Два последних уравнения показывают связь между силовыми характеристиками электрического и магнитного полей с векторами электрического смещения и напряженности магнитного поля, с постоянными вакуума e0 и m0, с относительной проницаемостью e и m диэлектрической среды и магнитной среды.
Эти замечательные уравнения могут быть записаны и в дифференциальной форме, которая дает возможность выразить связь между электрическими и магнитными величинами в любой момент времени в какой-либо точке электромагнитного поля. Уравнения Максвелла — Герца позволяют решать самые разнообразные задачи в области электрических и магнитных явлений. В этом смысле они подобны законам Ньютона.
Учение о механических явлениях, построенное на законах Ньютона, называется классической механикой. Учение же об электрических и магнитных явлениях, построенное на уравнениях электромагнитного поля, называется классической электродинамикой.
Электронная природа тока в металле
Об элементарной частице — электроне — подробно рассказывается в статье «Элементарные частицы». Здесь же мы подчеркнем лишь то, что исследование свойств электрона позволило многое узнать о природе электромагнетизма. Именно его движение в проводнике и создает электрический ток.
Первым эту мысль высказал голландский физик Гендрик Лоренц. Электронную природу тока в металлах доказывает, например, опыт, предложенный советскими академиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси.
Если металлическое кольцо быстро и равномерно вращать, то вместе с ним начнут вращаться и свободные электроны атомов металла (рис. 24). Что же произойдет, если резко остановить кольцо? Свободные электроны по инерции будут продолжать движение, и в кольце пройдет ток. Он создаст магнитное поле, и его можно легко обнаружить магнитной стрелкой.
Опыт Милликена
Электрическое поле действует на электрический заряд при любых обстоятельствах, движется он или покоится. Если он покоится, поле приведет его в движение, передав ему энергию.
Электрон обладает наименьшей долей электрического заряда. Какие бы тела мы ни зарядили и какой бы заряд им ни сообщили, заряд электрона будет общим наименьшим кратным всех электрических зарядов. Это экспериментально установили Фарадей — в явлении электролиза и Р. Милликен — в специальном опыте, подтвердившем атомистичность электрического заряда.
Опыт Милликена поразительно прост, а его результаты неопровержимы. Если электрически заряженная капля (например, масла) окажется в электрическом поле плоского конденсатора с горизонтальными пластинами, то ее движение будет обусловлено силой Ньютона, силой Архимеда, силой Стокса (сила вязкого трения, возникающая при движении капли масла в воздухе) и силой Кулона. Первые три силы для любой капли неизменны, а четвертую — силу Кулона — можно регулировать, изменяя напряженность электрического поля между пластинами. Этим и воспользовался Милликен.
Силы Архимеда, Стокса и Кулона направлены противоположно силе Ньютона. Если сумма трех первых сил будет равна четвертой, капля останавливается, конденсатор отключается от батареи, электрическое поле, а с ним и сила Кулона выбывают из игры. Тем самым нарушается равновесие. Капля начинает двигаться с возрастающей скоростью. Но по мере возрастания скорости, в той же пропорции, увеличивается и сила Стокса. Через некоторое время, когда сумма сил Архимеда и Стокса сравняется с силой Ньютона, капля начнет двигаться равномерно. Зафиксировав время и пройденное каплей расстояние, можно определить ее скорость. На основе этой величины находят радиус капли, что в свою очередь позволяет измерить ее заряд.
214