Следующий шаг в развитии физического поля был сделан после того, как было показано, что эфир не является и не может являться абсолютной системой отсчета, что создало основание для утверждения самостоятельного существования физического поля. Особенное развитие эти взгляды получили в теории свободного электромагнитного поля (электромагнитные волны), которое, будучи создано, может существовать и распространяться вне зависимости от породивших его источников. Такое электромагнитное поле наравне с веществом является носителем энергии и импульса. Однако в пределах электростатики никаким - ни действительным, ни мысленным - опытам нельзя доказать этого, нельзя оторвать поле от создающих его заряженных тел. Об этом следует, по-видимому, сказать и тогда, когда впервые идет разговор об электростатическом поле и, особенно, при рассмотрении энергии электростатического поля.
Энергия поля непрерывно распределена по всему его объему, т. е. по всему пространству, где есть поле. На примере электростатического поля системы точечных зарядов разумно обратить внимание студентов на диалектическое единство противоположностей - непрерывности в пространстве поля и дискретности порождающих его заряженных частиц.
При рассмотрении электрического (а позднее и магнитного) поля в веществе используется статистический метод, основанный на молекулярно-кинетических представлениях о строении вещества. Диэлектрики в целом имеют электрические свойства, отличные от электрических свойств каждой молекулы в отдельности. В частности, в отсутствие внешнего поля диэлектрик, состоящий из полярных молекул, не создает поля, хотя каждая молекула представляет собой диполь, т. е. заведомо создает собственное электрическое поле.
Это - пример того, что коллектив, состоящий из большого числа объектов, обладает качественно другими свойствами, чем каждый объект в отдельности. Успешная разработка теории электрических и
магнитных свойств вещества является убедительным подтверждением плодотворности сочетания
статистического и феноменологического методов исследования явлений.
Изучение поведения диэлектриков в электростатическом поле и электростатического поля в среде обычно проводят в такой последовательности: теория строения диэлектриков; предсказание поведения диэлектриков в электростатическом поле, основанное на изложенной теории; определение и расчет количественных характеристик, как-то: поляризованности (вектора поляризации),
электрической восприимчивости и относительной диэлектрической проницаемости,
напряженности результирующего усредненного поля в среде; опытная проверка. Сопоставление
опытных данных с исходными теоретическими представлениями позволяет проверить правильность этих представлений и глубже проникнуть в сущность рассматриваемых физических явлений и закономерностей.
3. Постоянный электрический ток
Программа курс4. Электромагнетизм а общей физики в технических вузах предлагает изучить таки
законы Ома и Джоуля-Ленца в дифференциальной форме и получить выражение для этих законов на основе электронной теории электропроводности металлов. Эта теория является конкретным приложением кинетической теории к электронам проводимости в металлах, т. е. основывается на представлении о движении, как неотъемлемом свойстве материи. В становлении этой теории
решающую роль сыграли опыты Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (1913), Стюарта и Толмена (1916), которые позволили выяснить, что материальными носителями тока в металлах являются электроны.
Существенно подчеркнуть студентам, что электрический ток является примером процесса,
протекающего в неравновесной системе и обусловленного отклонением системы от равновесного состояния. На примере электронной теории металлов следует показать студентам, что на каждой
ступени процесса познания человечеством объективных законов окружающего нас мира наши познания всегда являются неполными, относительными. Так, классическая электронная теория позволила теоретически объяснить заколы Ома, Джоуля-Ленца и Видемана- Франца. Эта теория оказалась очень полезной в физике газовой плазмы. Однако она встретилась с непреодолимыми трудностями в истолковании теплоемкости металлов, зависимости их удельной электропроводности от температуры и др.
Следующим шагом в развитии теории электропроводности металлов явилась квантовая теория, начало которой было положено работами Я. И. Френкеля (1924), А. Зоммерфельда (1928), Ф.
Блоха и др. Естественно, что и эта более совершенная теория не является истиной в последней инстанции.
