ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО совокупность явлений,
обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически
заряженных тел или частиц. Взаимодействие электрических зарядов осуществляется
с помощью электромагнитного поля (в случае неподвижных электрич.
зарядов - электростатич. поля; см. Электростатика). Движущиеся заряды
(электрический
ток) наряду с электрическим возбуждают и магнитное поле, т. е. порождают
электромагнитное поле, посредством к-рого осуществляется
электромагнитное
взаимодействие (учение о магнетизме, т. о., является составной
частью общего учения об Э.). Электромагнитные явления описываются клас-сич.
электродинамикой,
в
основе к-рой лежат Максвелла уравнения.

Законы классич. теории Э. охватывают огромную
совокупность электромагнитных процессов. Среди 4 типов взаимодействий (электромагнитных,
гравитационных, сильных и слабых), существующих в природе, электромагнитные
занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. Это связано
с тем, что все тела построены из электрически заряженных частиц противоположных
знаков, взаимодействия между к-рыми, с одной стороны, на много порядков
интенсивнее гравитационных и слабых, а с другой - являются дальнодействую-щими
в отличие от сильных взаимодействий. Строение атомных оболочек, сцепление
атомов в молекулы (хим. силы) и образование конденсированного вещества
определяются электромагнитным взаимодействием.



Историческая справка.
Простейшие
электрич. и магнитные явления известны ещё с глубокой древности. Были найдены
минералы, притягивающие кусочки железа, а также обнаружено, что янтарь
{греч. электрон, elektron, отсюда термин Э.), потёртый о шерсть, притягивает
лёгкие предметы (электризация трением). Однако лишь в 1600 У. Гильберт
впервые
установил различие между электрич. и магнитными явлениями. Он открыл существование
магнитных полюсов и неотделимость их друг от друга, а также установил,
что земной шар - гигантский магнит.

В 17 - 1-й пол. 18 вв. проводились многочисленные
опыты с наэлектризованными телами, были построены первые электростатич.
машины, основанные на электризации трением, установлено существование электрич.
зарядов двух родов (III. Дюфе), обнаружена электропроводность металлов
(англ. учёный С. Грей). С изобретением первого конденсатора - лейденской
банки (1745)- появилась возможность накапливать большие электрич. заряды.
В 1747-53 Б. Франклин изложил первую последовательную теорию электрич.
явлений, окончательно установил электрич. природу молнии и изобрёл молниеотвод.

Во 2-й пол. 18 в. началось количеств, изучение
электрич. и магнитных явлений. Появились первые измерит, приборы - электроскопы
различных конструкций, электрометры. Г. Кавендиш
(1773) и Ш. Кулон
(1785)
экспериментально установили закон взаимодействия неподвижных точечных электрич.
зарядов (работы Кавендиша были опубликованы лишь в 1879). Этот основной
закон электростатики (Кулона закон) впервые позволил создать метод
измерения электрич. зарядов по силам взаимодействия между ними. Кулон установил
также закон взаимодействия между полюсами длинных магнитов и ввёл понятие
о магнитных зарядах, сосредоточенных на концах магнитов.

Следующий этап в развитии науки об Э. связан
с открытием в кон. 18 в. Л. Галъвани "животного электричества" и
работами А. Вольты, к-рый правильно истолковал опыты Гальвани присутствием
в замкнутой цепи 2 разнородных металлов в жидкости и изобрёл первый источник
электрич. тока - гальванич. элемент (т. н. вольтов столб, 1800),
создающий непрерывный (постоянный) ток в течение длительного времени. В
1802 В. В. Петров, построив гальванич. элемент значительно большей
мощности, открыл электрич. дугу, исследовал её свойства и указал на возможность
применений её для освещения, а также для плавления и сварки металлов. Г.
Дэви
электролизом водных растворов щелочей получил (1807) неизвестные ранее
металлы - натрий и калий. Дж. П. Джоуль установил (1841), что количество
теплоты, выделяемой в проводнике электрическим током, пропорционально квадрату
силы тока; этот закон был обоснован (1842) точными экспериментами Э. X.
Ленца (закон Джоуля - Ленца). Г. Ом установил (1826) количеств,
зависимость электрич. тока от напряжения в цепи. К. Ф.
Гаусс
сформулировал
(1830) осн. теорему электростатики (см. Гаусса теорема).

