्रता" की विशेषता वाली मात्रा के रूप में लेना स्वाभाविक है या, जैसा कि वे कहते हैं, विद्युत क्षेत्र की तीव्रता (में इस मामले मेंबिंदु चार्ज फ़ील्ड):
.
इस प्रकार, विद्युत क्षेत्र की ताकत इसकी शक्ति विशेषता है। संख्यात्मक रूप से, यह इस क्षेत्र में रखे गए परीक्षण आवेश qpr = +1 पर लगने वाले बल के बराबर होता है।
क्षेत्र की ताकत एक वेक्टर है। इसकी दिशा इस क्षेत्र में रखे गए बिंदु आवेश पर कार्य करने वाले बल वेक्टर की दिशा से मेल खाती है। इसलिए, यदि एक बिंदु आवेश q को शक्ति के साथ विद्युत क्षेत्र में रखा जाता है, तो उस पर एक बल कार्य करेगा:

एसआई में विद्युत क्षेत्र की ताकत का आयाम:।
विद्युत क्षेत्र को आसानी से बल की रेखाओं का उपयोग करके दर्शाया गया है। बल रेखा वह रेखा होती है जिसके प्रत्येक बिंदु पर स्पर्शरेखा सदिश उस बिंदु पर विद्युत क्षेत्र शक्ति सदिश की दिशा के साथ मेल खाता है। यह आम तौर पर स्वीकार किया जाता है कि बल की रेखाएंके साथ शुरू सकारात्मक आरोपऔर नकारात्मक में समाप्त होता है (या अनंत तक जाता है) और कहीं भी बाधित नहीं होता है। कुछ विद्युत क्षेत्रों के बल रेखाओं के उदाहरण चित्र 1.6 में दिखाए गए हैं।
चित्र 1.6. बल की रेखाओं का उपयोग करते हुए विद्युत क्षेत्रों की छवि के उदाहरण: एक बिंदु आवेश (धनात्मक और ऋणात्मक), एक द्विध्रुव, एक समान विद्युत क्षेत्र।
विद्युत क्षेत्र सुपरपोजिशन (जोड़) के सिद्धांत का पालन करता है, जिसे निम्नानुसार तैयार किया जा सकता है: आवेशों की एक प्रणाली द्वारा अंतरिक्ष में एक निश्चित बिंदु पर बनाए गए विद्युत क्षेत्र की ताकत विद्युत क्षेत्रों की ताकत के वेक्टर योग के बराबर होती है। अंतरिक्ष में एक ही बिंदु पर प्रत्येक आवेश द्वारा अलग से बनाया गया:

उदाहरण। एक द्विध्रुवीय (दो कठोर रूप से जुड़े बिंदु आवेशों की एक प्रणाली) के विद्युत क्षेत्र की ताकत E का पता लगाएं विपरीत चिन्ह) आवेश से r1 की दूरी पर स्थित बिंदु पर - q और आवेश + q से r2 की दूरी पर (चित्र। 1.7)। आवेशों (द्विध्रुवीय भुजा) के बीच की दूरी l के बराबर होती है।

चित्र 1.7। दो बिंदु आवेशों की एक प्रणाली के विद्युत क्षेत्र की ताकत की गणना पर।

शास्त्रीय विद्युतगतिकी का विषय

शास्त्रीय इलेक्ट्रोडायनामिक्स एक सिद्धांत है जो विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के व्यवहार की व्याख्या करता है जो विद्युत आवेशों के बीच विद्युत चुम्बकीय संपर्क करता है।

शास्त्रीय मैक्रोस्कोपिक इलेक्ट्रोडायनामिक्स के नियम मैक्सवेल के समीकरणों में तैयार किए गए हैं, जो आपको विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की विशेषताओं के मूल्यों को निर्धारित करने की अनुमति देते हैं: विद्युत क्षेत्र की ताकत इऔर चुंबकीय प्रेरण परअंतरिक्ष में विद्युत आवेशों और धाराओं के वितरण के आधार पर निर्वात और स्थूल निकायों में।

स्थिर विद्युत आवेशों की परस्पर क्रिया को इलेक्ट्रोस्टैटिक्स के समीकरणों द्वारा वर्णित किया जाता है, जिसे मैक्सवेल के समीकरणों के परिणामस्वरूप प्राप्त किया जा सकता है।

