| Купить Matlab | Mathematica | Mathcad | Maple | Statistica | Другие пакеты |  |
| Internet-класс | Примеры | Методики | Форум | Download | |
|
|
Начало экспериментальных исследований электричества и магнетизма ХVI - XVII вв.
Электромагнетизм. Открытие электромагнитной индукции. Рождение теории относительности
Большой взрывНаша Вселенная родилась в результате взрыва. До Большого взрыва не было ничего, абсолютно ничего. Даже времени. Но именно с него все началось. Двадцать миллиардов лет назад гигантское скопление энергии в считанные доли секунды превратилось в невероятно плотную материю. После взрыва материя стала рассеиваться в пространстве. Началось расширение, продолжающееся и по сей день. Затем резкое изменение давления и температуры повлекло за собой перемены в строении элементарных частиц материи. Происходит стремительное падение плотности, которое позволяет электронам свободно вращаться вокруг атомных ядер. Образуются первые атомы водорода и гелия. Эти элементы станут самыми распространенными во Вселенной: ее материя на 99 % состоит из водорода и гелия. Различные виды частиц это последовательные уровни развития материи. Дальше процесс остывания и расширения замедляется. Через 500000 лет после Большого взрыва водород и гелий Вселенной образуют гигантские сгустки, а еще через 500000 лет в самом центре гигантских сгустков появляются скопления звезд. Три миллиарда лет спустя происходит объединение скоплений звезд под действием гравитации в галактики. Не ожидая изобретения необходимых для наблюдения технических средств, не обладая обширными познаниями окружающего их мира, люди издавна стремились разгадать тайну зарождения Вселенной. Однако делали это все общественно-экономические формации и религии по-своему. Возникновение физикиНаука Древней Греции Исканием тайн дух человека жил. В.Я. Брюсов Задача понять и объяснить мир без привлечения таинственных сил была впервые поставлена древними греками в период развития рабовладельческого строя (VII-VI вв. до н. э.). В Греции впервые появились профессиональные ученые и учителя, первые научные учреждения: академия Платона, лицей Аристотеля, Александрийский музей. Именно в Греции была впервые выдвинута идея о материальной основе мира и о развитии его из этой основы. Родоначальник греческой науки милетский купец Фалес такой основой считал воду, его ученик Анаксимандр - неопределенное вещество "апейрон", ученик Анаксимандра Анаксимен - воздух. Но если первые ионийцы не рассматривали вопрос об источнике движения, то Гераклит из Эфеса считал источником движения борьбу противоположностей. По Гераклиту, в этой постоянной борьбе единая материальная первооснова порождает многообразие вещей и явлений, составляющих вместе единую сущность. Идея атомистического строения материи была высказана впервые Левкиппом и развита его учеником - гениальным Демокритом. Что же натолкнуло его на мысль о дискретном строении вещества? С. И. Вавилов считал естественным следующий ход рассуждений: на небе светятся отдельные звёзды; морской песок, кажущийся непрерывным из далека, в действительности состоит из отдельных крупинок; морская вода дробится на мельчайшие брызги; человечество состоит из отдельных людей. ''От этих наблюдений один шаг до основного представления атомистического учения: предположения о том, что среды, кажущиеся нам непрерывными, в действительности являются скоплениями мельчайших частиц, недоступных по своим размерам для глаза''; т. е. атомистическая идея - неизбежное следствие повседневных наблюдений. Путём размышлений Демокрит пришёл к выводу, что существует предел деления любого тела и последнюю, далее неделимую часть, обладающюю свойствами целого, он назвал ''атомом''. Суть его учения сводится к следующему: 1. Не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства, все другое только воззрение. 2. Атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме. 3. Из ничего не происходит ничего. 4. Ничто не совершается случайно, но все совершается по какому-нибудь основанию и с необходимостью. Различие между вещами происходит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке; качественного различия между атомами не существует. Идеи Демокрита развивал Эпикур. Он добавил к учению Демокрита две новые идеи: к числу свойств атомов относится вес, движение атомов вследствие тяжести сопровождается их самопроизвольными отклонениями, что обеспечивает возможность столкновений и сочетаний атомов. Взгляды Демокрита и Эпикура изложены в поэме ''О природе вещей'', написанной римским философом и поэтом Лукрецием Каром: Выслушай то, что скажу, и ты сам, несомненно признаешь, Что существуют тела, которых мы видеть не можем… …Стало быть, ветры - тела, но только незримые нами. …Далее, запахи мы обоняем различного рода Хоть и не видим совсем, как в ноздри они проникают… Но это всё обладает, однако, телесной природой, Если оно способно приводить наши чувства в движенье: Ведь осязать, как и быть осязаемым, тело лишь может, И, наконец, на морском берегу, разбивающем волны, Платье сыреет всегда, а на солнце, вися, оно сохнет; Видеть, однако, нельзя, как влага на нем осядает, Как и не видно того, как она исчезает от зноя. Значит дробиться вода на такие мельчайшие части, Что недоступны они совершенно для нашего взгляда. И далее: Нам очевидно, что вещь от стирания становится меньше, Но отделение тел, из неё каждый миг уходящих, Нашим глазам усмотреть запретила природа ревниво. Демокрит и его учение были ненавистны идеалистам. Учение Демокрита бросало вызов религиозному взгляду на мир, оно было запрещено и забыто. Но великая идея атомизма выстояла. Взгляды Демокрита на пространство и время впоследствии были развиты Ньютоном. В Древней Греции были построены первые модели Вселенной. Наиболее верной и прогрессивной была модель Аристарха Самосского, согласно которой сферическая Земля и еще 7 сфер - Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера, Сатурна, Луны и звезд - движутся вокруг Солнца. Это была первая гелиоцентрическая система мира. Греция является родиной логики и диалектического метода. От греков ведёт начало и термин ''диалектика''. Под диалектикой в древности понимали искусство вести беседу и достигать истины путём обнаружения противоречий в суждениях противника. Требования логического обоснования и доказательства выдвигаемых положений существенным образом отличали науку Древней Греции от рецептурных предписаний египтян и вавилонян. Названия современных наук: механика, физика, география, биология, и др.; научные понятия: атом, масса, электрон, протон и пр., а главное, характер, метод и достижения науки Древней Греции служат одним из убедительных доказательств того, что Древняя Греция по праву считается родиной современной науки. Первые наблюдения электрических и магнитных явлений Первые наблюдения электрических и магнитных явлений так же относятся к глубокой древности. Естественно, что древние ученые и естествоиспытатели задумывались над причиной загадочных свойств магнита. Платон объяснял их божественным происхождением. Фалес считал причиной движения ''душу'', и поэтому, наличие у магнита ''души'' вызывало притяжение к нему железа. С именем Фалеса связаны и дошедшие до нас предания о свойствах натертого янтаря притягивать легкие тела. По его мнению, в янтаре (как и в магните) имеется душа, являющаяся первопричиной притяжения. И еще одно любопытное явление не осталось незамеченным древними народами, жившими на побережье Средиземного моря и в бассейне Нила. Речь идет об ''электрических'' рыбах - скате и соме. Греки их называли ''наркэ'', что означает ''парализующий''. При соприкосновении с этими рыбами человек испытывал сильные удары. Греки называли янтарь ''электрон'' - от этого (спустя много веков) и произошло слово ''электричество''. И, конечно, древние народы наблюдали грозные раскаты и яркие вспышки молний, внушавшие им страх, но ни одному из мудрецов тех времен не могла прийти мысль о том, что и притяжения натертого янтаря, и явление грозы в атмосфере имеют одну и ту же природу. Упадок античной культуры заметно отразился на изучении электрических и магнитных явлений. Из многочисленных источников следует, что практически до 1600 г. не было сделано ни одного открытия в области электрических явлений. Начало экспериментальных исследований электричества и магнетизма ХVI - XVII вв.