В этом месте целесообразно подчеркнуть опасность вульгаризации роли практики в качестве критерия истины. Согласие теории с ограниченным кругом экспериментальных фактов еще не является гарантией ее правильности. Вместе с тем противоречие между теорией и экспериментом свидетельствует о необходимости либо усовершенствования теории, либо замены ее новой теорией.
При изложении закона Джоуля - Ленца необходимо подчеркнуть, что он описывает процесс преобразования энергии упорядоченного движения носителей тока, образующих электрический ток, в энергию беспорядочного теплового движения частиц проводника. Поэтому закон Джоуля - Ленца является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии, выражающего вечность движения материи.
4.Электромагнетизм
Вэлектромагнетизме большое число экспериментальных фактов может быть объяснено одинаково успешно как на основе концепций дальнодействия, так и на основе теории близкодействия, использующей представление об электромагнитном поле.
Концепция дальнодействия соответствовала ньютоновской теории тяготения (сам Ньютон, как известно, сомневался в возможности дальнодействия, но из осторожности не ввел понятие о каком-то промежуточном агенте). Поэтому Ампера, сделавшего наиболее фундаментальный вклад в основанную на понятии дальнодействия теорию электромагнитных явлений, называли "Ньютоном электричества".
При обсуждении природы магнетизма следует остановиться на теории Ампера, основанной на высказанной им гипотезе молекулярных токов, согласно которой магнитные свойства вещества обусловлены замкнутыми электрическими токами в молекулах. Тем самым Ампер высказал гипотезу об электрической природе магнетизма, материальным носителем которого должны быть движущиеся электрические заряды.
Необходимо упомянуть об опытах наших соотечественников: А. Ф. Иоффе (1911) по измерению магнитного поля, создаваемого пучком электронов, и А. А. Эйхеивальда (19011904) по измерению магнитного поля конвекционного тока.
Согласно современным представлениям магнитное поле является формой материи, осуществляющей взаимодействие между движущимися электрическими зарядами, проводниками с током и постоянными магнитами. Магнитное поле действует на движущуюся в нем заряженную частицу с силой, которая прямо пропорциональна заряду и скорости частицы и зависит от направления движения частицы.
Открытие, после 10-летних неудачных попыток, М. Фарадеем (1831) явления
электромагнитной индукции было блестящим экспериментальным подтверждением идеи Фарадея о существовании взаимосвязи между электрическим и магнитным полями. Соответственно закон Ленца для направления индукционного тока (1833) является выражением закона сохранения и превращения энергии применительно к явлению электромагнитной индукции.
Можно указать студентам, что Фарадей отверг представления о материи, сложившиеся в механической картине мира. С его точки зрения материя "сплошь непрерывна, и рассматривая массу ее мы не должны предполагать различия между ее атомами и промежуточным пространством" [12]. Им, по существу, заложены основы новой, электродинамической картины мира, по отношению к которой
заслуги Фарадея таковы же, какими были заслуги Галилея по отношению к механической картине мира в механике.
Идея поля, зародившаяся в работах Фарадея, расширяющая конкретно-физические представления о материи и положенная в основу электродинамической картины мира, является
одной из важнейших идей в физике второй половины XIX века и, вместе с тем, одной из важнейших предпосылок теории Максвелла.
К сожалению, по ряду дидактических соображений мы вынуждены вводить понятие электрического поля еще в электростатике, что не соответствует историческому пути развития электродинамики.
Дальнейшее развитие физики блестяще подтвердило идеи Фарадея о существовании материального носителя электрического и магнитного взаимодействия. Только этим носителем оказался не всепроникающий мировой эфир, а электромагнитное поле, представляющее собой единство электрического и магнитного полей.
В связи с релятивистским истолкованием магнитного взаимодействия движущегося заряда и прямого проводника с током следует указать на относительный характер электромагнитного поля. Силовые характеристики этого поля (векторы Е и В) зависят от выбора инерциальной системы отсчета. Однако в этой зависимости нет никакого произвола, никакой "свободы выбора точки.зрения наблюдателя", т. е. нет ничего, подтверждающего философский релятивизм.