शास्त्रीय इलेक्ट्रोडायनामिक्स में व्यक्तिगत आवेशित कणों द्वारा निर्मित सूक्ष्म विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र लोरेंत्ज़-मैक्सवेल समीकरणों द्वारा निर्धारित किया जाता है, जो शास्त्रीय विद्युतीकरण के अंतर्गत आता है। सांख्यिकीय सिद्धांतमैक्रोस्कोपिक निकायों में विद्युत चुम्बकीय प्रक्रियाएं। इन समीकरणों का औसत निकालने से मैक्सवेल के समीकरण बनते हैं।

सब में ज्ञात प्रजातिइंटरैक्शन इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंटरैक्शन चौड़ाई और अभिव्यक्तियों की विविधता में पहले स्थान पर है। यह इस तथ्य के कारण है कि सभी निकाय विद्युत आवेशित (सकारात्मक और नकारात्मक) कणों से बने होते हैं, जिसके बीच विद्युत चुम्बकीय संपर्क, एक ओर, गुरुत्वाकर्षण और कमजोर की तुलना में अधिक तीव्र परिमाण के कई क्रम होते हैं, और दूसरी ओर हाथ, मजबूत बातचीत के विपरीत, लंबी दूरी की है।

इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंटरैक्शन संरचना को निर्धारित करता है परमाणु गोले, अणुओं में परमाणुओं का आसंजन (बलों .) रसायनिक बंध) और संघनित पदार्थ का निर्माण (अंतर-परमाणु संपर्क, अंतर-आणविक संपर्क)।

शास्त्रीय इलेक्ट्रोडायनामिक्स के नियम उच्च आवृत्तियों पर लागू नहीं होते हैं और तदनुसार, विद्युत चुम्बकीय तरंगों की छोटी लंबाई, यानी। छोटे अंतरिक्ष-समय अंतराल पर होने वाली प्रक्रियाओं के लिए। इस मामले में, क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स के नियम मान्य हैं।

1.2. इलेक्ट्रिक चार्ज और इसकी विसंगति।
शॉर्ट रेंज थ्योरी

भौतिक विज्ञान के विकास ने दिखाया है कि भौतिक और रासायनिक गुणपदार्थ मुख्य रूप से विभिन्न पदार्थों के अणुओं और परमाणुओं के विद्युत आवेशों की उपस्थिति और परस्पर क्रिया के कारण अन्योन्यक्रिया बलों द्वारा निर्धारित होते हैं।

यह ज्ञात है कि प्रकृति में दो प्रकार के विद्युत आवेश होते हैं: धनात्मक और ऋणात्मक। वे फॉर्म में मौजूद हो सकते हैं प्राथमिक कण: इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, पॉज़िट्रॉन, धनात्मक और ऋणात्मक आयन, आदि, साथ ही साथ "मुक्त बिजली", लेकिन केवल इलेक्ट्रॉनों के रूप में। इसलिए, एक सकारात्मक रूप से चार्ज किया गया शरीर इलेक्ट्रॉनों की कमी के साथ विद्युत आवेशों का एक संग्रह है, और एक नकारात्मक रूप से आवेशित शरीर - उनकी अधिकता के साथ। अलग-अलग राशियों के चार्ज एक-दूसरे की भरपाई करते हैं, इसलिए अनावेशित निकायों में हमेशा दोनों राशियों के चार्ज इतनी मात्रा में होते हैं कि उनके कुल प्रभाव की भरपाई हो जाती है।

पुनर्वितरण प्रक्रियासकारात्मक और नकारात्मक शुल्कआरोप मुक्त निकायों, या के बीच अलग भागएक ही शरीर के प्रभाव में कई कारकबुलाया विद्युतीकरण.