Галилео Галилею принадлежит заслуга введения в научный обиход эксперимента в качестве метода исследования природных явлений. Под экспериментом Галилей понимал не просто получение каких-либо результатов в ходе созерцания изучаемых объектов, а целенаправленный поиск интересующих человека свойств этих объектов. Для решения этой задачи необходимо исключить или уменьшить влияние второстепенных факторов и использовать математику для выявления существенных закономерностей протекания изучаемых процессов. В своих научных рассуждениях Галилей впервые использовал мысленный эксперимент. Рассмотрение идеализированной ситуации позволило Галилею сформулировать принцип относительности, вошедший в науку вместе с его именем. Вопрос о том, как передается действие от одного тела к другому, приобрел особую остроту в связи с установлением закона всемирного тяготения Исааком Ньютоном. Закон всемирного тяготения - универсальный закон. Ему подчиняются все без исключения объекты природы: тяготеют электроны и другие элементарные частицы; анализ движения всех тел на Земле требует учёта этого закона; планеты Солнечной системы тяготеют к другу и Солнцу; звёздные скопления объясняют тяготение. Именно благодаря этому закону нам точно известно на десятки лет вперёд наступление солнечных и лунных затмений и появление на небе комет. В 1686 г. выходит в свет капитальный труд Ньютона - знаменитые ''Математические начала натуральной философии''. Ньютон делает обобщение, утверждая, что тяготение носит всемирный характер, т. е. действует между всеми частицами и телами природы. Следуя своему методу, Ньютон, установив закон тяготения, применяет его к анализу различных явлений и даёт им объяснения, проверяемые опытным путём: он объясняет явления приливов и отливов, движения комет, вычисляет массы Солнца и планет, рассчитывает отклонения формы Земли от сферы, возмущения в движении планет, вызванные их взаимным притяжением. Но этот закон не давал ответа на вопрос, каким образом удаленные друг от друга тела действуют друг на друга. В этот период и возникают две точки зрения на проблему передачи действия на расстояние. Родоначальником одной и них является французский мыслитель Рене Декарт. Декарт и его последователи (картезианцы) пытались объяснить тяготение, не прибегая к понятию силы, и представить его как чисто кинематический эффект, обусловленный движением особого вещества, заполняющего все пространство, невесомого флюида - эфира. Электрические и магнитные явления объяснялись вихрями тонкой материи, которая выходит, например, из одного полюса магнита и входит в другой, действуя при этом на железные тела, находящиеся вблизи магнита. Все объяснения такого рода искусственны и не вытекают из опытных фактов. Но объяснения Декарта получили широкое распространение, потому что были просты и наглядны. Принцип, согласно которому действие передается через среду в течение некоторого времени, получил название принципа близкодействия. Однако при всей внешней простоте кинематические представления о тяготении были абсолютно бесплодны - из них не вытекало ничего нового. Поэтому картезианские идеи не смогли долгое время выдерживать конкуренцию с теорией тяготения Ньютона. Каков механизм тяготения, Ньютон объяснить не мог, так как не было необходимых фактов, на базе которых можно было бы построить обоснованную гипотезу. От работ Ньютона берет начало второй принцип - принцип дальнодействия, согласно которому действие передается от тела к телу без участия какой-либо промежуточной среды, и при том мгновенно. Влияние взглядов Ньютона было столь велико, что и учение об электричестве и магнетизме строилось на основе принципа дальнодействия, требующего установления математических законов взаимодействия электрических и магнитных сил без выяснения их природы. Так было вплоть до эпохи Фарадея - Максвелла. Первая серьезная работа в области электричества и магнетизма принадлежит Вильяму Гильберту. Он доказал, что электрическими свойствами обладает не только янтарь, но и многие другие тела - алмаз, сера, смола, горный хрусталь, электризующиеся при их натирании. Эти тела он называл ''электрическими''. В. Гильберт правильно установил, что ''степень электрической силы'' бывает различна, что влага снижает интенсивность электризации тел посредством натирания. Сравнивая магнитные и электрические явления, Гильберт утверждал, что они имеют разную природу: ''электрическая сила'' происходит только от трения, а магнитная - постоянно воздействует на железо, магнит поднимает тела значительной тяжести, электричество - только легкие тела. Этот ошибочный вывод продержался в науке более 200 лет. Гильберт считал магнетизм как особую ''силу одушевленного существа'', а электрические явления, ''истечениями'' тончайшей жидкости, которая вследствие трения ''выливается из тела'' и непосредственно действует на другое притягиваемое тело. Представления Гильберта об электрическом ''притяжении'' были более правильными, чем у многих современных ему исследователей. По их утверждениям при трении из тела выделяется ''тончайшая жидкость'', которая отталкивает воздух, прилегающий к предмету; более отдаленные слои воздуха, окружающие тело, оказывают сопротивление '' истечениям '' и возвращают их вместе с легкими телами обратно к наэлектризованному телу. Представления о том, что электрические явления обусловлены присутствием особой ''электрической жидкости'', аналогичной ''теплотвору'' и ''светотвору'', были характерны для науки того периода, когда механистические взгляды на многие явления природы были господствующими. Труд Гильберта выдержал несколько изданий, он был настольной книгой многих естествоиспытателей и сыграл огромную роль в развитии учения об электричестве и магнетизме. Познакомившись с книгой Гильберта, Отто фон Герике изготовил простейшую электростатическую машину (Он изготовил шар из серы, насадил его на железную ось, укрепленную на деревянном штативе. При помощи ручки шар мог вращаться и натирался ладонями рук или куском сукна.). Затем электростатическая машина претерпела ряд усовершенствований. Разнообразные эксперименты с электростатическими машинами и успехи в области естествознания вызывали значительный интерес к электрическим и магнитным явлениям и привели к открытию ранее неизвестных фактов. Были обнаружены 2 рода электричества и выявлены законы их взаимодействия, установлена ''быстрота передачи электричества''. Спустя 70 лет голландским ученым Мушенбруком был получен источник больших электрических зарядов - первый конденсатор - лейденская банка. Электричество стало модным, что способствовало возбуждению интереса к этой области явлений. Развитию исследований способствовала надежда на практическое использование электричества в лечебных целях, а также стремление на основе изучения электричества решать проблему грозозащиты, поскольку утверждалась мысль об электрическом характере молнии. Начинается изучение явлений атмосферного электричества, разрабатываются первые теории электрических явлений. В ХVI - ХVII вв. с развитием торговли в Европе все большее распространение получает экспериментальный метод научных исследований, одним из основоположников которого по праву называют Леонардо да Винчи. В его записной книжке можно найти знаменательные слова: ''Не слушай учения тех мыслителей, доводы которых не подтверждены опытом''. Экспериментальный метод исследований нанес заметный удар по мистицизму и разного рода вымыслам и предрассудкам. Значительным шагом в изучении свойств электрических зарядов были исследования члена английского Королевского общества Стефана Грея (1670-1736гг.) и члена Парижской Академии наук Шарля Франсуа Дюфе (1698-1739гг.) В результате многочисленных экспериментов Грею удалось установить, что ''электрическая способность стеклянной трубки притягивать легкие тела может быть передана другим телам'', и показать (1729 г.), что тела в зависимости от их отношения к электричеству можно разделить на две группы: проводники (металлическая нить, проволока) и непроводники (шелковая нить). Продолжая опыты Грея, Дюфе (в 1733-1737 гг.) обнаружил 2 рода электричества - ''стеклянное'', ''смоляное'' и их особенность отталкивать одноименные заряды и притягивать противоположные. Дюфе также создал прототип электроскопа в виде 2-ух подвешенных нитей, расходящихся при их электризации. Переход от качественных наблюдений к установлению количественных связей и закономерностей. Научное обоснование атмосферного электричества. Важным и вполне закономерным шагом на пути изучения электрических явлений был переход от качественных наблюдений к установлению количественных связей и закономерностей, к разработке основ теории электричества. Наиболее значительный вклад в решение этих проблем был сделан Б. Франклином, Ф. Эпинусом, петербургскими академиками М. В. Ломоносовым, Г. В. Рихманом. Большой вклад в изучение электрических явлений был сделан Бенджамином Франклином. Им была разработана так называемая ''унитарная'' теория электричества (1747 г.) Б. Франклин высказал правильные предположения о материальном характере электричества, считая, что оно представляет собой невесомую субстанцию, состоящую из мельчайших отталкивающихся частиц. Избыток ее означает положительную электризацию, недостаток - отрицательную. Это представление многое объясняло: одновременную электризацию трущихся тел - переходом субстанции от одного тела к другому; проводимость - движением субстанции в проводниках. Ему удалось подойти к представлению об электростатической индукции. Предполагается, что им впервые были введены такие термины, как ''батарея'', ''заряд'', ''разряд'', ''конденсатор''. Ломоносов явился в России основоположником изучения электрических явлений, автором первой теории электричества. М. В. Ломоносов - яркая фигура в науке в XVIII веке. Белинский говорил о нём: ''Ослепительно и прекрасно было это явление. Оно доказало собой, что человек есть человек во всяком состоянии и во всяком климате, что гений умеет торжествовать над всеми препятствиями, какие ни противопоставляет ему судьба, что, наконец, русский способен ко всему великому и прекрасному''. В своих физических воззрениях Ломоносов исходил из атомистических представлений. Решительно отвергая всяческие флюиды (теплород, флогистон), он считает теплоту движением корпускул и объясняет ряд тепловых явлений (испарение, теплопроводность и др.) в духе современной науки. При поддержке Ломоносова академик Рихман разработал в 1745 г. конструкцию первого электроизмерительного прибора, который отличался от электроскопа тем, что был снабжен деревянным квадрантом со шкалой, разделенной на градусы. Это усовершенствование позволило измерять ''большую и меньшую степень электричества''. Ломоносов и Рихман установили, что молния - это электрические разряды в атмосфере и ''сама электрическая сила грому и молнии причина''. 