СОДЕРЖАНИЕ
ИССЛЕДОВАНИЯПО ЭЛЕКТРОСТАТИКЕИ МАГНИТОСТАТИКЕ
Первыесведения обэлектричествеи магнетизме
Изучениеэлектрическихи магнитныхявлений по-настоящемуначинаетсятолько в XVIII в. Нопервые сведенияоб этих явленияхбыли известныуже древним.
Древниегреки зналисвойство натертогоянтаря притягиватьмелкие предметы.Само слово«электричество»происходитот греческогослова «электрон», что значитпо-русски янтарь.
Древниегреки зналитакже, что существуетособый минерал- железная руда(магнитныйжелезняк), способныйпритягиватьжелезные предметы.3алежи этогоминерала находилисьвозле городаМагнесии. Названиеэтого городапослужилоисточникомтермина «магнит».
Древниене исследовалини электрических, ни магнитныхявлений. Однакоони попыталисьдать объяснениеэтим явлениям.
Самоепервое объяснениесвойств магнитапритягиватьжелезо заключалосьв том, что магнитуприписывалась«душа», котораязаставляламагнит притягиватьжелезо илипритягиватьсяк железу.
Приэтом магнитпредставлялиподобно живомусуществу. Живоесущество, напримерсобака, видиткусок мяса истремится кнему приблизиться.Подобно этомумагнит как бывидит железои стремитсяк нему притянуться.
Этообъяснениевесьма примитивнос нашей точкизрения. Однакотакого родаобъяснения, когда предметынеживой природыодушевлялись, были характернымидля древних, которые верилив существованиецелого рядабогов, духови т. д.
Но вдревностиначала развиватьсяи материалистическаяфилософия.Философы-материалистыДревней Грецииотвергалисуществованиедухов и пыталисьобъяснить всеявления природыестественнымизаконами.
Ониучили, что всетела состоятиз мелкихматериальныхнеделимыхчастиц — атомов.По их мнению, кроме атомови пустоты, вкоторой атомыдвижутся, ничегоне существует.Все явленияприроды объясняютсядвижениематомов. Самослово «атом»греческогопроисхождения.Оно означает«неделимый».
Философы, верившие всуществованиеатомов, из которыхсостоит природа, получили названиеатомистов.Одним из родоначальниковэтой философиибыл древнегреческийфилософ Демокрит(460 — 370 до н.э.). Философы-атомистыпытались датьобъяснениеэлектрическими магнитнымявлениям безобращения кспециальным«душам» и «духам».
Первыеуспехи в исследованиимагнитныхявлений в средниевека
В средниевека изучениемагнитныхявлений приобретаетпрактическоезначение. Этопроисходитв связи с изобретениемкомпаса.
Ужев XII в. в Европестал известенкомпас какприбор, с помощьюкоторого можноопределитьнаправлениена части света.О компасе европейцыузнали от арабов, которым былоуже к этомувремени известносвойство магнитнойстрелки. Ещераньше, вероятно, такое свойствознали в Китае.
Начинаяс XII в. компас всешире применялсяв морскихпутешествияхдля определениякурса корабляв открытомморе.
Практическоеприменениемагнитныхявлений приводилок необходимостиих изучения.Постепенновыяснялся целыйряд свойствмагнитов.
В 1600 г.вышла книгаанглийскогоученого Гильберта«О магните, магнитных телахи большом магните- Земле». В нейавтор описалуже известныесвойства магнита, а также собственныеоткрытия.
Ещераньше узнали, что магнитвсегда имеетдва полюса. Онибыли названыпо имени частейсвета — северныйполюс и южныйполюс. В числесвойств магнитаГильберт указывална то, что одинаковыеполюсы отталкиваются, а разноименныепритягиваются.
Гильбертпредполагал, что Земляпредставляетсобой большоймагнит. Чтобыподтвердитьэто предположение, Гильберт проделалспециальныйопыт. Он выточилиз естественногомагнита большойшар. Приближаяк поверхностишара магнитнуюстрелку, онпоказал, чтоона всегдаустанавливаетсяв определенномположении, также как стрелкакомпаса на3емле.
Гильбертописал явлениемагнитнойиндукции, способынамагничиванияжелеза и сталии т. д. КнигаГильбертаявилась первымнаучным исследованиеммагнитныхявлений.