चूंकि विद्युतीकरण के दौरान मुक्त इलेक्ट्रॉनों का पुनर्वितरण होता है, उदाहरण के लिए, दोनों परस्पर क्रिया करने वाले निकाय विद्युतीकृत होते हैं, उनमें से एक सकारात्मक और दूसरा नकारात्मक होता है। आरोपों की संख्या (सकारात्मक और नकारात्मक) अपरिवर्तित रहती है।

इसका तात्पर्य इस निष्कर्ष से है कि आवेश उत्पन्न नहीं होते हैं और गायब नहीं होते हैं, बल्कि केवल परस्पर क्रिया करने वाले निकायों और एक ही शरीर के अंगों के बीच पुनर्वितरित होते हैं। मात्रात्मकअपरिवर्तित रहता है।

यह विद्युत आवेशों के संरक्षण के नियम का अर्थ है, जिसे गणितीय रूप से इस प्रकार लिखा जा सकता है:

वे। एक पृथक प्रणाली में, विद्युत आवेशों का बीजगणितीय योग स्थिर रहता है।

एक पृथक प्रणाली को एक ऐसी प्रणाली के रूप में समझा जाता है जिसके माध्यम से प्रकाश के फोटॉन, न्यूट्रॉन के अपवाद के साथ कोई अन्य पदार्थ प्रवेश नहीं करता है, क्योंकि वे चार्ज नहीं करते हैं।

यह ध्यान में रखना चाहिए कि कुल विद्युत आवेश पृथक सिस्टमसापेक्षिक रूप से अपरिवर्तनीय है, क्योंकि किसी दिए गए में स्थित पर्यवेक्षक जड़त्वीय प्रणालीनिर्देशांक, आवेश को मापते हुए, समान मान प्राप्त करते हैं।

कई प्रयोग, विशेष रूप से इलेक्ट्रोलिसिस के नियम, तेल की एक बूंद के साथ मिलिकन के प्रयोग ने दिखाया है कि प्रकृति में विद्युत आवेश एक इलेक्ट्रॉन के आवेश के लिए असतत होते हैं। कोई भी आवेश इलेक्ट्रॉन आवेश की एक पूर्णांक संख्या का गुणज होता है।

विद्युतीकरण की प्रक्रिया में, इलेक्ट्रॉन आवेश के मान से आवेश (मात्राबद्ध) में परिवर्तन होता है। आवेश परिमाणीकरण प्रकृति का एक सार्वभौमिक नियम है।

इलेक्ट्रोस्टैटिक्स में, आवेशों के गुणों और अंतःक्रियाओं का अध्ययन किया जाता है जो संदर्भ के फ्रेम में स्थिर होते हैं जिसमें वे स्थित होते हैं।

निकायों में विद्युत आवेश की उपस्थिति के कारण वे अन्य आवेशित पिंडों के साथ परस्पर क्रिया करते हैं। उसी समय, एक ही नाम के आरोपित निकाय एक दूसरे को पीछे हटाते हैं, और विपरीत रूप से चार्ज किए जाते हैं, वे आकर्षित होते हैं।

शॉर्ट-रेंज इंटरैक्शन का सिद्धांत भौतिकी में बातचीत के सिद्धांतों में से एक है। भौतिकी में, अंतःक्रिया को एक दूसरे पर पिंडों या कणों के किसी भी प्रभाव के रूप में समझा जाता है, जिससे उनकी गति की स्थिति में परिवर्तन होता है।

न्यूटनियन यांत्रिकी में, एक दूसरे पर पिंडों की पारस्परिक क्रिया मात्रात्मक रूप से बल द्वारा विशेषता है। अधिक सामान्य विशेषताबातचीत संभावित ऊर्जा है।

प्रारंभ में, भौतिकी में यह विचार स्थापित किया गया था कि निकायों के बीच बातचीत को सीधे के माध्यम से किया जा सकता है खाली जगह, जो बातचीत के प्रसारण में भाग नहीं लेता है। बातचीत का हस्तांतरण तुरंत होता है। इस प्रकार, यह माना जाता था कि पृथ्वी की गति को चंद्रमा पर अभिनय करने वाले गुरुत्वाकर्षण बल में तुरंत परिवर्तन करना चाहिए। यह तथाकथित बातचीत के सिद्धांत का अर्थ था, जिसे लंबी दूरी की कार्रवाई का सिद्धांत कहा जाता है। हालांकि, विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की खोज और अध्ययन के बाद इन विचारों को असत्य के रूप में छोड़ दिया गया था।

