Занимательная физика. Электромагнетизм

О Б Р А З О В А Т Е Л Ь Н А Я   М А Н Г А

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Масамори Эндо
Мари Маниси

9 785970 601921

ISBN 978-5-97060-192-1

З А НИМ А Т Е Л Ь НА Я Ф ИЗ ИКА
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Первокурсник Андо Рэн рискует завалить экзамены и 
остаться на второй год. Из всех наук особенно тяжело ему дается элекромагнетизм. По счастливой 
случайности Андо знакомится с очаровательной сотрудницей лаборатории Курю Шиэру, которая как раз 
проводит опыты в этой области. Курю берется помочь незадачливому студенту.
Вместе с героями этой манги вы изучите основные 
понятия и законы электромагнетизма, а также сумеете объяснить с их помощью некоторые явления 
природы. От самых азов (электрическое поле, силовые линии, закон Кулона...) вы перейдете к более 
сложным темам, среди которых уравнение Максвелла, теорема Гаусса, классификация веществ по магнитным свойствам и др.
Чтение книги обогатит ваши представления о мире 
физики и подведет к пониманию того, что современная цивилизация во многом существует благодаря 
успехам электромагнетизма.

Интернет-магазин: www.dmkpress.com

Книга-почтой: orders@alians-kniga.ru

Оптовая продажа: “Альянс-книга“. 
(499)782-3889. books@alians-kniga.ru
www.дмк.рф

ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА
МАНГА

ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ  МАНГА

Масамори Эндо

Мари Маниси

Trend-Pro Co., Ltd.

Занимательная физика
Электромагнетизм

Манга

О Б Р А З О В А Т Е Л Ь Н А Я  М А Н Г А

ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Масамори Эндо / Автор
Мари Маниси / Художник

Москва 

ДМК Пресс, 2017

Перевод

Кэна Исидзимы, 

Марии Яковлевой

УДК 621.38.01
ББК 32.85

М32

Масамори Эндо

М32 Занимательная физика. Электромагнетизм / Масамори Эндо (автор), 

Мари Маниси (худож.); пер. с яп. Кэн Исидзима, М. Яковлева. — М.: 
ДМК Пресс, 2017. — 256 с.: ил. — (Серия «Образовательная манга»). 
— Доп. тит. л. яп. 

ISBN 978-5-97060-192-1

Первокурсник Андо Рэн рискует завалить экзамены и остаться на второй год. 
Из всех наук особенно тяжело ему дается элекромагнетизм. По счастливой случайности Андо знакомится с очаровательной сотрудницей лаборатории Курю Шиэру, 
которая как раз проводит опыты в этой области. Курю берется помочь незадачливому студенту.
Вместе с героями этой манги вы изучите основные понятия и законы электромагнетизма, а также сумеете объяснить с их помощью некоторые явления природы. От самых азов (электрическое поле, силовые линии, закон Кулона...) вы перейдете к более сложным темам, среди которых уравнение Максвелла, теорема Гаусса, 
классификация веществ по магнитным свойствам и др.
Чтение книги обогатит ваши представления о мире физики и подведет к пониманию того, что современная цивилизация во многом существует благодаря 
успехам электромагнетизма.

УДК 621.38.01
ББК 32.85

Original Japanese edition
Manga de Wakaru Denjikigaku (Manga Guide: Electromagnetics) By Masamori Endo (Author),  
Mari Manishi (Illustrator) and Trend-Pro (Producer)
Published by Ohmsha, Ltd.
3-1 Kanda Nishikicho, Chiyodaku, Tokyo, Japan
Russian language edition copyright © 2017 by DMK Press
Translation rights arranged with Ohmsha, Ltd.

Все права защищены. Никакая часть этого издания не может быть воспроизведена в любой 
форме или любыми средствами, электронными или механическими, включая фотографирование, 
ксерокопирование или иные средства копирования или сохранения информации, без письменного разрешения издательства.

ISBN 978-4-274-06849-2 (яп.)  Copyright © 2011 by Masamori Endo and Trend-Pro Co., Ltd.
ISBN 978-5-97060-192-1 (рус.) © Перевод, оформление, издание, ДМК Пресс, 2017

