Elektrodynamika – temat skrzętnie pomijany w szkole. Dzieci (lub studenci) uczą się elektrostatyki, a potem następuje magnetyzm i prawa „przepływu” prądu elektrycznego. Stanowisko dydaktyków jest dość jasne - „to z trudne”. No i zaczynają się problemy:
Co to jest prąd elektryczny?
Pani (lub Pan) „od fizyki” twierdzi - „prąd jest to ruch ładunków elektrycznych w przewodniku”. Często jeszcze dodaje „wyobraźcie sobie wodę płynącą przez rurę – to coś bardzo podobnego”. No i dzieci (uczniowie, a co gorzej także studenci) wyobrażają sobie tą rurę do której jednym końcem woda „wlata”, a drugim „wylata”. Efekt – odpowiedź studenta politechniki na pytanie zrozpaczonego wykładowcy:
„Proszę Pana – dlaczego wobec tego w gniazdku są dwie dziurki?”
To oczywiste, Panie Psorze – jednym przewodem płynie napięcie, a drugim natężenie!
„No dobrze, ale ta linia przesyłowe, którą Pan widzi za oknem ma 3 przewody?”
Bo jednym płynie napięcie, drugim natężenie, a trzecim cosinus fi.
Ale to nie koniec problemów związanych z pomijaniem elektrodynamiki. I nagle trzeba zacząć mówić o ruchu ładunków po okręgu – model Bohra, budowa akceleratorów itp. I znów – jak wytłumaczyć, że „ładunek poruszający się ruchem przyspieszonym musi emitować falę elektromagnetyczną”? Mały Jasio zapyta (i słusznie!) „a dlaczego”?
A dlaczego antena nadawcza stacji nadawczej wypromieniowuje energię – i to sporą (moc sięga megawatów)? Przecież nie jest „do niczego podłączona”!
I biedny nauczyciel fizyki nie może na to udzielić konkretnej odpowiedzi.
Rezultat jest opłakany – maturzyści, a nawet inżynierowie i magistrowie inżynierowie nie bardzo rozumieją, na czym naprawdę polega „przepływ” prądu elektrycznego i związany z tym transport energii. Dowodzą tego także dyskusje na Salonie24 i to nie tylko wpisy „sympatycznego niewątpliwie Pana Waldka”.
Rzeczywiście, zadanie prezentacji elektrodynamiki bez „robaczków” jest trudnym wyzwaniem. Jednak spróbuję. Przede wszystkim należy postawić definicje.
Ładunki elektryczne oddziaływują pomiędzy sobą. To omawia się na elektrostatyce. Siła przyciągania (lub odpychania) się ładunków jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości pomiędzy ładunkami.
Wprowadzamy pojęcie pola elektrycznego – jest to pole wektorowe, czyli każdemu punktowi przestrzeni przyporządkowujemy wektor E. Znając wektor pola E w danym punkcie możemy łatwo wyznaczyć wektor siły działającej na ładunek umieszczony w tym punkcie jako F=qE.
Na razie nic nowego. Ale tylko wtedy, gdy stan jest niezależny od czasu – mówimy przecież o elektrostatyce. Spróbujmy jednak wyobrazić sobie, że pole E mierzymy w odległości r od ładunku punktowego. I nagle te ładunek znika (nie ważne z jakiego powodu – po prostu znika i już). Pytanie – jeśli ładunek zniknie w czasie to=0, to kiedy zniknie pole w punkcie odległym r ? Natychmiast – czy dopiero „za chwilkę”?
Pojawia się więc pytanie – jak szybko rozchodzi się pole elektryczne? Odpowiedź, której udziela fizyka brzmi – z prędkością c (czyli prędkością światła). Pole E w rozważanym przez nas punkcie nie zniknie więc natychmiast – ale dopiero „za chwilkę” - czyli po czasie t = r/c , bo po prostu wcześniej przyrząd mierzący pole w wybranym punkcie „jeszcze nie wie”, że ładunek je wytwarzający zniknął.
Powyższe rozważanie jest oczywiście tylko eksperymentem myślowym, puryści zapewne będą wybrzydzać na zbytnie uproszczenie rozumowania – ale sygnalizuje problemy, na jakie napotkamy rozpoczynając rozważania nad elektrodynamiką. Oddziaływanie ładunków będących w ruchu wymaga uwzględnienia skończonej prędkości rozchodzenia się pola elektrycznego w przestrzeni. Do bardziej zbliżonych do rzeczywistości rozważań przejdę w następnej notce (nie wierzę w skuteczność długich wywodów w Internecie), ale mam nadzieję, że nawet takie prościutkie rozumowanie wyjaśnia dlaczego w równaniach Maxwella „uparcie” pojawia się prędkość światła (czyli c) ukrywając się niekiedy w stałych określających właściwości ośrodka.