Развитиеучения обэлектричествев XVII и XVIII вв.
доизобретениялейденскойбанки
В своейкниге Гильберткоснулся иэлектрическихявлений. Нужноотметить, чтохотя в то времямагнетизм иэлектричестворассматривалиськак явленияразной природы, тем не менееочень давноученые заметилив них многообщего. Поэтомуне случайново многих работахисследовалисьодновременнои магнитныеи электрическиеявления. В частности, изучение магнетизмавызвало интереск исследованиюэлектрическихявлений.
Такбыло и у Гильберта.Изучая магнитныеявления, что, как мы говорили, имело практическийинтерес, онуделил вниманиеи электричеству, хотя оно в товремя в практикене использовалось.
Гильбертоткрыл, чтонаэлектризоватьможно не толькоянтарь, но иалмаз, горныйхрусталь и ряддругих минералов.В отличие отмагнита, которыйспособен притягиватьтолько железо(других магнитныхматериаловв то время незнали), наэлектризованноетело притягиваетмногие тела.
Новыйшаг к изучениюэлектрическихявлений былсделан немецкимученым Герике.В 1672 г. вышла егокнига, в которойбыли описаныопыты по электричеству.Наиболее интереснымдостижениемГерике былоизобретениеим «электрическоймашины». «Электрическаямашина» представляласобой шар, сделанныйиз серы и посаженныйна железныйшест. Герикевращал этотшар и натиралего ладоньюруки. Впоследствииученый несколькораз усовершенствовалсвою «машину».
Несмотряна простотуприбора, Герикесмог с его помощыосделать некоторыеоткрытия. Так, он обнаружил, что легкие теламогут не толькопритягиватьсяк наэлектризованномушару, но и отталкиватьсяот него.
В XVIII в.изучениеэлектрическихявлений пошлобыстрее. В первойполовине этогостолетия былиоткрыты новыефакты.
В 1729 г.англичанинГрей открылявление электропроводности.Он установил, что электричествоспособно передаватьсяот одних телк другим пометаллическойпроволоке. Пошелковой нитиэлектричествоне распространялось.В связи с этимГрей разделилвсе тела напроводникии непроводникиэлектричества.
3атемфранцузскийученый Дюфеспустя пятьлет выяснил, что существуетдва рода электричества.Один вид электричестваполучаетсяпри натираниистекла, горногохрусталя, шерстии некоторыхдругих тел. ЭтоэлектричествоДюфе назвалстекляннымэлектричеством.
Второйвид электричестваполучаетсяпри натиранииянтаря, шелка, бумаги и другихвеществ. Этотвид электричестваДюфе назвалсмоляным. Ученыйустановил, чтотела, наэлектризованныеодним видомэлектричества, отталкиваются, а разными видами,- притягиваются.
Впоследствиистеклянноеэлектричествобыло названоположительным, а смоляное — отрицательным.Это названиепредложиламериканскийученый и общественныйдеятель Франклин.При этом онисходил изсвоих взглядовна природуэлектричества.
Изобретениелейденскойбанки и первыеэлектрическиеприборы
Оченьважным шагомв развитииучения обэлектричествебыло изобретениелейденскойбанки, т. е. электрическогоконденсатора.
Лейденскаябанка былаизобретенапочти одновременнонемецким физикомКлейстом иголландскимфизиком Мушенбрукомв 1745 — 1746 гг. Своеназвание онаполучила поимени городаЛейдена, гдеМушенбруквпервые проделалс ней опыты поизучениюэлектрическихявлений.
Мушенбруктак описывалсвое изобретениев письме кфранцузскомуученому Реомюру:«Хочу сообщитьВам новый, ноужасный опыт, который несоветую повторять.Я занималсяизучениемэлектрическойсичы. Для этогоя подвесил надвух шелковыхголубых нитяхжелезный ствол, получающийэлектричествоот стеклянногошара, которыйбыстро вращалсявокруг оси инатиралсяруками. На другомконце виселамедная проволока, конец которойбыл погруженв стеклянныйкруглый сосуд, заполненныйнаполовинуводой, которыйя держал в правойруке; левой жерукой я пыталсяизвлекать изэлектрическогоствола искру.Вдруг моя праваярука была пораженаударом с такойсилой, что всетело содрогнулось, как от ударамолнии.
