Введя понятие ЭДС-индукции, мы дополнили представление об электромагнитной силе, выйдя за пределы статики.
Явление индукции предполагает, что изменение магнитного поля влечет появление электрического поля. То есть изменение магнитного поля всегда связано с особым распределением электрического поля, о котором мы не будем говорить здесь подробно.
Запомним: магнитостатическое поле может существовать при отсутствии электрического поля, но переменное магнитное поле всегда существует в тесном соседстве с электрическим полем. Временнóе изменение магнитного поля всегда связано с пространственным изменением поля электрического.
Возьмем кусок проводящей проволоки, по которой проходит ток. Предположим, что этот ток больше на конце проволоки, чем в начале. В таких случаях говорят, что ток рассеивается. Электроны движутся в направлении, противоположном току, – следовательно, количество входящих электронов больше, чем выходящих (➙ рис. 19.1). Таким образом, в проволоке накапливается отрицательный заряд. Запомним, что расхождение тока связано с изменением заряда.
Рассмотрим теперь влияние на электрическое и магнитное поле. Ток создает магнитное поле вокруг себя: следовательно, растекание тока создает особое распределение магнитного поля вокруг провода (мы не будем рассматривать это распределение в деталях). Кроме того, заряды создают электрическое поле вокруг, то есть накопление зарядов создает электрическое поле, которое увеличивается.
Сосредоточимся на некой точке пространства, а не на проводе. В этой точке находится электрическое поле, которое увеличивается, связанное с пространственным изменением магнитного поля. Временнóе изменение электрического поля напрямую связано с пространственным изменением магнитного поля, о котором мы упомянули выше.
Запомним: электростатическое поле может существовать при отсутствии магнитного поля, но переменное электрическое поле всегда связано тесным соседством с магнитным полем. Временнóе изменение электрического поля всегда связано с пространственным изменением магнитного поля.
Рис. 19.1 – Электромагнитные эффекты растекания тока
Мы можем наконец подвести итоги всех аспектов, которые принимает электромагнитная сила:
• заряды создают электрическое поле;
• движение зарядов создает магнитное поле;
• временное изменение магнитного поля связано с пространственным изменением электрического поля (электромагнитная индукция);
• временное изменение электрического поля связано с пространственным изменением магнитного поля (то, что мы только что объяснили).
Мы видим, что электрическое и магнитное поля тесно связаны: их нельзя отделить друг от друга. Электрическая составляющая осуществляет воздействие силы на заряды, каким бы ни было их движение, в то время как магнитная составляющая воздействует с помощью силы, пропорциональной скорости зарядов, на которые она направлена.
В итоге мы констатируем любопытную симметрию законов электромагнетизма: изменение магнитного поля сопровождается электрическим полем (индукция), но справедливо и обратное: изменение электрического поля сопровождается магнитным полем.
Эта «красивая» симметрия не случайна: как мы уже сказали, сложность законов электромагнетизма всего лишь иллюзия. Все перечисленные законы сводятся к одному, когда мы рассматриваем их с точки зрения теории относительности, как мы увидим в главе 26.
Отношения между электрическим и магнитным полями позволяют понять наблюдения, которые велись уже несколько веков, в частности свет, о чем мы и поговорим в дальнейшем.