यह सिद्ध हो गया था कि विद्युत आवेशित पिंडों की परस्पर क्रिया तात्कालिक नहीं होती है और एक आवेशित कण की गति से दूसरे कणों पर कार्य करने वाले बलों में परिवर्तन होता है, उसी क्षण नहीं, बल्कि एक सीमित समय के बाद।

प्रत्येक विद्युत आवेशित कण एक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र बनाता है जो अन्य कणों पर कार्य करता है, अर्थात। बातचीत एक "मध्यस्थ" के माध्यम से प्रेषित होती है - एक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र। विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के प्रसार की गति निर्वात में प्रकाश के प्रसार की गति के बराबर होती है। पैदा हुई नया सिद्धांतशॉर्ट-रेंज इंटरैक्शन का इंटरैक्शन थ्योरी।

इस सिद्धांत के अनुसार, पिंडों के बीच परस्पर क्रिया कुछ क्षेत्रों के माध्यम से की जाती है (उदाहरण के लिए, गुरुत्वाकर्षण के माध्यम से) गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र) लगातार अंतरिक्ष में वितरित।

क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत के आगमन के बाद, अंतःक्रियाओं की अवधारणा में काफी बदलाव आया है।

क्वांटम सिद्धांत के अनुसार, कोई भी क्षेत्र निरंतर नहीं होता है, लेकिन एक असतत संरचना होती है।

कणिका-तरंग द्वैतवाद के कारण, कुछ कण प्रत्येक क्षेत्र के अनुरूप होते हैं। आवेशित कण लगातार फोटॉन का उत्सर्जन और अवशोषण करते हैं, जो उनके आसपास के विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र का निर्माण करते हैं। क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत में विद्युत चुम्बकीय संपर्क विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के फोटॉन (क्वांटा) द्वारा कणों के आदान-प्रदान का परिणाम है, अर्थात। फोटॉन इस तरह की बातचीत के वाहक हैं। इसी तरह, अन्य प्रकार की बातचीत संबंधित क्षेत्रों के क्वांटा द्वारा कणों के आदान-प्रदान के परिणामस्वरूप उत्पन्न होती है।

एक दूसरे पर शरीर के प्रभावों की विविधता के बावजूद (उनके घटक प्राथमिक कणों की बातचीत के आधार पर), प्रकृति में, आधुनिक आंकड़ों के अनुसार, केवल चार प्रकार हैं मौलिक बातचीत: गुरुत्वाकर्षण, कमजोर, विद्युत चुम्बकीय और मजबूत (अंतःक्रिया की तीव्रता बढ़ाने के क्रम में)। इंटरैक्शन की तीव्रता युग्मन स्थिरांक द्वारा निर्धारित की जाती है (विशेष रूप से, विद्युत चुम्बकीय संपर्क के लिए विद्युत चार्ज युग्मन स्थिरांक है)।

आधुनिक क्वांटम सिद्धांतविद्युत चुम्बकीय संपर्क सभी ज्ञात विद्युत चुम्बकीय घटनाओं का पूरी तरह से वर्णन करता है।

सदी के 60 - 70 के दशक में, यह मुख्य रूप से बनाया गया था एकीकृत सिद्धांतलेप्टान और क्वार्क की कमजोर और विद्युत चुम्बकीय बातचीत (तथाकथित इलेक्ट्रोवीक इंटरैक्शन)।

आधुनिक सिद्धांतमजबूत बातचीत क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स है।

तथाकथित "महान एकीकरण" में विद्युत और मजबूत अंतःक्रियाओं को संयोजित करने के साथ-साथ उन्हें गुरुत्वाकर्षण संपर्क की एक ही योजना में शामिल करने का प्रयास किया जा रहा है।

परिभाषा 1

इलेक्ट्रोडायनामिक्स एक सिद्धांत है जो मानता है विद्युतचुंबकीय प्रक्रियाएंनिर्वात और विभिन्न वातावरणों में।

इलेक्ट्रोडायनामिक्स प्रक्रियाओं और घटनाओं की समग्रता को शामिल करता है जिसमें प्रमुख भूमिकाआवेशित कणों के बीच क्रिया करें, जो विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के माध्यम से किए जाते हैं।