Эта зависимость является отражением объективно существующих закономерностей электромагнитного поля и однозначно описывается специальной теорией относительности..
Классическая теория электромагнитного поля была создана Д, К. Максвеллом, который
математически развил воззрения Фарадея на роль промежуточной среды в электрических и магнитных взаимодействиях. Для Максвелла, как Человека, характерно, что он, высоко оценивая работы Фарадея, сводил свою роль лишь к применению и математическому оформлению идей Фарадея [13]. Он также подчеркивал важное значение для формирования его теории конкретных результатов, достигнутых на основе представления о дальнодействии.
Такое отношение к своим предшественникам характерно для многих великих творцов науки. В то же время Л. Больцман писал, что максвелловские уравнения совершили переворот не только во всем учении об электричестве и оптике, но и "в наших воззрениях на существо и задачи физической теории" [14]. Введение Максвеллом тока смещения как меры "магнитного действия" переменного
электрического поля является блестящим примером плодотворности дедуктивного метода познания явлений окружающего мира.
Здесь уместно подчеркнуть, что в физических исследованиях продуктивно сочетается применение индуктивного и дедуктивного методов. Однако в учебной литературе наблюдается стремление к преувеличению роли дедуктивного метода, и часто уровень научности учебника считается тем выше, чем сильнее в нем представлен дедуктивный метод. Поэтому на лекциях важно
отмечать конкретные случаи использования индуктивного метода при установлении физических закономерностей. Без этого повышение теоретического уровня курса физики может создать у
студентов впечатление, что физические законы представляют собой просто логически необходимые утверждения, для обоснования которых нет надобности опираться на экспериментальные данные. Так,
например, следует подчеркивать студентам, что уравнения Максвелла являются обобщениями опытных фактов. Их доказательство надо искать в сопоставлении с опытом выводимых из них следствий.
Уравнения Максвелла составляют стержень всей электродинамики. Они могут рассматриваться как основные аксиомы электродинамики, играющие в ней такую же роль, какую законы Ньютона играют в классической механике. Поэтому изложение электродинамики можно было бы строить чисто дедуктивно на основе постулативно установленных уравнений Максвелла. Однако для первоначального изучения разумнее выбрать индуктивный метод изложения, который позволяет глубже проникнуть в сущность электродинамики. Изложение начинают с простейших фактов и явлений, которые правильно описываются не только на языке теории поля, но и на языке теории непосредственного действия на расстоянии (механической картины мира). Постепенным обобщением законов этих явлений приходят к таким результатам, которые уже не укладываются в рамки теории дальнодействия, а могут быть истолкованы только с помощью теории поля.
В конце концов это приводит к системе уравнений Максвелла, после чего все последующее изложение будет строиться на их основе.
Однако следует отметить, что далеко не всякое обобщение достигается чисто индуктивным путем. Реальные пути установления физических законов оказываются значительно разнообразнее индуктивистской схемы. Теоретические понятия, принципы и гипотезы физики возникают с помощью двойного процесса, состоящего из двух противоположных, но сходящихся друг к другу процессов: с одной стороны, индуктивного обобщения, идущего от опыта, и, с другой - дедукции и конкретизации, идущих от философских идей (гипотетико-дедуктивный метод). Ни один из этих процессов в отрыве друг от друга не может привести к возникновению теоретических предпосылок физической теории.
Очень важен вопрос о практических применениях электродинамики. Здесь не нужно увлекаться детальным перечислением этих применений. Многие из них известны студентам из курса средней школы (генераторы, моторы, трансформаторы). Однако необходимо подчеркнуть, что развитие основ электродинамики предшествовало развитию ее практических применений. Наука в данном случае опередила технику. Следует напомнить, что в механике и термодинамике, наоборот, техника сначала опережала науку и только со временем установилась такая же ситуация, как в электродинамике. Но и в настоящее время зачастую техника выдвигает во всех разделах физики новые задачи и, с другой стороны, создает для экспериментальной физики новые возможности.