25 июня 1753 г., во время грозы Рихман был убит ударом в лоб ''бледно-синеватым огненным шаром''. Трагическая смерть ученого послужила поводом для нападок со стороны духовенства и реакционных кругов на ученых, стремившихся проникнуть в тайны природы. Опыты Ломоносова и Рихмана называли кощунственными и требовали их прекратить, подчеркивая, что смерть Рихмана - это ''наказание Господне за вторжение в область божью''. Но огромный авторитет Ломоносова и поддержка прогрессивных ученых позволили ему в ноябре 1753 г. выступить со своим докладом '' Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих, предложенное от Михаила Ломоносова''. По его утверждению атмосферное электричество возникает в результате трения пылинок и других взвешенных частичек воздуха с капельками воды, происходящего при вертикальных перемещениях воздушных потоков. Северные сияния, по мнению Ломоносова, также имеют электрическую природу. Он рассматривал их как свечение, вызываемое электрическими зарядами в верхних слоях атмосферы. Свои воззрения на явления электричества Ломоносов сформулировал в 1756 году. Он отрицает существование особой электрической материи и рассматривает электричество как форму движения эфира. Это был новый шаг к материалистическому объяснению явлений природы. Теория получила дальнейшее развитие, в ХIХ в., ее придерживались Фарадей и другие ученые. Фарадей считал электричество движением некой, заполняющей все пространство, пронизывающей все тела упругой среды. Новые открытия.Закон Кулона. Важнейшим шагом в развитии количественных исследований электрических и магнитных явлений было установление закона о силе взаимодействия между наэлектризованными телами и магнитными полюсами. В 1759 г. вышла работа петербургского академика Франца Ульриха Теодора Эпинуса '' Опыт теории электричества и магнетизма''. Эпинус впервые указал на связь между электрическими и магнитными явлениями. К этому выводу он пришел в результате многочисленных экспериментов с электризацией кристаллов турмалина при их нагревании и охлаждении. Образование разноименных зарядов на противоположных концах кристаллов он уподоблял двум противоположным полюсам магнита. В своей речи на общем собрании Академии наук в 1758 г. Эпинус говорил ''о некоем союзе и сходстве магнитной и электрической силы''. И будто испугавшись дерзости своих мыслей о подобии этих различных (по утверждениям его многих современников) явлений, он в конце речи добавил: ''Но я таким образом заключать не отважусь''. И не удивительно, прошло почти три четверти столетия, пока ''сходство и подобие'' электрических и магнитных явлений было убедительно доказано М. Фарадеем. Эпинус задолго до Кулона высказал предположение о том, что силы взаимодействия электрических и магнитных зарядов изменяются обратно пропорционально квадратам расстояния между ними, также была высказана правильная мысль о сохранении количества электричества. Закон взаимодействия электрических зарядов был заново открыт 1784 г. французским военным инженером Шарлем Огюстеном Кулоном. В течение нескольких лет он проводил эксперименты с помощью прибора, который вначале был предназначен для изучения законов закручивания шелковых и волосяных нитей, а также металлических проволок. Кулон установил, что сила кручения пропорциональна углу закручивания. Он решил использовать этот прибор для измерения малых электрических и магнитных сил. В результате многочисленных экспериментов он установил, что сила взаимодействия наэлектризованных тел пропорциональна количеству электричества заряженных тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.Этот закон Кулон распространил и на взаимодействие магнитных полюсов. Кулоном аналитически и экспериментально было доказано, что электричество распространяется по поверхности проводника, а также равномерно распределяется по поверхности изолированной проводящей сферы. Исследования Кулона способствовали применению математического анализа в теории электричества и магнетизма. Вплоть до последней четверти ХVIII в. ученым были известны только явления статического электричества. Промышленный переворот дал мощный толчок развитию различных отраслей науки, в том числе науке об электричестве. В изучении электрических явлений были достигнуты определенные успехи, ими начали интересоваться не только физики, но и естествоиспытатели, в особенности врачи, пытавшиеся (и не безуспешно!) применять электричество для лечебных целей. Отдельные ученые высказывали предположение, что если ''вся природа электрическая'', то и в организмах человека и животных по жилам и мускулам должна протекать эта таинственная материя. Одним из подтверждений указанных воззрений были ''электрические'' рыбы, известные с древних времен. Так возникло представление о новом виде электричества, названного ''животным''. Исследованием мышечных движений под воздействием электричества занялся в 1773 г. профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани (1737-1798 гг.). Первые электрофизиологические опыты над лягушками относятся к 1780 г. Спустя 11 лет он опубликовал результаты своих исследований в ''Трактате о силах электричества при мышечном движении'', получившем широкую известность. Случилось так, что при препарировании лягушек в его лаборатории кто-то привел в действие электрическую машину. В момент проскакивания электрической искры мышцы лягушки, к которой прикасались скальпелем, стали сокращаться. Гальвани вывешивал препарированные лапки лягушки на открытом воздухе, чтобы проверить, будет ли возникать ли эффект под воздействием атмосферного электричества во время грозы. Мышцы во время грозового разряда сокращались. Но к удивлению ученого, они сокращались и при ясной погоде. Причина была в том, что лапки подвешивались на медных крючках к железной ограде, и при контакте разнородных металлов возникала разность потенциалов, вызывающая раздражение нервов и потому сокращение мышц. Гальвани же сделал вывод о существовании ''животного электричества'', считая, что мышца и нерв есть источник электричества, замыкаемый проводником. Его опыты вызвали большой интерес среди физиков, их взгляды на явления, наблюдаемые Гальвани, разошлись. Некоторые физики оспаривали вообще существование ''животного'' электричества. К ним принадлежал профессор физики в Павийском университете Алессандро Вольта (1745-1827 гг.). В течение нескольких лет А. Вольта повторил все опыты Гальвани и произвел ряд новых исследований. Он пришел к выводу, что источником электричества является контакт двух разнородных металлов. Им была предложена теория ''контактного электричества''. При соприкосновении различных металлов происходит разложение ''естественного'' электричества: электричество одного знака собирается на одном металле, другого - на другом. Силу, возникающую при контакте двух металлов и разлагающую их электричество, Вольта назвал электродвижущей силой. Эта сила ''перемещает электричество так, что получается разность напряжений'' между металлами. С современной точки зрения совершенно очевидна ошибочность идеи Вольта о возможности получения электрического тока посредством простого контакта разнородных металлов, т. е. получения электрической энергии без затраты для этого какого-либо другого вида энергии. Эксперименты привели Вольта к выводу, что непрерывный электрический ''флюид'' может возникнуть лишь в замкнутой цепи, составленной из различных проводников - металлов и жидкостей. Опыты Вольта завершились построением в 1799 г. первого источника непрерывного электрического тока, составленного из медных и цинковых кружков, переложенных суконными прокладками, смоченными водой или кислотой. Этот прибор, о котором он впервые сообщил Президенту Лондонского королевского общества в марте 1800 г., был назван им ''электродвижущим аппаратом'', а позже стали его называть ''гальваническим или вольтовым столбом''. Вольтов столб в различных модификациях долгое время оставался единственным источником электрического тока. В 1881 г. на Международном конгрессе электриков в Париже единице напряжения было присвоено наименование ''Вольт''. Создание длительно действующего источника электричества позволило начать изучение действий постоянного электрического тока. В 1800 г. члены Лондонского королевского общества Антони Карлейль и Вильям Никольсон произвели ряд опытов с вольтовым столбом, которые привели их к открытию нового явления: при прохождении тока через воду имело место выделение пузырьков газа; исследовав выделявшиеся газы, они установили, что это кислород и водород. Таким образом, впервые был осуществлен электролиз воды и установлено химическое действие тока. Тепловые действия тока были обнаружены в накаливании тонких металлических проводников и воспламенении посредством искр легко воспламеняющихся веществ. Световые явления наблюдались в виде искр различной длины и яркости. В 1802 г. итальянский физик Джованни Романьози обнаружил, что электрический ток, протекающий по проводнику, вызывает отклонение свободно вращающейся магнитной стрелки, находящейся вблизи этого проводника. Однако тогда, в первые годы изучения электрического тока, явление, открытое Романьози, имевшее, как впоследствии выяснилось, громадное значение не получило должной оценки. Только позднее, в 1820 г. когда наука об электричестве достигла более высокого уровня, магнитное действие тока, описанное датским физиком Эрстедом, стало предметом глубокого и всестороннего изучения. Взаимодействие электрического тока и магнита. Разработка основ электродинамики. Наблюдать, изучать, работать. М. Фарадей
Так был создан соленоид. Опыты Араго впервые доказали электрическую природу магнетизма и возможность намагничивания стали электрическим током. В процессе исследований Араго обнаружил (в 1824 г.) еще одно новое явление, названное им ''магнетизмом вращения'' и заключавшееся в том, что при вращении металлической пластины, находящейся над магнитной стрелкой (или под ней), последняя также приходит во вращение. Объяснить это явление не смогли ни сам Араго, ни Ампер. Правильное объяснение этого явления было дано Фарадеем только после открытия явления электромагнитной индукции.