Несмотряна то что сосуд, сделанный изтонкого стекла, не разбиваетсяи кисть рукиобычно не смещаетсяпри таком потрясении, тем не менеелокоть и всетело поражаютсястоль страшнымобразом, чтоя не могу выразитьсловами, я думал, что пришелконец».
Вскорелейденскаябанка былаусовершенствована: внешнюю и внутреннююповерхностьстеклянногососуда сталиобклеиватьметаллическойфольгой. В крышкубанки вставлялиметаллическийстержень, которыйсверху заканчивалсяметаллическимшариком, а нижнийконец стержняпри помощиметаллическойцепочки соединялсяс внутреннейобкладкой.
Лейденскаябанка являетсяобычным конденсатором.Когда внешнююобкладку еезаземляют, аметаллическийшарик соединяютс источникомэлектричества, то на обкладкахбанки скапливаетсязначительныйэлектрическийзаряд и при ееразряде можетпротекатьзначительныйток. Получениебольших зарядовс помощь лейденскойбанки значительноспособствовалоразвитию ученияоб электричестве.
П/>реждевсего усовершенствоваласьаппаратурадля исследованияэлектрическихявлений, в частностиэлектрическиемаслины. Этобыли, как и перваямашина Герике, такие устройства, в которыхэлектрическийзаряд получалсяв результатенатираниястеклянногоили эбонитовогодиска кожейили другимиподобнымиматериалами.
3атемпоявился первыйэлектроизмерительныйприбор — электрометр.Его историяначинаетсяс электрическогоуказателя, созданногоРихманом вскорепосле изобретениялейденскойбанки. Этотприбор состоялиз металлическогопрута, к верхнемуконцу которогоподвешиваласьльняная нитьопределеннойдлины и веса.При электризациипрута нитьотклонилась.Угол отклонениянити измерялсяс помощью шкалы, прикрепленнойк стержню иразделеннойна градусы.
В последующеевремя былиизобретеныразличнойконструкцииэлектрометры.Так, например, электрометр, созданныйиталянцемБеннетом, имелдва золотыхлисточка, повсещенныхв стетслянныйсосуд. Приэлектризациилисточки расходились.Будучи снабженшкалой, такойприбор могизмерять, кактогда говорили,«электрическуюсилу. Но чтотакое «злектрическаясила», этогоеще никто незнал, т. е. неизвестнобыло, какуюфизическуювеличину измеряетэтот прибор.Данный вопросбыл выяснензначительнопозже.
Первыешаги в практическомпримененииучения
обэлектрическихявлениях
Хотяучение обэлектрическихявлениях началоиграть существеннуюроль в практическойжизни лишьначиная с серединыXIX в., тем не менеепервые попыткипрактическогоприменениязлектричестваотносятся ужек серединеXVIII в.
Послеизобретениялейденскойбанки, когдаученые смоглинаблюдатьсравнительнобольшие искрыпри электрическомразряде, возникламысль об электрическойприроде молнии.
Известныйамериканскийученый и общественныйдеятель БенджаминФранклин (1706 — 1790) высказал этуидею в письмев Лондонскоекоролевскоеобщество в 1750г.
В этомписьме он объяснялтакже, как можнопроверитьвысказанноепредположение.Он предлагалпоставить набашню будку, на крышу которойвывести железныйшест. Помещенныйвнутри будкичеловек в случаегрозы мог быизвлекать изшеста электрическиеискры.
Содержаниеписьма Франклинастало известново Франции. Онем узнал французДалибар, которыйв мае 1752 г. проделалопыт, о которомписал Франклин.
У себяв саду, возлеПарижа, Далибарустановилвысокий железныйшест, изолировавего от земли.В то время когдасобираласьгро: за, он попробовализвлечь электрическиеискры из шеста.Опыт удался.Действительно, Далибару удалосьполучитьэлектрическиеискры.
В томже году, летом, Франклин вАмерике проделалпохожий опыт.Вместе со своимсыном он запустилзмей во времягрозы. Когданить, которойбыл привязанзмей, намокла, то из нее можнобыло извлекатьэлектрическиеискры. Франклинудаже удалосьзарядить приэтом лейденскуюбанку.