इलेक्ट्रोडायनामिक्स के विकास का इतिहास

इलेक्ट्रोडायनामिक्स के विकास का इतिहास पारंपरिक के विकास का इतिहास है भौतिक अवधारणाएं. अठारहवीं शताब्दी के मध्य से भी पहले, महत्वपूर्ण प्रयोगात्मक परिणाम स्थापित किए गए थे, जो बिजली के कारण हैं:

• प्रतिकर्षण और आकर्षण;
• इन्सुलेटर और कंडक्टर में पदार्थ का विभाजन;
• दो प्रकार की बिजली का अस्तित्व।

चुंबकत्व के अध्ययन में भी उल्लेखनीय परिणाम प्राप्त हुए हैं। बिजली का उपयोग 18वीं शताब्दी के उत्तरार्ध में शुरू हुआ। एक विशेष भौतिक पदार्थ के रूप में बिजली की परिकल्पना का उद्भव फ्रैंकलिन (1706-1790) के नाम से जुड़ा है और 1785 में, कूलम्ब ने बिंदु आवेशों के परस्पर क्रिया के नियम की स्थापना की।

वोल्ट (1745-1827) ने कई विद्युत माप उपकरणों का आविष्कार किया। 1820 में, एक कानून स्थापित किया गया था जो निर्धारित करता था यांत्रिक बलजिसके साथ चुंबकीय क्षेत्र तत्व पर कार्य करता है विद्युत प्रवाह. यह घटनाएम्पीयर के नियम के रूप में जाना जाने लगा। एम्पीयर ने कई धाराओं के बल के कानून की भी स्थापना की। 1820 में ओर्स्टेड की खोज की चुंबकीय क्रियाविद्युत प्रवाह। ओम का नियम 1826 में स्थापित किया गया था।

भौतिकी में, आणविक धाराओं की परिकल्पना, जिसे एम्पीयर ने 1820 में वापस प्रस्तावित किया था, का विशेष महत्व है। फैराडे ने 1831 में विद्युत चुम्बकीय प्रेरण के नियम की खोज की। 1873 में जेम्स क्लर्क मैक्सवेल (1831-1879) ने समीकरणों को निर्धारित किया जो बाद में बन गए सैद्धांतिक आधारविद्युतगतिकी। मैक्सवेल के समीकरणों का एक परिणाम प्रकाश की विद्युत चुम्बकीय प्रकृति की भविष्यवाणी है। उन्होंने विद्युत चुम्बकीय तरंगों के अस्तित्व की संभावना की भी भविष्यवाणी की।

समय के साथ भौतिक विज्ञानएक स्वतंत्र भौतिक इकाई के रूप में विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र का एक विचार था, जो अंतरिक्ष में विद्युत चुम्बकीय बातचीत का एक प्रकार का वाहक है। विभिन्न चुंबकीय और विद्युत घटनाओं ने हमेशा लोगों की रुचि जगाई है।

अक्सर, "इलेक्ट्रोडायनामिक्स" शब्द को पारंपरिक इलेक्ट्रोडायनामिक्स के रूप में समझा जाता है, जो केवल वर्णन करता है निरंतर गुणविद्युत चुम्बकीय।

विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र है मुख्य विषयइलेक्ट्रोडायनामिक्स का अध्ययन, साथ ही एक विशेष प्रकार का पदार्थ, जो आवेशित कणों के साथ बातचीत करते समय प्रकट होता है।

पोपोव ए.एस. 1895 में उन्होंने रेडियो का आविष्कार किया। यह वह था जिस पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ा आगामी विकाशप्रौद्योगिकी और विज्ञान। मैक्सवेल के समीकरणों का उपयोग सभी विद्युत चुम्बकीय घटनाओं का वर्णन करने के लिए किया जा सकता है। समीकरण मात्राओं के संबंध को स्थापित करते हैं जो चुंबकीय और विद्युत क्षेत्रों की विशेषता रखते हैं, अंतरिक्ष में धाराओं और आवेशों को वितरित करते हैं।

चित्रा 1. बिजली के सिद्धांत का विकास। लेखक24 - छात्र पत्रों का ऑनलाइन आदान-प्रदान