Для Эрстеда это был давно искомый эффект, обнаруженный так случайно. Эрстед изучил обнаруженный эффект и опубликовал о нем сообщение. Открытие Эрстеда вызвало сенсацию. В августе 1820 г., через несколько дней после публикации, опыт воспроизводится на Женевском съезде естествоиспытателей, в котором участвует Араго. Познакомившись с работой Эрстеда, он понял, что загадка, мучавшая его, решена. 11 сентября на заседании Французской академии Араго уже ставит опыт Эрстеда. В числе других его наблюдает и Ампер (1775-1836), которому суждено было глубже других понять суть нового открытия и заложить основы электромагнетизма - учения, вершиной которого стала теория электромагнитного поля. Андрэ Мари Ампер родился 22 января 1775 г. в семье лионского коммерсанта. Отец его имел хорошую библиотеку. Дарования Ампера проявились очень рано - в тринадцать лет он прочёл все двадцать томов энциклопедии Дидро и Даламбера, хотя официального образования не получил. Когда библиотека отца была исчерпана, Ампер стал ездить в городскую библиотеку, чтобы изучать труды великих учёных. В течение нескольких недель он освоил латинский язык, чтобы читать произведения в подлинниках. (Впоследствии он в совершенстве овладел греческим и итальянским языками.) Интересы его были чрезвычайно обширны: разные отрасли математики (теория игр, геометрия), биология, геология, лингвистика, философия, химия и, конечно, физика. Ампер изучал математику и естественные науки по трудам Эйлера, Бернулли и других учёных. В 1802 г. Ампер публикует работу по теории вероятностей ''Соображения о математической теории игры'', после чего в 1804 г. ему было предложено место, правда, пока репетитора, в Политехнической школе Парижа. В 1807 г. он стал её профессором. Окружающим он казался человеком странным: близорукий, рассеянный, доверчивый, мало обращающий внимания на свой внешний вид, да к тому же имеющий не столь ценимую обычно привычку прямолинейно говорить человеку всё то, что думаешь о нём. Жизнь Ампера была тяжёлой, его всё время преследовали несчастья: казнь отца, потеря первой жены, неудачный второй брак, несложившаяся жизнь сына и т. д. Его открытия многие коллеги не понимали и встречали скептическими усмешками. Приборы он покупал и изготовлял на свои деньги, а их было мало. Приходилось выпрашивать дополнительную работу у университетского начальства, отправляться в инспекционные поездки по провинциальным училищам. По три-четыре месяца, забросив работы по электродинамике, Ампер инспектировал училища далёких департаментов, проверяя ненавистные для него расходы на мел, чернила, мебель, контролируя знания учеников по разным предметам. Он мучился от своего бессилия, от необходимости тратить драгоценное время на совершенно пустяковые занятия, посильные для любого инспектора. По возвращении в Париж с него требовали отчёты, бумажные циркуляры. Чиновникам, видимо, доставляло удовольствие ''ставить на место'' учёного-оригинала, этого странного Ампера - пусть не воображает о себе бог знает что. А он был человеком редчайшей скромности. И когда его труды были оценены по достоинству ''Ньютона электричества'' уже не было в живых. Он умер в Марселе в 1836 г. по дороге на юг, где надеялся поправить своё никуда не годное здоровье. 1869 г. прах Ампера из Марселя был перевезён в Париж на Монмартрское кладбище. На его надгробном памятнике высечены слова: ''Он был так же добр и так же прост, как и велик''. И ровно через неделю 18 сентября Ампер выступает на заседании Академии с докладом о взаимодействии токов и магнитов, а затем почти подряд - неделю за неделей (заседания Академии наук проводились еженедельно) он излагает перед крупнейшими учеными результаты своих экспериментальных и теоретических обобщений, которые позднее были отражены в его знаменитом труде по электродинамике. Поразительна логика его обобщений: если ток - это магнит, то два тока должны взаимодействовать подобно магнитам. Заслуживает внимания философский труд Ампера ''Опыт философии наук, или аналитическое изложение естественной классификации всех человеческих знаний'' (1834 г.). В наше время издано много работ, посвященных науковедению. Своей ''Классификацией'' Ампер более ста лет назад заложил основы этой важной области научных знаний. Отметим, что Ампером впервые были введены термин ''электрический ток'' и понятие о направлении электрического тока. Он предложил считать за направление тока направление движения положительного электричества (от плюса к минусу во внешней цепи). Наблюдая отклонение магнитной стрелки под влиянием протекающего по проводнику тока, Ампер сумел сформулировать правило, позволяющее определить направление отклонения стрелки в зависимости от направления тока в проводнике. Это правило было в то время широко известно под названием ''правила пловца'' и формулировалось оно следующим образом: ''Если мысленно расположиться человеку так, чтобы ток проходил по направлению от ног наблюдателя к голове, и чтобы лицо его было обращено к магнитной стрелке, то под влиянием тока северный полюс магнитной стрелки всегда будет отклоняться влево''. Большое значение имели исследования Ампером взаимодействий круговых и линейных токов. К этим исследованиям он подошел, основываясь на следующих рассуждениях: если магнит по своим свойствам аналогичен катушке или кольцевому проводнику, обтекаемым током, то два круговых тока должны действовать друг на друга подобно двум магнитам. Открыв взаимодействие круговых токов, Ампер начал исследование линейных токов. С этой целью он построил так называемый ''станок Ампера'', в котором один проводник мог изменять положение относительно другого проводника. В ходе этих опытов было установлено, что два линейных тока притягивают или отталкивают друг друга в зависимости от того, имеют ли токи одинаковое направление или различное. Серия этих опытов позволила Амперу установить закон взаимодействия линейных токов: ''два параллельных и одинаково направленных тока взаимно притягиваются, между тем как два параллельных и противоположно направленных тока взаимно отталкиваются''. Обнаруженные явления Ампер предложил назвать ''электродинамическими'' в отличие от электростатических явлений. Обобщая результаты своих экспериментальных работ, Ампер вывел математическое выражение для силы взаимодействия токов подобно тому, как это сделал Кулон по отношению к взаимодействию статических зарядов. Эту задачу он решил аналитическим приемом, исходя из принципов Ньютона о взаимодействии масс и уподобляя этим массам два элемента тока, произвольно расположенных в пространстве. При этом Ампер предположил, что взаимодействие элементов тока происходит по прямой, соединяющей середины этих элементов, и что оно пропорционально длине элементов тока и самим токам. Электродинамическая теория Ампера изложена им в сочинении ''Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта''. Опираясь на труды предшественников, а также на важные результаты своих исследований, Ампер пришел к новому выводу о причине явлений магнетизма. Отрицая существование магнитных жидкостей, Ампер утверждал, что магнитное поле имеет электрическое происхождение. Основываясь на тождестве действия круговых токов и магнитов, Ампер пришел к выводу о том, что магнетизм какой-либо обусловлен наличием круговых токов в этой частице, а свойства магнита в целом обусловлены электрическими токами, расположенными в плоскостях, перпендикулярных его оси. Разработанная Ампером гипотеза молекулярных круговых токов явилась новым прогрессивным шагом на пути к материалистической трактовке природы магнитных явлений. Своими исследованиями Ампер доказал единство электричества и магнетизма и убедительно опроверг царившие до него представления о магнитной жидкости. Выдающийся вклад Ампера получил высочайшую оценку. Первый Международный конгресс электриков присвоил единице силы тока наименование ''Ампер''. Его заслуженно называли ''Ньютоном электричества''. Открытие термоэлектричества. Установление законов электрической цепи. Дальнейшее изучение явлений электричества и магнетизма привело к открытию новых фактов. В 1821 г. профессор Берлинского университета Томас Иоганн Зеебек (1770-1831 гг.), занимаясь исследованием возможности получения электрического тока посредством двух разнородных металлов без участия какой-либо жидкости, открыл новое явление, заключавшееся в следующем. К висмутовой пластине была припаяна медная пластинка. Внутри образовавшегося контура помещалась магнитная стрелка SN. При подогревании одного из спаев магнитная стрелка отклонялась, что указывало на прохождение по контуру электрического тока. Если вместо нагревания охлаждать другой спай, то в контуре возникнет ток такого же направления. Зеебек правильно установил, что причина появления электрического тока связана с теплотой, сообщаемой спаю или отнимаемой от него, и назвал обнаруженное явление ''термомагнетизмом'' (позднее этот термин был заменен на ''термоэлектричество''). Открытие явления термоэлектричества явилось существенным вкладом в науку и сыграло свою роль в подготовке к открытию закона сохранения и превращения энергии. По мере углубления исследований электрического тока подготавливаются условия для перехода от качественных наблюдений явлений в электрической цепи к установлению некоторых количественных соотношений. В 1821 г. Дэви установил, что проводимость проводника зависит от материала и температуры. Он также пришел к выводу о зависимости проводимости от площади сечения проводника. Более глубоко эти явления были исследованы немецким физиком Георгом Симоном Омом (1789-1854 гг.).