Послетого как обопытах Франклинастало известнов Петербурге, подобными жеопытами занялисьрусские академикиРихман и Ломоносов.Они устроилиболее удобнуюустановку дляизучения атмосферногоэлектричества, названнуюгромовой машиной.
Громоваямашина представляласобой заостренныйжелезный шест, установленныйна крыше дома.От железногошеста в дом шлапроволока.Конец этойпроволоки былсоединен сэлектрцческимуказателем, т.е. с простейшимэлектрометром, изобретеннымРихманом.
С громовоймашиной и Рихмани Ломоносовпроделали многоопытов. Ломоносовоткрыл, чтоэлектрическиезаряды в атмосферепоявляютсяне только вовремя грозы, но и без нее.На основе своихопытов Ломоносовсоздал первуюнаучную теориюобразованияэлектричествав атмосфере.
Летом1753 г. случилосьнесчастье.Собираласьгроза, и Рихманпришел к своейгромовой машине, чтобы наблюдатьэлектри ческиеразряды. Вдругв комнате появиласьшаровая молнияпроизошелэлектрическийразряд — и ученыйбыл убит.
Впечатлениемот трагическойсмерти Рихмананемедленновоспользовалосьдуховенствов целях борьбыс безбожием.Попы и монахистали распространятьмысль о том, что Рихман былнаказан богомза дерзкиеопыты.
Послетого как былавыясненаэлектрическаяприрода грозывозникла идеяустройствагромоотводадля предохранениязданий от пожаровв результатепопадания вних молнии.
Громоотводыбыстро вошлив практику. Этобыло первоепрактическоеприменениеучения обэлектрическихявлениях. Оноспособствовалоразвитию научныхисследованийпо электричествувообще.
Следуетотметить, чтодуховенствои позже враждебноотносилоськ исследованияматмосферногоэлектричестваи к использованиюгромоотводов, полагая, чтозащита от ударовмолний — безбожноезанятие.
Второйпопыткойиспользованияэлектричествадля практическихцелей былоприменениеего для леченияболезней.
Какмы видели выше, уже Мушенбрук, описывая изобретениелейденскойбанки, обратилвнимание насильное и необычноедействиеэлектрическогоразряда начеловека.
Вскореэтим действиемзаинтересовалисьврачи. Возникламысль о том, что в живоморганизмесуществуютэлектрическиетоки, которыеиграют в немкакую-то важнуюроль. Вместес этим пришлоубеждение овозможностипримененияэлектричествадля леченияболезней.
С этойцелью сталипроизводитьопыты по электризациилюдей, пропусканиючерез телочеловекаэлектрическоготока и т. д. Былнаписан рядкниг по исследованиюдействияэлектричествана организмчеловека. Вкачестве примераможно указатьна книгу Марата, известногодеятеля французскойреволюции, врача по специальности.Он написал в1783 г. «Трактато медицинскомэлектричестве», который былудостоен специальнойпремии. Однаковсе такиеисследованияв то время непривели к каким-либоположительнымпрактическимрезультатам.Действительноеприменениеэлектричествадля леченияболезней началосьгораздо позже.Но такие исследованиясыграли большуюроль в усиленииинтереса кисследованиямэлектрическихявлений вообще.Больше того, как мы увидимниже, именноисследованиевлияния электричествана живой организмпривело к открытиюитальянскимврачом Гальванитак называемогогальваническогоэлектричества.
Историяпримененияэлектрическихявлений в медицинеочень интереснатем, что онапоказывает, как новые открытияв области физическихнаук бываютвызваны задачамидругих наук(в данном случаемедицины).
Первыетеории электричества
Вместес ускорившимсяразвитиемопытного исследованияэлектрическихявлений возникаюти теории этихявлений.
Конечно, еще до серединыXVIII в. существовалинекоторыесоображенияо природеэлектричества.Но они быливесьма примитивными.В большинствеслучаев электрическиедействия объяснялисьналичием вокругзаряженныхтел некихэлектрическихатмосфер.
В серединеXVIII в. появляютсяуже болеесодержательныетеории электрическихявлений. Этитеории можноразделить надве основныегруппы.
Перваягруппа — этотеории злектрическихявлений, основанныена принципедальнодействия.