Наиболее фундаментальное открытие было
сделано X. Эрстедом в 1820; он обнаружил действие электрич. тока
на магнитную стрелку - явление, свидетельствовавшее о связи между электричеством
и магнетизмом. Вслед за этим в том же году А. М. Ампер
установил
закон взаимодействия электрич. токов (Ампера закон). Он показал
также, что свойства постоянных магнитов могут быть объяснены на основе
предположения о том, что в молекулах намагниченных тел циркулируют постоянные
электрич. токи (молекулярные токи). Т. о., согласно Амперу, все магнитные
явления сводятся к взаимодействиям токов, магнитных же зарядов не существует.
Со времени открытий Эрстеда и Ампера учение о магнетизме сделалось составной
частью учения об Э.

Со 2-й четв. 19 в. началось быстрое проникновение
Э. в технику. В 20-х гг. появились первые электромагниты. Одним из первых
применений Э. был телеграфный аппарат, в 30-40-х гг. построены электродвигатели
и генераторы тока, а в 40-х гг.- электрич. осветительные устройства и т.
д. Практич. применение Э. в дальнейшем всё более возрастало, что в свою
очередь оказало существ, влияние на учение об Э.

В 30-40-х гг. 19 в. в развитие науки об
Э. внёс большой вклад М. Фарадей- творец общего учения об электромагнитных
явлениях, в к-ром все электрич. и магнитные явления рассматриваются с единой
точки зрения. С помощью опытов он доказал, что действия электрич. зарядов
и токов не зависят от способа их получения [до Фарадея различали

"обыкновенное" (полученное при электризации
трением), атмосферное, "гальваническое", магнитное, термоэлектрическое,
"животное" и др. виды Э.]. В 1831 Фарадей открыл индукцию электромагнитную
- возбуждение электрич. тока в контуре, находящемся в переменном магнитном
поле. Это явление (наблюдавшееся в 1832 также Дж. Генри) составляет
фундамент электротехники. В 1833-34 Фарадей установил законы электролиза',
эти
его работы положили начало электрохимии. В дальнейшем он, пытаясь найти
взаимосвязь электрич. ц магнитных явлений с оптическими, открыл поляризацию
диэлектриков (1837), явления парамагнетизма и диамагнетизма
(1845),
магнитное вращение плоскости поляризации света (1845) и др.

Фарадей впервые ввёл представление об электрич.
и магнитном полях. Он отрицал концепцию дальнодействия, сторонники к-рой
считали, что тела непосредственно (через пустоту) на расстоянии действуют
друг на друга. Согласно идеям Фарадея, взаимодействие между зарядами и
токами осуществляется посредством промежуточных агентов: заряды и токи
создают в окружающем пространстве электрич. или (соответственно) магнитное
поля, с помощью к-рых взаимодействие передаётся от точки к точке (концепция
близкодействия). В основе его представлений об электрич. и магнитном полях
лежало понятие силовых линий, к-рые он рассматривал как механич.
образования в гипотетич. среде - эфире, подобные растянутым упругим
нитям или шнурам.

Идеи Фарадея о реальности электромагнитного
поля не сразу получили признание. Первая математич. формулировка законов
электромагнитной индукции была дана Ф. Нейманом в 1845 на языке
концепции дальнодействия. Им же были введены важные понятия коэффициентов
само- и взаимоиндукции токов. Значение этих понятий полностью раскрылось
позднее, когда У. Томсон (лорд Кельвин) развил (1853) теорию электрич.
колебаний в контуре, состоящем из конденсатора (электроёмкость) и катушки
(индуктивность).