Мне кажется, что среди всех преподавателей университетов по основным предметам самыми 
нелюбимыми являются  преподаватели по электромагнетизму. И, несмотря на то что эту дисциплину обязательно преподают на всех научных факультетах и кафедрах, а в некоторых образовательных учреждениях – даже на гуманитарных факультетах, по сложности понимания она не может сравниться ни с одной другой из базовых дисциплин. Когда спрашиваешь у студентов: чем 
же так сложна эта наука, электромагнетизм, они обычно говорят следующее: «Уж очень много 
всяких законов и формул приходится запоминать». И действительно, в этой отрасли физики существует огромное количество всяких законов: закон такого-то, закон такого-то. А знаете ли вы, 
что  все эти законы произошли из закона Кулона, этого основного закона науки об электромагнетизме?
Наука об электромагнетизме начала развиваться с конца XVIII века на фоне множества независимых открытий и законов, совершенных учеными-физиками. Впоследствии же все эти законы, 
которые считались независимыми друг от друга, обнаружили взаимосвязь между ними и в итоге 
были отражены в так называемых уравнениях Максвелла – вот такая драматическая история у 
этих открытий. Кроме того, уравнения Максвелла позволили установить природу света, в то время еще неизвестную – электромагнитную, и, более того, Эйнштейн, глубоко изучив электромагнетизм, смог открыть свою специальную теорию относительности. Ну как, после всего сказанного мной не проснулся ли у вас какой-либо интерес к науке об электромагнетизме?
Для того чтобы действительно понять учение об электромагнетизме, необходимо знать о векторном поле, образованном вектором, а также его производной. Вот откуда такая нелюбовь студентов университетов к этому предмету.  На своих занятиях я всегда стараюсь сделать объяснения векторного поля максимально понятными, сопровождая их рисунками, но даже и после этого каждый год сталкиваюсь с критикой от моих  студентов, дескать, сложно.
Говорят, что, давая оценку уравнениям Максвелла, основатель статистической механики Людвиг Больцман восхитился ими, сказав: «Не Бог ли эти знаки начертал?» А нельзя ли как-то полюбить это искусство, начертанное Богом, но без всех этих теорий и формул? Эта мысль давно уже 
не покидала меня, став моим своеобразным домашним заданием… И тут очень кстати я получил 
заказ на создание серии пособий «Учимся с помощью манги». Манга – это замечательное средство выражения мыслей, ведь с помощью всего одной картинки удается выразить то, что никак 
не выразишь словами. Так, может, с помощью манги я смог бы передать студентам те мысли об 
учении электромагнетизма, которые никак не получалось донести на словах? Тем более в этот раз 
созданием сюжета и иллюстраций занимались профессионалы. Уж они-то наверняка смогут создать нечто замечательное и выразить то, чего не смог выразить я. Вот так и появилась эта книга. 
Издание, которое вы держите в руках, не является учебником по электромагнетизму. Скорее, это 
собранные вместе попытки передать красоту и привлекательность теорий об элект ромагнетизме, 
которые не в состоянии передать обычный учебник, но не прибегая при этом к формулам. Я буду 
считать, что мои попытки увенчались успехом, если эта книга станет вашей ступенькой в мир полноценного изучения электромагнетизма на университетском уровне. 
В связи с выходом данного издания хотелось бы выразить свое глубочайшее уважение  и благодарность художнику Мари Маниси. Получившаяся манга превзошла мои самые смелые  ожидания. Также хочется поблагодарить всех сотрудников компании ОАО «Тренд Про» за великолепный сценарий. Благодаря вам я еще раз убедился в великолепии выразительности манги. И в завершение хочу выразить огромную благодарность сотрудникам департамента развития издательства «Ohmsha» за предоставленную возможность выпустить эту книгу. Впервые написание книги 
доставило мне столько удовольствия!

Август, 2011 
Масамори Эндо

Предисловие

V

содержание

Глава 1 
ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ .................................................1

1.1. Что такое электромагнетизм? ........................................................................ 6
1.2. Формулы, обозначающие законы электромагнетизма .......................... 9
Голубизна неба и краснота заката ..............................................................13
Модель атома Резерфорда ............................................................................16
Об учении электромагнетизма и других академических  
дисциплинах.....................................................................................................18

Глава 2 
ЗАКОН КУЛОНА, ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ  
И ПОТЕНЦИАЛ ................................................................................................19

2.1. Закон Кулона .....................................................................................................23
2.2. Векторное поле и скалярное поле ............................................................26
2.3. Электрическое поле.......................................................................................28
2.4. Потенциал ........................................................................................................33
2.5. Электрические силовые линии .................................................................35
Система единиц электромагнетизма и величина одного кулона...39
Как узнать напряжённость электрического поля, исходя  
из распределения зарядов ...........................................................................40
Почему электрические силовые линии и напряжённость  
электрического поля совпадают? ............................................................44
В электростатическом поле всегда есть потенциал ...........................45

Глава 3
ТЕОРЕМА ГАУССА, ПРОВОДНИК, ДИЭЛЕКТРИК ............49

3.1. Электрическая индукция ...............................................................................52
3.2. Плоскость, окружающая точечный заряд, и проникающий  
сквозь неё электрический поток ........................................................................55
3.3. Теорема Гаусса ................................................................................................57
3.4. Вектор электрической индукции и дифференциальная форма 
теоремы Гаусса ........................................................................................................59
3.5. Проводник .........................................................................................................65
3.6. Диэлектрик .......................................................................................................72
Попробуем применить теорему Гаусса ..................................................78

VI
Содержание

Скалярное произведение векторов потока напряжённости  
электрического поля ......................................................................................81
Диэлектрики и конденсаторы ....................................................................83
Алгебраическое выражение дивергенции векторного поля ............87
Силовые линии и линии электрической индукции ...........................89
О «физических величинах», «единицах измерения»  
и «размерностях» ............................................................................................91
Периодическая система химических элементов, проводники  
и изоляторы .....................................................................................................94

