<< ПредыдущаяОглавлениеСледующая >>


2.2. Уравнения Максвелла – основа современной теории систем связи

      Внешне электричество и магнетизм проявляют себя совершенно по-разному, но на самом деле они теснейшим образом связаны между собой. Заслуга окончательного слияния двух этих понятий принадлежит Джеймсу Кларку Максвеллу, разработавшему единую теорию электромагнитных волн.

maxwell

      Его главные труды посвящены электричеству и магнетизму. Параллельно он установил связь между электромагнетизмом и светом. В 1855 г. Максвелл дал математическое объяснение явлению передачи электромагнитных сил. Он вывел уравнения, показывающие, что магнитное поле, создаваемое источником тока, распространяется от него с постоянной скоростью. Максвелл установил, что эта скорость близка к скорости света и предложил что свет особый вид электромагнитных волн.      

      Появлению уравнений Максвелла предшествовала целая серия открытий первой половины XIX века, начало которой положил датский физик Ханс Кристиан Эрстед [4]. В 1820 году он экспериментально продемонстрировал, что провод, по которому течет электрический ток, отклоняет магнитную стрелку компаса. Это было первое наглядное и неоспоримое подтверждение существования прямой связи между электричеством и магнетизмом.

      Открытие Эрстеда позволило ряду ученых, прежде всего Амперу,   Био и Савара, провести ряд новых экспериментов с целью определения математических закономерностей выявленной связи, что в конечном итоге, проложило дорогу к теории электромагнетизма Максвелла.

      Андре-Мари Ампер  провел простой эксперимент: он положил параллельно два прямых провода и пропускал по ним электрический ток. В ходе эксперимента выяснилось, что в зависимости от направления тока между проводами действует сила притяжения или отталкивания. Дополнительно, путем измерений ему удалось определить, что сила механического взаимодействия (отталкивания и притяжения) пропорциональна силам токов, которая уменьшается по мере увеличения расстояния между проводниками.  Проведенный эксперимент позволил Амперу доказать, что электрический ток в одном проводе производит магнитное поле, конфигурация силовых линий которого представляет собой концентрические круги вокруг сечения провода. Во втором проводе, находящемся в области воздействия этого магнитного поля, возникает сила, действующая на движущиеся электрические заряды. Эта сила передается атомам металла, из которого сделан провод, в результате чего провод и изгибается. Таким образом, эксперимент Ампера продемонстрировал два взаимодополняющих факта о природе электричества и магнетизма: во-первых, любой электрический ток порождает магнитное поле, во-вторых, магнитные поля оказывают силовое воздействие на движущиеся электрические заряды. Именно эти два закона затем легли в основу теории электромагнитного поля, разработанную Максвеллом.

      После того как в начале XIX века было установлено, что электрические токи порождают магнитные поля, ученые поняли, что на основе принципа дуальности должна наблюдаться и обратная закономерность: магнитные поля должны каким-то образом производить электрические эффекты. Эти эффекты изучил М. Фарадей (17911867 гг.), который поставил перед собой задачу нахождения способа «превратить магнетизм в электричество». В ходе экспериментов помог случай: обнаружилось, что стрелка гальванометра в цепи вторичной обмотки скачкообразно отклоняется от нулевого положения лишь при подключении или отключении батареи. Это позволило Фарадею сделать вывод: электрическое поле возбуждается лишь при изменении магнитного поля. Сегодня эффект возникновения электрического поля при изменении магнитного физики называют электромагнитной индукцией.        

      Таким образом, к середине XIX века ученые открыли целый ряд законов, описывающих электрические и магнитные явления и связи между ними. В частности, стали известны:

закон Кулона (1785), описывающий силу взаимодействия между электрическими зарядами;

теорема Гаусса, исключающая возможность существования в природе изолированных магнитных зарядов (магнитных монополей);

закон Био-Савара, описывающий магнитные поля, возбуждаемые движущимися электрическими зарядами (также Закон Ампера и открытие Эрстеда);

законы электромагнитной индукции Фарадея, согласно которым изменение магнитного потока порождает электрическое поле и индуцирует ток в проводниках (также Правило Ленца).

       Эти четыре группы законов и были обобщены Джеймсом Кларком Максвеллом, которому удалось объединить их в стройную систему,  состоящую из четырех уравнений и исчерпывающим образом описывающую, все измеримые характеристики электромагнитных полей. Именно Максвелл, во-первых, дал строгое математическое описание (четырьмя уравнениями) всех известных законов электромагнетизма (Фарадей, например, вообще формулировал все открытые им законы исключительно в словесной форме). Во-вторых, в сформулированную им систему Максвелл внес немало принципиально новых идей (изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле, так же как и изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле; ток смещения), отсутствовавших в исходных законах.

В-третьих, он придал всем электромагнитным явлениям строгое теоретическое обоснование. И, наконец, в-четвертых, на основе составленной системы уравнений Максвелл сделал ряд важных предсказаний и открытий, включая предсказание существования спектра электромагнитного излучения.          

      Внеся в первое из четырех уравнений важное дополнение о наличии тока смещения, Максвелл на основании составленной им системы уравнений, чисто математически вывел фантастическое по тем временам предсказание: в природе должны существовать электромагнитные волны, формирующиеся в результате колебательного взаимодействия электрических и магнитных полей. Скорость распространения этих волн должна быть пропорциональна силе между зарядами или между магнитами. Решив составленное им дифференциальное волновое уравнение, Максвелл обнаружил, что скорость распространения электромагнитных колебаний совпадает со скоростью света, к тому времени уже определенной экспериментально. Это означало, что столь знакомое всем явление, как свет, представляет собой электромагнитные волны. Более того, Максвелл предсказал существование электромагнитных волн во всем известном спектре  от радиоволн до гамма-лучей. Таким образом, доскональное теоретическое исследование природы электричества и магнетизма привело к открытию, принесшему человечеству неисчислимые блага  от электрических систем связи, микроволновых печей до рентгеновских установок.

      Теоретические выводы Максвелла о существовании электромагнитных  волн впервые экспериментально подтвердил немецкий физик Г. Герц.  Он не только нашел способ возбуждения электромагнитных волн, которые одно время даже назывались «лучами Герца», но и изобрел и опубликовал в 1886 году метод их обнаружения. Его опыты показали, что электрический разряд излучает электромагнитные волны и что их можно обнаружить на некотором расстоянии от источника. Это доказывало существование радиоволн особого вида электромагнитного излучения. Труды Герца подтвердили теорию Максвелла о том, что электромагнитные волны аналогичны световому излучению. Герц был убежден, что электромагнитные волны можно будет использовать для передачи телеграмм через Атлантический океан, но он не дожил до того времени, когда использование радио доказало его правоту.

      Таким образом, уже к концу XIX века были созданы все объективные предпосылки к удовлетворению потребности людей в обмене информацией на основе распространения электромагнитных волн не только в физической среде (кабельная связь), но и по воздуху (беспроводная связь). Более того, дальнейшие открытия в области передачи (приема) информации привели к появлению не только новой области знаний – связи, но и ее отдельных направлений: проводной, радио, радиорелейной, тропосферной и космической связи.

 



<< ПредыдущаяОглавлениеСледующая >>