Большое значение для развития учения об
Э. имело создание новых приборов и методов электрич. измерений, а также
единая система электрич. и магнитных единиц измерений, созданная Гауссом
и В. Вебером (см. Гаусса система единиц). В 1846 Вебер указал
на связь силы тока с плотностью электрич. зарядов в проводнике и скоростью
их упорядоченного перемещения. Он установил также закон взаимодействия
движущихся точечных зарядов, к-рый содержал новую универсальную электродинамич.
постоянную, представляющую собой отношение электростатич. и электромагнитных
единиц заряда и имеющую размерность скорости. При экспериментальном определении
(Вебер и Ф. Кольрауш, 1856) этой постоянной было получено значение,
близкое к скорости света; это явилось определённым указанием на связь электромагнитных
явлений с оптическими.

В 1861-73 учение об Э. получило своё развитие
и завершение в работах Дж. К. Максвелла. Опираясь на эмпирич. законы
электромагнитных явлений и введя гипотезу о порождении магнитного поля
переменным электрич. полем, Максвелл сформулировал фундаментальные уравнения
классич. электродинамики, названные его именем. При этом он, подобно Фарадею,
рассматривал электромагнитные явления как нек-рую форму механич. процессов
в эфире. Гл. новое следствие, вытекающее из этих уравнений,- существование
электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Уравнения
Максвелла легли в основу электромагнитной теории света. Решающее подтверждение
теория Максвелла нашла в 1886-89, когда Г. Герц экспериментально
установил существование электромагнитных волн. После его открытия были
предприняты попытки установить связь с помощью электромагнитных волн, завершившиеся
созданием радио, и начались интенсивные исследования в области радиотехники.

В кон. 19 - нач. 20 вв. начался новый этап
в развитии теории Э. Исследования электрич. разрядов увенчались открытием
Дж. Дж. Томсоном дискретности электрич. зарядов. В 1897 он измерил
отношение заряда электрона к его массе, а в 1898 определил абс.
величину заряда электрона. X. Лоренц, опираясь на открытие Томсона
и выводы молекулярно-кинетической теории, заложил основы электронной теории
строения вещества (см. Лоренца - Максвелла уравнения). В классич.
электронной теории вещество рассматривается как совокупность электрически
заряженных частиц, движение к-рых подчинено законам классич. механики.
Уравнения Максвелла получаются из уравнений электронной теории статистич.
усреднением.

Попытки применения законов классич. электродинамики
к исследованию электромагнитных процессов в движущихся средах натолкнулись
на существ, трудности. Стремясь разрешить их, А. Эйнштейн
пришёл
(1905) к относительности теории. Эта теория окончательно опровергла
идею существования эфира, наделённого механич. свойствами. После создания
теории относительности стало очевидно, что законы электродинамики не могут
быть сведены к законам классич. механики.

На малых пространственно-временных интервалах
становятся существенными квантовые свойства электромагнитного поля, не
учитываемые классич. теорией Э. Квантовая теория электромагнитных процессов
- квантовая электродинамика - была создана во 2-й четв. 20 в. Квантовая
теория вещества и поля уже выходит за пределы учения об Э., изучает более
фундаментальные проблемы, касающиеся законов движения элементарных частиц
и их строения.

С открытием новых фактов и созданием новых
теорий значение классич. учения об Э. не уменьшилось, были определены лишь
границы применимости классич. электродинамики. В этих пределах уравнения
Максвелла и классич. электронная теория сохраняют силу, являясь фундаментом
совр. теории Э. Классич. электродинамика составляет основу большинства
разделов электротехники, радиотехники, электроники
и
оптики
(исключение
составляет квантовая электроника). С помощью её уравнений было решено огромное
число задач теоре-тич. и прикладного характера. В частности, многочисленные
проблемы поведения плазмы в лабораторных условиях и в космосе решаются
с помощью уравнений Максвелла (см. Плазма, Управляемый термоядерный
синтез, Звёзды).

Лит.': Кудрявцев П. С., История
физики, М., 1956; Льоцци М., История физики, пер. с итал., М., 1970; Максвелл
Дж. К., Избр. соч. по теории электромагнитного поля, [пер. с англ.], М.,
1952; Лоренц Г. А., Теория электронов и ее применение к явлениям света
и теплового излучения, пер. с англ., 2 изд., М., 1953; Т а м м И. Е., Основы
теории электричества, 9 изд., М., 1976. Г. Я. Мякишев.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я