С этой целью он внимательно изучил теоретические исследования в области теплопроводности и гидравлики и впервые проводит аналогию между движением электричества и тепловыми или водяными потоками, при этом разность потенциалов играет роль падения температур или разности уровней воды в трубах. В 1827 г. выходит в свет его фундаментальный труд ''Гальваническая цепь, разработанная математически доктором Омом'' (он так же известен под названием ''Теоретические исследования электрических цепей''). Закон, носящий его имя, Ом сформулировал следующим образом: ''Величина тока в гальванической цепи пропорциональна сумме всех напряжений и обратно пропорциональна сумме приведенных длин'' (''приведенные длины'' - сопротивление внешней части цепи). Ом доказал справедливость его формулы при оценке силы тока как по магнитному, так и по химическому действиям. Несколько лет закон Ома не получал признания, отчасти потому, что в первых его публикациях были допущены неточности, а также по причине недостаточной известности имени скромного школьного учителя. Однако после подтверждения правильности закона Ома известными академиками Ленцем и Якоби, а также присуждения Ому Золотой медали Лондонским Королевским обществом (1842 г.), его труд по праву получил всеобщее признание. Он явился фундаментом теоретической электротехники и сохранил свое значение до наших дней. На первом Международном конгрессе электриков единица сопротивления была названа ''Ом''. Электромагнетизм. Открытие электромагнитной индукции.Никогда со времён Галилея свет не
видел стольких
Естественнонаучные проблемы увлекают Фарадея, и он решает связать свою судьбу с изучением природы. Он пишет письмо Дэви с просьбой предоставить любую работу в лаборатории и прилагает к письму отлично переплетённые собственные конспекты прослушанных лекций Дэви. Дэви в начале отказывает Фарадею ввиду отсутствия вакансии и предупреждает его, что ''наука - особа чёрствая, и она в денежном отношении лишь скупо вознаграждает тех, кто посвящает себя служению ей''. А администратор института, с которым советуется Дэви на счёт просьбы Фарадея, отвечает: ''Пусть он моет посуду. Если он что-нибудь стоит, то начнёт работать. Если откажется, то значит никуда не годится''. Помог Фарадею несчастный случай. Взрывом колбы были повреждены глаза Дэви, и он не мог ни читать, ни писать, а потому решает взять Фарадея секретарём. Через некоторое время Фарадей становится лаборантом Дэви. В будущем, когда Дэви спросят о самом главном его научном открытии, он ответит: ''Самым важным моим открытием было открытие Фарадея''. Поездка в 1813 г. с Дэви в Европу, встречи с такими учёными, как Ампер, Гей-Люссак, Вольта, во многом способствовали научному становлению Фарадея, который помогал Дэви в его опытах во время лекций, участвовал в беседах с учёными. Фарадей начинает бегло говорить по-французски и немецки. Он производит на учёных хорошее впечатление. Химик Дюма писал: ''Мы восхищались Дэви, мы полюбили Фарадея''. Из Европы он писал: ''Я научился понимать своё невежество, стыжусь своих разнообразных недостатков и желаю воспользоваться теперь случаем исправить их''. Но это лишь начало его научного пути, и столь самокритичная оценка вполне естественна. Пройдут годы, а Фарадей, став признанным учёным с мировой известностью, останется столь же строгим к себе и столь же скромным. В последние годы жизни он дважды отклоняет предложение стать президентом Королевского общества - высшего научного учреждения Англии. Отказывается от предложения о возведении его в рыцарское звание, дающее ему ряд прав и почестей, в числе которых и превращение в ''сэра Майкла Фарадея''. Летом 1815 г. путешествие окончилось. Вернувшись в Англию, Фарадей продолжает работать лаборантом в Королевском институте. Но это уже другой Фарадей, более зрелый и более самостоятельный. Как-то из Флоренции пришла посылка с образцами известняка для анализа. Дэви предложил Фарадею выполнить этот анализ. Просмотрев результаты анализа, Дэви был удовлетворён тщательностью проделанной работы и отдал материал в научный журнал ддля опубликования. Так появилась первая научная работа Фарадея. С 1815 г. по 1820 г. Фарадей занимается в основном исследованиями по химии. Перемена в тематике его научной деятельности произошла в августе 1820 г. после ознакомления с работой Эрстеда. Научная работа Фарадея всегда была связана с экспериментом. Все свои опыты (в том числе и неудачные) он с особой тщательностью записывал в особом дневнике, который потом вышел в виде обширного труда ''экспериментальные исследования по электричеству''. Последний параграф дневника помечен номером 16041. Всего с 1816 по 1862 г. он опубликовал 220 работ. В дневниках Фарадея не было ни одной формулы, и тем не менее это был один из глубочайших теоретиков, ценящий не математический аппарат, а физическую суть, механизм явлений. В записках Фарадея обнаружена ''школа научных заслуг'', содержащая 4 ступени: открытие нового факта; сведение его к известным принципам; сведение всех фактов к еще более высоким принципам. Открытия Фарадея - высшая ступень по его шкале. В своих экспериментальных исследованиях Фарадей не щадил себя. Он не обращал внимания на проливающуюся ртуть, не обходилось и без взрывов приборов при исследовании сжижения газов. В одном письме он пишет: ''в прошлую субботу у меня случился ещё один взрыв, который опять поранил мне глаза… Первое время глаза мои прямо-таки были набиты кусочками стекла. Из них вынули тринадцать осколков''. Его научное кредо, которым он руководствовался всю жизнь, выражено в следующих словах: ''Учёный должен быть человеком, который стремиться выслушать любое предположение, но сам определяет, справедливо ли оно. Внешние признаки явлений не должны связывать суждений учёного, у него не должно быть излюбленной гипотезы, он обязан быть вне школ и не иметь авторитетов. Он должен относиться почтительно не к личностям, а к предметам. Истина должна быть главной целью его исследований. Если к этим качествам добавится ещё и трудолюбие, то он может надеяться приподнять завесу в храме природы''. Огромное трудолюбие, жажда знаний, прирожденный ум и наблюдательность позволили Фарадею достичь выдающихся результатов во всех тех областях научных исследований, к которым обращался ученый. Признанный король экспериментов любил повторять: ''Искусство экспериментатора состоит в том, чтобы уметь задавать природе вопросы и понимать ее ответы''. Каждое исследование Фарадея отличалось обстоятельностью и настолько согласовывалось с предыдущими результатами, что среди современников почти не находилось критиков его работ. Его работы, на первый взгляд иногда разрозненные, как мазки на полотне художника, взятые вместе, образуют изумительную картину всестороннего исследования двух проблем: взаимопревращений различных форм энергии и физического содержания среды. Работам Фарадея в области электричества положило начало исследование так называемых электромагнитных вращений. Из серии опытов Эрстеда, Араго, Био, Савара, проведенных в 1820 г., стало известно не только об