पारंपरिक इलेक्ट्रोडायनामिक्स का गठन और विकास

इलेक्ट्रोडायनामिक्स के विकास में महत्वपूर्ण और सबसे महत्वपूर्ण कदम फैराडे की खोज थी - विद्युत चुम्बकीय प्रेरण की घटना (उत्तेजना) विद्युत प्रभावन बलएक वैकल्पिक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र का उपयोग करने वाले कंडक्टरों में)। यही इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग का आधार बना।

माइकल फैराडे is अंग्रेजी भौतिक विज्ञानीजिनका जन्म लंदन में एक लोहार के परिवार में हुआ था। उसने स्नातक किया प्राथमिक स्कूलऔर 12 साल की उम्र से पेपरबॉय के रूप में काम किया। 1804 में, वह फ्रांसीसी प्रवासी रिबोट के छात्र बन गए, जिन्होंने फैराडे की स्व-शिक्षा की इच्छा को प्रोत्साहित किया। व्याख्यान में, उन्होंने अपने ज्ञान को फिर से भरने की मांग की प्राकृतिक विज्ञानरसायन विज्ञान और भौतिकी। 1813 में उन्हें हम्फ्री डेवी के व्याख्यानों का टिकट दिया गया, जिसने उनके भाग्य में निर्णायक भूमिका निभाई। उनकी मदद से, फैराडे को रॉयल इंस्टीट्यूशन में सहायक के रूप में पद मिला।

फैराडे की वैज्ञानिक गतिविधि रॉयल इंस्टीट्यूट में हुई, जहां उन्होंने सबसे पहले डेवी की मदद की रासायनिक प्रयोग, जिसके बाद उन्होंने उन्हें स्वतंत्र रूप से संचालित करना शुरू कर दिया। फैराडे ने क्लोरीन और अन्य गैसों को कम करके बेंजीन प्राप्त किया। 1821 में, उन्होंने खोजा कि कैसे एक चुंबक एक कंडक्टर के चारों ओर करंट के साथ घूमता है, इस प्रकार एक इलेक्ट्रिक मोटर का पहला मॉडल बना।

अगले 10 वर्षों में, फैराडे चुंबकीय और के बीच संबंधों का अध्ययन कर रहा है विद्युत घटना. उनके सभी शोधों को विद्युत चुम्बकीय प्रेरण की घटना की खोज के साथ ताज पहनाया गया, जो 1831 में हुआ था। उन्होंने इस घटना का विस्तार से अध्ययन किया, और इसके मूल नियम का भी गठन किया, जिसके दौरान उन्होंने निर्भरता का खुलासा किया प्रेरण धारा. फैराडे ने समापन, उद्घाटन और आत्म-प्रेरण की घटनाओं का भी अध्ययन किया।

उत्पादित विद्युत चुम्बकीय प्रेरण की खोज वैज्ञानिक महत्व. यह घटना सभी बारी-बारी से अंतर्निहित है और एकदिश धारा. चूंकि फैराडे ने लगातार विद्युत प्रवाह की प्रकृति को प्रकट करने की मांग की, इसने उन्हें लवण, अम्ल और क्षार के समाधान के माध्यम से धारा के पारित होने पर प्रयोग करने के लिए प्रेरित किया। इन अध्ययनों के परिणामस्वरूप, इलेक्ट्रोलिसिस का नियम सामने आया, जिसे 1833 में खोजा गया था। इस साल वह एक वाल्टमीटर खोलता है। 1845 में, फैराडे ने चुंबकीय क्षेत्र में प्रकाश के ध्रुवीकरण की घटना की खोज की। इस वर्ष उन्होंने प्रतिचुंबकत्व की भी खोज की, और 1847 में अनुचुम्बकत्व की खोज की।

टिप्पणी 1

सभी भौतिकी का विकास चुंबकीय और के बारे में फैराडे के विचारों से प्रभावित था विद्युत क्षेत्र. 1832 में, उन्होंने सुझाव दिया कि विद्युत चुम्बकीय घटना का प्रसार एक तरंग प्रक्रिया है जो होती है अंतिम गति. 1845 में, फैराडे ने पहली बार "विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र" शब्द का प्रयोग किया।

फैराडे की खोजों ने दुनिया भर में व्यापक लोकप्रियता हासिल की। वैज्ञानिक दुनिया. उनके सम्मान में ब्रिटिश रासायनिक समाजफैराडे मेडल की स्थापना की, जो एक मानद वैज्ञानिक पुरस्कार बन गया।