Глава 4 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК И МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ....................97

4.1. Определение электрического тока ..........................................................101
4.2. Закон Ома ........................................................................................................ 104
4.3. Определение «магнитного поля» ........................................................... 105
4.4. Электрический ток и магнитное поле ................................................... 109
Дрейф электронов и электрический ток ...............................................112
Сопротивление резистора и закон Ома ..................................................114
Джоулево тепло .............................................................................................116
Сущность магнитного поля ........................................................................118

Глава 5 
ТЕОРЕМА АМПЕРА, МАГНЕТИКИ ................................................121

5.1. Закон Био–Савара ........................................................................................... 123
5.2. Теорема Ампера ............................................................................................ 126
5.3. Вращение векторного поля и дифференциальная форма  
теоремы Ампера.................................................................................................... 129
5.4. Магнитный момент и «намагниченность» веществ ........................... 136
5.5. Ферромагнетик и постоянный магнит .................................................... 145
5.6. Принцип рельсотрона ................................................................................. 148
Единицы измерения электрического тока (элементарный  
участок тока) и закон Био–Савара ............................................................ 156
Силы взаимодействия между линейными токами ............................ 160
В и Н и магнитная проницаемость вещества ....................................... 163
Магнитное поле внутри соленоида и индуктивность ....................... 164
Эквивалентность закона Био–Савара и закона Ампера ..................... 167
Алгебраическое выражение вращения векторного поля ................. 169
Магнитные силовые линии и линии магнитной индукции ............171
Электромагнетизм отношения Е-Н ......................................................... 176
Диамагнетики и магнитная левитация.................................................. 177

VII
Содержание

Глава 6
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ В ДВИЖЕНИИ И УРАВНЕНИЯ 
МАКСВЕЛЛА ..................................................................................................... 179
6.1. Электромагнитная индукция ...................................................................... 182
6.2. Закон электромагнитной индукции Фарадея ....................................... 187
6.3. Дифференциальная форма закона электромагнитной  
индукции Фарадея ................................................................................................. 189
6.4. Ток смещения и расширение теоремы Ампера .................................. 192
6.5. Уравнения Максвелла .................................................................................. 196
6.6. Электромагнитное изучение ..................................................................... 199
Доказательство закона электромагнитной индукции .......................205
Доказательство закона Ампера–Максвелла .........................................207
Принцип появления электромагнитных волн ....................................208
Скорость электромагнитных волн и определение метра ............... 214
Принципы работы генератора и электродвигателя ......................... 216
Индукционная плита и электромагнетизм ........................................... 218
Уравнения Максвелла и метаматериалы ..............................................222
В недалеком будущем ..........................................................................................227

Приложение 
ВЕКТОРЫ И СКАЛЯРЫ ..........................................................................229

Что такое векторы? ...............................................................................................230
Понятие «поля» ....................................................................................................234
Абсолютное значение вектора и единичный вектор .................................236
Декартовы координаты и обозначение векторных компонент ..............238
Скалярное и векторное произведения ............................................................240
Векторное поле как градиент скалярного поля ..........................................246

Справочная литература...........................................................................248

Предметный указатель ...........................................................................250

VIII
Содержание

Глава 1

Что такое 

электромаГнетизм

Меня зовут 
Андо Рэн

Первый год учусь  
в университете Харуто 
в «Хару».

«Хару» -  
это научноисследовательский  
городок, среди гор и полей.

Всюду проводятся 
самые передовые 
научные исследования,

Из необычностей - 
часовая башня, 
которая в два часа 
ночи трансформируется  
в робота.

Что это 

он?
А вот и  
не трансформируется!
Не  
знаю.

Ну, это байки.

На   сон   тянет...

БААМ

ти..ши..на

но для меня  
это просто 
провинция,  
без всякого 
развлечения.

Глава 1.   Что такое электромаГнетизм
2

И ещё что меня 
беспокоит...

Ненавижу  
электромагнетизм!

Что  
это?

Что я проваливаю 
электромагнетизм.
Так тебе 
придётся  
на второй год 
остаться.
Молодость.

Ой, где же это я?

Совсем дорогу 
потерял.

А это, что...?

Ааа

ш

о

р

х

ш
о
р
х

ш

о

р

х

вух!

Бабах!

3

Ты очнулся? 
Как хорошо, 
что ты цел.

А то из-за ЧП  
при эксперименте  
программу могут закрыть.
Где я...

Самый рядовой 
эксперимент  
по электромагнетизму.

Это что за опасный 
эксперимент?

Так, тебя зовут 
Андо Рэн?

Да нет,  
неопасный.

...А лучше
Оставь в секрете, 
что произошло, 
ладно?

Ох, какой ты 
дерзкий.

А я тебе это 
подарю.

детский набор 

магнитов

давай сделку 
заключим?
Что у неё  
за фантазии?
«детский набор 
магнитов»

ой!

ня

ня

Глава 1.   Что такое электромаГнетизм
4