электромагнетизме, но и о своеобразии взаимодействий тока и магнита: здесь действовали не привычные для классической механики центральные силы, а силы иные, стремившиеся установить магнитную стрелку перпендикулярно проводнику. Фарадей поставил перед собой вопрос: не стремится ли магнит к непрерывному движению вокруг проводника с током? Опыт подтвердил гипотезу. В 1821 г. Фарадей дал описание физического прибора. В левом сосуде с ртутью находился стержневой постоянный магнит, закрепленный шарнирно в нижней части. При включении тока его верхняя часть вращалась вокруг неподвижного проводника. В правом сосуде стержень магнита был неподвижен, а проводник с током, свободно подвешенный на кронштейне, скользил по ртути, совершая вращение вокруг полюса магнита. Это было первое электромагнитное устройство с непрерывным движением. Именно с этого момента, судя по всему, у Фарадея начинают складываться представления о всеобщей ''взаимопревращаемости сил''. Получив при помощи электромагнетизма непрерывное механическое движение, он ставит перед собой задачу обратить явление или, по терминологии Фарадея, превратить магнетизм в электричество. В качестве примера, характеризующего ход мыслей ученого и формирование его представлений об электромагнитном поле, рассмотрим явление, получившее тогда название ''магнетизма вращения''. За много лет до работ Фарадея мореплаватели заметили тормозящее влияние медного корпуса компаса на колебания магнитной стрелки. В 1824 г. Араго описал это явление, но ни он, ни другие физики объяснить явление ''магнетизма вращения'' не могли.Сущность явления состояла в следующем. Подковообразный магнит мог вращаться вокруг вертикальной оси, а над его полюсами находился алюминевый диск, который также мог вращаться на оси, совпадающей по направлению с осью вращения магнита. В состоянии покоя никаких взаимодействий между диском и магнитом не наблюдалось. Но стоило начать вращать магнит, как диск устремлялся вслед за ним и наоборот. Чтобы исключить возможность увлечения диска потоками воздуха, магнит и диск были разделены стеклом. Открытие электромагнитной индукции помогло Фарадею объяснить явление Араго и уже в самом начале исследования записать: ''Я надеялся сделать из опыта господина Араго новый источник электричества'' Только абсолютная убежденность в справедливости гипотезы ''взаимопревращаемости'' может объяснить целеустремленность и настойчивость, тысячи опытов и 10 лет напряженного труда, затраченные на решение сформулированной задачи. В августе 1831 г. был сделан решающий опыт, а 24 ноября на заседании в Королевском обществе была изложена сущность явления электромагнитной индукции. Семнадцатого октября 1831 г. Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Это был хорошо подготовленный и заранее продуманный опыт. Вот как об этом писал Фарадей: ''Я взял цилиндрический магнитный брусок и ввел один его конец в просвет спирали из медной проволоки, соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался. Это значит, что электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое''. Вслед за открытием электромагнитной индукции Фарадей проверяет новую идею. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то, видимо, движение проводника относительно магнита должно приводить к такому же результату. Значит есть возможность создать генератор электрического тока, обеспечив непрерывное относительное движение проводника и магнита. Фарадей быстро строит и испытывает новое устройство: между полюсами подковообразного магнита вращается медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой на периферии) снимается напряжение. Это был первый генератор электрического тока! С ноября 1831 г. Фарадей начал систематически печатать свои ''Экспериментальные исследования по электричеству'', составившие 30 серий более чем из 3000 параграфов. Первая серия посвящена электромагнитной индукции; последняя - законам намагничивания (1855 г.). В этих сериях отражена двадцатичетырехлетняя работа Фарадея, в них жизнь, мысли и воззрения ученого.
Вторая серия (январь 1832 г.) также посвящена электромагнитной индукции. Разрабатывая теорию электромагнитной индукции, Фарадей пришел к идее электромагнитных волн, считая её исключительно важной. Свои наблюдения над ''индукционной волной электричества'' он зафиксировал в письме от 12 марта 1832 г. и в запечатанном виде передал для хранения в архив Королевского общества. Письмо было обнаружено через 106 лет, в 1938 г. Основные мысли письма: на распространение магнитного взаимодействия требуется время, есть возможность теорию колебаний применить к распространению электромагнитной индукции, процесс распространения её похож на колебания взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха. Мысли Фарадея перекликаются с идеями электромагнитной теории, разработанной позднее Максвеллом. В третьей серии (1833 г.) Фарадей доказывает тождественность различных видов электричества: обыкновенного, гальванического, животного, индукционного. ''Отдельные виды электричества тождественны по своей природе, каков бы ни был их источник''. Следующие серии (5-8) посвящены химическому действию тока и явлению электролиза. М. Фарадей экспериментально установил два закона электролиза. Эти законы невольно наталкивали на мысль о дискретности электрического заряда и о том, что атомы наделены электрическими силами. При электролизе по мере увеличения заряда, проходящего через электролит, растёт и масса выделившегося вещества, т. е. число атомов на электродах, то каждый атом, перенося определённую массу, переносит и определённый заряд. Это означает, что заряд дискретен, делим на части. И Фарадей делает вывод:''Электричество связано с атомами материи'', ''атомы материи одарены электрическими силами''. Значит, носителями электрических сил являются не особые электрические жидкости, а частицы вещества. В 10 серии Фарадей описывает явление самоиндукции, проводит аналогию между самоиндукцией и инерцией в механике, указывает на то, что индуктивность проводника зависит от его формы и особенно возрастает, если проводник свернуть в спираль. Исследуя диэлектрики (11-я серия), Фарадей вновь возвращается к мысли о существенной роли среды в электрических взаимодействиях. В 20-й серии он описывает явления намагничивания различных веществ. К 1851 г. он уже четко формулирует идею магнитного поля, разрабатывает методику его экспериментального исследования с помощью пробной катушки и гальванометра, вводит метод его изображения с помощью силовых линий: ''Я, изучая… общий характер магнитных явлений, больше склоняюсь к мысли, что передача силы представляет собой… явление, протекающее вне магнита; я считаю невероятным, что эти явления представляют собой простое отталкивание и притяжение на расстоянии. При этой точке зрения на магнит среда или пространство, его окружающее, играет столь существенную роль, как и самый магнит''. Для Фарадея поле - это то, что излучается, распространяется с конечной скоростью в пространстве, взаимодействует с веществом. После открытия электромагнитной индукции внимание учёных в значтельной степени переключилось с ''гальванических'' токов, когда главными объектами исследований были сами гальванические элементы, процессы электролиза, на индукционные токи, когда наибольший интерес стали вызывать явления электромагнетизма. Так новая форма материи - поле - входила в физику благодаря работам Фарадея. До последних дней жизни Фарадей сохранил верность своим жизненным идеалам. В 70 лет он, блестящий ректор, решает покинуть институт. ''Здесь я провёл счастливые годы, но настало время уйти из-за потери памяти и усталости мозга''. 25 августа 1867 г. в возрасте 75 лет Фарадей умер. Прах Фарадея покоится на Хайгетском кладбище в Лондоне, имя и дела его бессмертны. Одним из первых, кто по достоинству оценил Фарадея и его открытия, был Максвелл: ''Мы прежде всего рассматриваем Фарадея, как наиболее полезный и одновременно наиболее благородный тип учёного. Фарадей является и навсегда останется творцом того общего учения об электромагнетизме, которое рассматривает с единой точки зрения все явления, изучавшиеся прежде в отдельности, не говоря уже о тех явлениях, которые открыл сам Фарадей, следуя своему убеждению о единстве всей науки''. Создание теории электромагнитного поля и открытие электромагнитных волн.
