Введение

Классический электромагнетизм или классическая электродинамика — это раздел теоретической физики, изучающий взаимодействия между электрическими зарядами и токами посредством расширения классической ньютоновской модели. Таким образом, это классическая теория поля. Теория предоставляет описание электромагнитных явлений, когда соответствующие масштабы длин и напряженности поля достаточно велики, чтобы квантовомеханические эффекты были пренебрежимо малы. Для малых расстояний и слабых напряженностей поля эти взаимодействия лучше описываются квантовой электродинамикой, являющейся квантовой теорией поля. Фундаментальные физические аспекты классической электродинамики изложены во многих учебниках. В качестве классических пособий для студентов бакалавриата рассматриваются такие учебники, как «Лекции Фейнмана по физике», «Электричество и магнетизм» и «Введение в электродинамику», а для аспирантов — «Классическое электричество и магнетизм», «Классическая электродинамика» и «Курс теоретической физики».

История

Физические явления, описываемые электромагнетизмом, изучались как отдельные области знаний с древних времен. Например, в области оптики было достигнуто множество успехов за столетия до того, как свет был осознан как электромагнитная волна. Однако современная теория электромагнетизма выросла из экспериментов Майкла Фарадея, указывающих на существование электромагнитного поля, и использования Джеймсом Клерком Максвеллом дифференциальных уравнений для его описания в его «Трактате об электричестве и магнетизме» (1873). Развитие электромагнетизма в Европе включало разработку методов измерения напряжения, силы тока, ёмкости и сопротивления. Подробные исторические сведения представлены в работах Вольфганга Паули, Э. Т. Уиттакера, Абрахама Пейса и Брюса Дж. Ханта.

Электромагнитные волны

Изменяющееся электромагнитное поле распространяется от своего источника в виде волны. Эти волны движутся в вакууме со скоростью света и существуют в широком спектре длин волн. Примеры динамических полей электромагнитного излучения (в порядке возрастания частоты): радиоволны, микроволны, свет (инфракрасное, видимый и ультрафиолетовое излучение), рентгеновские лучи и гамма-лучи. В области физики элементарных частиц это электромагнитное излучение является проявлением электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами.

Общие уравнения поля

Как бы ни было просто и удовлетворительно уравнение Кулона, оно не совсем корректно в контексте классического электромагнетизма. Проблемы возникают, поскольку изменения в распределении заряда требуют ненулевого времени для распространения и проявления в других точках (что обусловлено специальной теорией относительности). Для полей произвольных распределений заряда можно вычислить запаздывающие потенциалы и, продифференцировав их, получить уравнения Ефименко. Запаздывающие потенциалы также могут быть выведены для точечных зарядов, и эти уравнения известны как потенциалы Лиенара — Вихерта. Скалярный потенциал имеет вид:

где — заряд точечного заряда, а — его положение. и — соответственно, положение и скорость заряда как функции запаздывающего времени. Векторный потенциал аналогичен:

Затем их можно продифференцировать, чтобы получить полные уравнения поля для движущейся точечной частицы.

Модели

Отрасли классической электромагнетики, такие как оптика, электротехника и электронная инженерия, состоят из набора соответствующих математических моделей различной степени упрощения и идеализации, призванных углубить понимание конкретных электродинамических явлений. Электродинамическое явление определяется конкретными полями, специфическими плотностями электрических зарядов и токов, а также конкретной средой распространения. Поскольку их бесконечное множество, при моделировании возникает потребность в некоторых типичных, представительных:
(a) электрических зарядах и токах, например, движущихся точечных зарядах, электрических и магнитных диполях, токах в проводнике и т.п.;
(b) электромагнитных полях, например, напряжениях, потенциалах Лиенара — Вихерта, монохроматических плоских волнах, оптических лучах; радиоволнах, микроволнах, инфракрасном излучении, видимом свете, ультрафиолетовом излучении, рентгеновских лучах, гамма-лучах и т.д.;
(c) средах распространения, например, электронных компонентах, антеннах, электромагнитных волноводах, плоских зеркалах, зеркалах с криволинейной поверхностью, выпуклых линзах, вогнутых линзах; резисторах, индукторах, конденсаторах, переключателях; проводах, электрических и оптических кабелях, линиях передачи, интегральных схемах и т.д. – все они характеризуются лишь небольшим числом переменных параметров.