विद्युत चुम्बकीय प्रेरण की घटना की व्याख्या करते हुए और कठिनाइयों का सामना करते हुए, फैराडे ने विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों की सहायता से विद्युत चुम्बकीय अंतःक्रियाओं के कार्यान्वयन का सुझाव दिया। यह सब विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की अवधारणा के निर्माण की नींव रखता है, जिसे जेम्स मैक्सवेल द्वारा तैयार किया गया था।

इलेक्ट्रोडायनामिक्स के विकास में मैक्सवेल का योगदान

जेम्स क्लर्क मैक्सवेल एक अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी हैं जिनका जन्म एडिनबर्ग में हुआ था। यह उनके नेतृत्व में था कि कैम्ब्रिज में कैवेंडिश प्रयोगशाला बनाई गई थी, जिसका उन्होंने जीवन भर नेतृत्व किया।

मैक्सवेल के काम इलेक्ट्रोडायनामिक्स, सामान्य सांख्यिकी, आणविक भौतिकी, यांत्रिकी, प्रकाशिकी और लोच के सिद्धांत के लिए समर्पित हैं। उन्होंने इलेक्ट्रोडायनामिक्स में सबसे महत्वपूर्ण योगदान दिया और आणविक भौतिकी. संस्थापकों में से एक काइनेटिक सिद्धांतमैक्सवेल गैस है। उन्होंने अणुओं के वितरण कार्यों को वेगों के संदर्भ में स्थापित किया, जो रिवर्स और प्रत्यक्ष टकराव के विचार पर आधारित हैं; मैक्सवेल ने परिवहन के सिद्धांत को विकसित किया सामान्य दृष्टि सेऔर इसे प्रसार प्रक्रियाओं पर लागू किया, आतंरिक मनमुटाव, तापीय चालकता, और विश्राम की अवधारणा को भी पेश किया।

1867 में उन्होंने पहली बार थर्मोडायनामिक्स की सांख्यिकीय प्रकृति को दिखाया, और 1878 में "सांख्यिकीय यांत्रिकी" की अवधारणा पेश की। सबसे ज्यादा महत्वपूर्ण वैज्ञानिक उपलब्धिमैक्सवेल उनके द्वारा बनाए गए विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र का सिद्धांत है। अपने सिद्धांत में, वह "विस्थापन धारा" की नई अवधारणा का उपयोग करता है और विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की परिभाषा देता है।

टिप्पणी 2

मैक्सवेल ने एक नए महत्वपूर्ण प्रभाव की भविष्यवाणी की: अस्तित्व विद्युत चुम्बकीय विकिरणऔर मुक्त स्थान में विद्युत चुम्बकीय तरंगें, साथ ही प्रकाश की गति से उनका प्रसार। उन्होंने लोच के सिद्धांत में एक प्रमेय भी तैयार किया, जो प्रमुख थर्मोफिजिकल मापदंडों के बीच संबंध स्थापित करता है। मैक्सवेल ने रंग दृष्टि के सिद्धांत को विकसित किया, शनि के छल्ले की स्थिरता की खोज की। वह दिखाता है कि छल्ले तरल या ठोस नहीं हैं, वे उल्कापिंडों का झुंड हैं।

मैक्सवेल एक प्रसिद्ध लोकप्रिय व्यक्ति थे भौतिक ज्ञान. उनके चार विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र समीकरणों की सामग्री इस प्रकार है:

1. चुंबकीय क्षेत्र गतिमान आवेशों और एक प्रत्यावर्ती विद्युत क्षेत्र द्वारा उत्पन्न होता है।
2. बल की बंद रेखाओं वाला एक विद्युत क्षेत्र एक वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र द्वारा उत्पन्न होता है।
3. चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं हमेशा बंद रहती हैं। इस क्षेत्र में चुंबकीय आवेश नहीं होते हैं, जो विद्युत आवेशों के समान होते हैं।
4. विद्युत क्षेत्र, जिसमें बल की खुली रेखाएँ होती हैं, विद्युत आवेशों द्वारा उत्पन्न होता है, जो इस क्षेत्र के स्रोत हैं।