Джеймс заинтересовался этим и вскоре предложил необычно простой способ вычерчивания овальных кривых и эллипсов с помощью двух булавок (в точках фокусов) и связанной в кольцо нити. Эту работу юного Максвелла ''О черчении овалов и об овалах со многими фокусами'' на заседании Лондонского Королевского общества доложил профессор Форбс. Работа была признана всеми и опубликована в ''Трудах'' общества. В 1847 г. по совету профессоров, не закончив гимназии, Максвелл поступил в Эдинбургский университет. Здесь он увлёкся опытами по оптике, химии, магнетизму, тщательно штудирует книги по механике и физике, много занимается математикой, читает ''Лекции'' Юнга, ''Принципы механики'' Уилисса, ''Технику и механику'' Мозли, ''Теплоту'' Диксона и ''Оптику'' Муаньо. Видя увлечение сына исследованиями, отец помог ему оборудовать физико-химическую лабораторию. Закончив университет, Максвелл продолжает образование в Кембридже. После окончания обучения он преподаёт физику в шотландском университете в Абердине, а затем в Королевском колледже в Лондоне. Несколько плодотворных для работы лет он проводит в своём имении в Глэнлере, после чего становится первым директором Кавендишской лаборатории в Кембридже, построенной и оборудованной при его непосредственном участии. Эту лабораторию возглавляли впоследствии Релей, Томсон, Резерфорд, Брэгг. Область научных интересов Максвелла была необычайно широка. Помимо работ по электромагнетизму, он выполнил фундаментальные исследоания по теории цветов и цветовому зрению, устойчивости колец Сатурна и по кинетической теории газов. Что же нового дала физике теория электромагнитного поля, которую Максвелл начал разрабатывать с 1855 г. и в окончательном виде оформил в работе ''Трактат по электричеству и магнетизму'', вышедшей в 1873 г.? Вклад Максвелла сводится к следующему: 1. Теория Максвелла вводит в физику фундаментальное понятие единого электромагнитного поля ''Теория, которую я предлагаю, - пишет Максвелл, - может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с пространством, окружающим электрические и магнитные тела; она может также названа динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой и производятся наблюдаемые электромагнитные явления''. И далее: ''Электромагнитное поле - это та часть пространства, которая содержит и окружает тела, находящиеся в наэлектризованном или намагниченном состоянии''. С современной точки зрения есть неточность: поле - не часть пространства, а материальный объект, существующий в пространстве и времени. В дальнейшем, с созданием теории относительности, когда стало возможным устранение гипотезы эфира, поле было признано самостоятельно существующим видом материи, не нуждающимся в особом материальном носителе. Введение понятия поля как основного объекта, обеспечивающего все электромагнитные взаимодействия, акцент не на заряды и токи, а на ''порожденное'' ими поле означают окончательное утверждение в физике идеи близкодействия. 2. Теория Максвелла исходит из признания конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Из этого вытекает, что сигнал, испущенный источником, но не принятый приёмником, живет самостоятельной жизнью как реальное образование, обладающее энергией, которая, по Максвеллу, сосредоточена в поле. Энергия электромагнитного взаимодействия зависит от параметров поля (Е и В), это есть энергия поля, а не энергия зарядов и токов. Но энергия не может быть без материального носителя. Следовательно, поле является объективной реальностью. 3. Теория Максвелла по-новому поставила вопрос о взаимосвязи электричества и магнетизма. Их единство проявляется том, что изменяющееся электрическое поле порождает магнитное, а изменяющееся магнитное порождает электрическое, т. е. электрические и магнитные поля есть частные проявления единого электромагнитного поля. 4. Теория Максвелла на основе понятия поля свела в единую систему все знания по электричеству и магнетизму. Она дала возможность, зная компоненты поля (Е и В) в данной точке в данный момент времени, найти их значения в любой другой точке в любой другой момент времени, а зная характеристики поля, найти и силы, действующие на заряды и токи. Все законы электрических и магнитных взаимодействий, все законы тока, выведенные раньше, получаются из уравнений Максвелла как следствия. 5. Из решения уравнений вытекает, что электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде волн и скорость электромагнитных волн равна скорости света. Тем самым устанавливается не только существование нового объекта, но и выдвигается идея об электромагнитной природе света, а значит, устанавливается единство оптики и электромагнетизма. Теоррия электромагнитного поля Максвелла знаменовала собой начало нового этапа в физике. Именно на этом этапе развития физики электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия. Мир постепенно стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных ччастиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля. Большинство физиков высоко оценили теорию Максвелла. Пуанкаре считал её ''вершиной математической мысли''. ''Самым увлекательным предметом во время моего учения была теория Максвелла. Переход от сил дальнодействия к полям, как к основным величинам, делал эту теорию революционной'', - писал А.Эйнштейн. Но теории Максвелла ещё предстояло утвердить себя. Мост к новому образу мышления''Трактат по электричеству и магнетизму'', в котором Джеймс Кларк Максвелл подвёл итоги двухвековому развитию учения об электрических и магнитных явлениях, был издан в 1873 г. Современники называли его ''библией электричества''. Книга содержала более 1000 страниц, из которых лишь десяток относился непосредственно к знаменитым уравнениям. Сами уравнения были разбросаны по разным частям, и было их довольно много - 12. По характеру изложения ''Трактат'' был слишком сложным. Знаменитый голландский физик Г. А. Лоренц, которому было суждено впоследствии развить и продолжить электромагнитную теорию, познакомившись в молодости с уравнениями Максвелла, не смог понять их физического смысла. Анри Пуанкаре (1854-1912г.) одним из первых разобрался в многосложном изложении Максвелла. Его правильная и стройная интерпретация идей английского ученого помогла рассеять невразумительную путаницу у комментаторов этой теории. В своих лекциях Пуанкаре проводит глубокий анализ различных попыток теоретического обобщения экспериментально установленных законов электричества и магнетизма. Он подробно разбирает электродинамику Ампера и постепенно подводит слушателей к выводу о преимуществах уравнений Максвелла, наиболее полно охватывающих электромагнитные процессы и предсказывающие неизвестные ещё физике явления. Подтверждение теории Максвелла Выводы теории получают экспериментальное подтверждение в 1887 г., когда Генрих Герц (1857-1894) экспериментально получил электромагнитные волны. Генрих Рудольф Герц родился 22 февраля в Гамбурге, в семье адвоката, ставшего позднее сенатором. Учился Герц прекрасно и был непревзойдённым по сообразительности учеником. Он любил все предметы, любил писать стихи и работать на токарном станке. К сожалению, Герцу всю жизнь мешало слабое здоровье.
С 1887 г. Герц начинает ставить свои опыты. Прежде всего он находит способ генерирования самых высокочастотных в то время колебаний, используя открытый колебательный контур (вибратор Герца). Обладая малой емкостью и индуктивнстью, вибратор действительно позволял получать колебания высокой частоты, возникающие при проскакивании искр в разрядном промежутке диполя. Рядом с этим генератором находился незамкнутый виток. Герц обнаружил, что в момент разряда в генераторе происходит проскакивание искры между незамкнутыми концами витка, расположеенного генератора. Это были первые в мире передатчик и приемник.
Первый радиатор Герца; Герц использовал два метровых провода, связанных с индукционной катушкой Далее Герц заметил, что влияние генератора на приемник особенно сильно в случае резонанса (частота колебаний генератора совпадает с собственной частотой) Продолжая исследования, Герц при удалении резонатора от вибратора обнаружил, что в большом помещении с увеличением расстояния размер искр не убывает монотонно, а периодически меняется. Он объяснил это тем, что происходит интерференция прямой волны. Этот опыт наиболее убедительно доказывал, что электромагнитные волны, предсказанные Максвеллом, действительно существуют. Герц ставит опыты с целью проверки тождества световых и электромагнитных волн. Почти сразу он обнаруживает ''тень''- непрозрачность металлических листов для ''электрических лучей'', но не наблюдает огибания. Значит, диэлектрики ''прозрачны'' для волн. Но они должны вызывать преломление. И Герц обнаруживает явление преломления волн в асфальтовой призме весом более чем в тонну, причем отклонение соответствует тому, которое должно быть по Максвеллу. Последующие опыты показали существование отражения волн, а затем и и поляризацию. Герц ставит между генераторм и приемником решетку из параллельных проволок, от ориентации которой меняется интенсивность искры в приемнике. Зная период колебаний вибратора и измерив длину волны, Герц вычислил скорость распространения электромагнитных волн; она оказывается равной скорости света. Все это было излложено в работе ''О лучах электрической силы'', вышедшей в декабре 1888 г. Этот год считается годом открытия электромагнитных волн и экспериментального подтверждения теории Максвелла. В 1889 г., выступая на съезде немецких естествоиспытателей, Герц говорил:''Все эти опыты очень просты в принципе, тем не менее они влекут за собой важнейшие следствия. Они рушат всякую теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно. Они означают блестящую победу теории Максвелла. Насколько маловероятным казалось ранее её воззрение на сущность света, настолько трудно теперь не разделить зто воззрение''. Если Максвелл преобразовал представления Фарадея в математические образы, то Герц превратил эти образы в видимые и слышимые электромагнитные волны. Но даже после опытов Герца учение английского физика не получило широкого распространения. Главная причина его невосприятия - необычность предложенных идей. В общепринятом понимании тогда понимании теория Максвелла только описывала электромагнитные явления на строгом математическом языке, но не давала их объяснения. Объяснить - значило, по мнению физиков того времени, построить механическую модель явления. Механика представлялась незыблемым фундаментом всех разделов физики. Поэтому большинство учёных считало, что для завершения электромагнитной теории неоходимо ещё открыть механическую интерпретацию уравнений Максвелла. Вплену этого предвзятого представления находились все физики. Не избежал этого и Максвелл. В первых своих работах по электромагнетизму он основное внимание отводил именно механическим моделям. Подчёркивая непривлекательность одного из предложенных объяснений, Пуанкаре писал:''Можно подумать, что читаешь описание завода с целой системой зубчатых колёс, рычагами, передающими движение и сгибающимися от усилия, центробежными регуляторами и передаточными ремням''. Однако позднее Максвелл меняет свою точку зрения, он выражает желание ''просто направить внимание читателя на механические явления, которые помогут ему в понимании электрических явлений. Все подобные фразы в настоящей статье должны пониматься как иллюстративные, а не объяснительные''. В своём курсе Пуанкаре рассматривает вопрос гораздо шире: каково соотношение между механикой и электродинамикой вообще? Необходим трезвый и глубокий анализ двух теоретических схем описания физических явлений, принятых в механике и в электродинамике. Пуанкаре выделил теорию Максвелла столь же самостоятельную и фундаментальную, как и механика Ньютона. Признание двойственной природы физической реальности было самым общим преобразованием учёной мысли со времени Ньютона. Механическое мировоззрение потеряло свою монополию. Принципы построения каждой их этих теорий, по мнению Пуанкаре, должны быть совместимы с друг с другом. В противном случае теория, объясняющая одну область физических явлений, неминуемо войдёт в проитворечие с фактами, соответствующими другой области явлений. Так и произошло на самом деле. Нарушение соответствия между механикой и электродинамикой стало причиной глубокого кризиса физики. Кризис физической теории, вызванный проблемой объяснения установленных на опыте свойств света, усугубился неожиданно последовавшими как из рога изобилия величайшими открытиями совершенно новых и удивительных явлений. Начиная с 1895 года, когда Рентген открыл проникающие лучи, буквально каждый следующий год приносил ошеломляющиее открытие: 1896 год - открытие явления радиоактивности, 1897 год - открытие электрона, 1898 год - открытие радия и полония, 1899 год - открытие сложного свойства радиоактивного излучения. Пуанкаре пристально следил за крутой ломкой, происходящей в физике конца XIX века. Голландский физик Г. А. Лоренц считает, что теория Максвелла нуждается в дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. В ней свойства тел характеризуются различными коэффициентами: диэлектрической и магнитной проницаемостью, проводимостью. ''Мы не можем удовлетвориться простым введением для каждого вещества этих коэффициентов, значения которых должны определяться из опыта; мы будем принуждены обратиться к какой-нибудь гипотезе относительно механизма, лежащего в основе этих явлений. Эта необходимость привела к представлению об электронах, т. е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех весомых телах'', - писал Лоренц. Все эти вставшие перед физикой проблемы настоятельно требовали выработки новых физических понятий и представлений и создания на их основе теоретического обобщения всей совокупности недавно полученных экспериментальных данных. Пуанкаре предсказал самые неожиданные изменения законов физикии весьма определённо предрекал создание совершенно новой механики, ''которую мы лишь смутно представляем, механику, где инерция возрастала бы со скоростью, причём скорость света являлась бы непреодолимым пределом. Обычная механика, более простая, оставалась бы как первое приближение, справедливое для скоростей не слишком больших, так, что новая динамика включала бы старую''. В осуществлении этого пророчества Пуанкаре самому предстояло сыграть решающую роль. Рождение теории относительностиВ 1895 г. в работе ''Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах'' Лоренц даёт систематическое изложение электронной теории, опирающейся, с одной стороны, на теорию Максвелла, а с другой - на представление об атомарности электричества. В начале 90-х годов XIX в. Г. Лоренц на основе своей электронной теории и гипотезы о неподвижном эфире выводит уравнения электромагнитного поля для движущихся сред. И делает очень важный вывод: никакие оптические и электромагнитные опыты, проведенные в равномерно и прямолинейно движущейся системе отсчёта, не в состоянии обнаружить этого движения. Таким образом, Лоренц сформулировал принцип относительности для электромагнитных процессов. В 1904 г., называя принцип относительности в числе основных принципов физики, Пуанкаре отмечает, что ''законы физических явлений будут одинаковыми как для покоящегося наблюдателя, так и для наблюдателя, находящегося в состоянии равномерного прямолинейного движения, так что мы не имеем и не можем иметь никаких средств, чтобы различить, находимся мы в таком движении или нет''. Так принцип относительности, сформулированный Галилеем для механических явлений, в начале XX в. был распространен на любые физические процессы.
Свои результаты Планк доложил 23 марта 1906 г. на заседании Немецкого общества. Отметив, что ''принцип относительности, предложенный недавно Лоренцом и в более общей формулировке Эйнштейном'', требует пересмотров законов механики, он привёл вывод новых уравнений движения. Эта работа завершала создание релятивистской механики. В 1907 г. Эйнштейн закладывает первые основы общей теории относительности. Из общей теории относительности был получен ряд важных выводов: 1.Свойства пространства - времени зависят от движущейся материи. 2. Луч света, обладающий инертной, а следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения. 3. Частота света в результате действия поля тяготения должна изменяться. Заслуга разработки принципа относительности принадлежит Пуанкаре (он разроботал целиком математический аппарат теории относительности), Лоренцу, Планку и Эйнштейну. Литература
|
| | На первую страницу | Поиск | Купить Matlab | |
|
|