Втораягруппа — этотеории, в основукоторых положенпринцип бнизкодействия.
Остановимсясначала наразвитии теориидальнодействия, которая получилав XVIII в. почти всеобщеепризнание.Основоположникамитеории дальнодействиябыли Франклини петербургскийакадемик Эпинус.
Франклинеще в 40-х г. XVIII в.построил теориюэлектрическихявлений. Онпредположил, что существуетособая электрическаяматерия, представляющаясобой некуютонкую, невидимуюжидкость. Частицыэтой материиобладают свойствомотталкиватьсядруг от другаи притягиватьсяк частицамобычной материи, т. е. к частицамвещества, посовременнымпонятиям.
Электрическаяматерия присутствуетв телах в определенныхколичествах, и в зтом случаеее присутствиене обнаруживается.Но если в телепоявляетсяизбыток этойматерии, тотело электризуетсяположительно; наборот, еслив теле будетнедостатокэтой материи, то тело электризуетсяотрицательно.Название(«положительноеи отрицательноеэлектричество», которое таки осталось внауке, принадлежитФранклину.
Электрическаяматерия, поФранклину, состоит изособо тонкихчастиц, поэтомуона может проходитьсквозь вещество.Особенно легкоона проходитчерез проводники.
Изтеории Франклинаследует оченьважное положениео сохраненииэлектрическогозаряда. Действительно, для создания, например, отрицательногозаряда на каком-либотеле нужно отнего отнятьнекотороеколичествоэлектрическойжидкости, котораядолжна перейтина другое телои образоватьтам положительныйзаряд такойже величины.После соединенияэтих тел электрическаяматерия вновьраспределитсямежду ними так, чтобы эти теластали электрическинейтральными.
ЭтоположениеФранклиндемонстрировална опыте. Двачеловека стоятна смоляномдиске (для изоляцииих от окружающихпредметов иземли). Одинчеловек натираетстекляннуютрубку. Другойкасается этойтрубки пальцеми извлекаетискру. Оба человекатеперь оказываютсянаэлектризованными: один — отрицательнымэлектричеством, другой — положительным.Но при этом ихзаряды равныпо абсолютнойвеличине. Послесоприкосновениялюди потеряютсвои зарядыи станут электрическинейтральными.
ТеорияФранклина быларазвита ФранцемЭпинусом (1724 — 1802). При этом Эпинускак бы брал заобразец теориютяготенияНьютона.
Ньютонпредположил, что между всемичастицамиобычных телдействуютдальнодействующиесилы. Эти силыцентральные, т.е. они действуютпо прямой, соединяющейчастицы.
Эпинусже предполагает, что между частицамиэлектрическойматерии такжедействуютцентральныедальнодействующиесилы. Толькосилы тяготенияявляются силамипритяжения, силы же, действующиемежду частицамиэлектрическойматерии, — силамиотталкивания.Кроме того, между частицамиэлектрическойматерии и частицамиобычного вещества, так же как и уФранклинадействуют силыпритяжения.И эти силы аналогичносилам тягогенияявляютсядальнодействующимии центральными.
ДалееЭпинус подобноНьютону говорит, что введенныеим силы нужнопризнать какфакт и что внастоящее времянельзя объяснить, каким образомони действуютчерез пространство.Придумыватьже необоснованныегипотезы онне желает. Здесьон полностьюкопирует Ньютона.
Эпинусидет дальше, сравнивал силытяготения иэлектрическиесилы. Он предполагает, что силы, действующиемежду частицамиэлектрическойматерии, «изменяютсяобратно пропорциональноквадрату расстояния.Так можнопредполагатьс некоторымправдоподобием, ибо в пользутакой зависимости, по-видимому, говорит аналогияс другими явлениямиприроды». Этапредполагаемаяаналогия и даетвозможностьЭпинусу построитьтеорию электрическйхявлений.
Однойиз интересныхего работ былоисследованиеэлектрическойиндукции. Эпинуспоказал, чтоесли к проводникуприблизитьзаряженноетело, то напроводникепоявляютсяэлектрическиезаряды. Приэтом сторонаего, к которойподносят заряженноетело, электризуетсязарядом противоположногознака. И наоборот, на удаленнойчасти проводникаобразуетсязаряд того жезнака, что и наподнесенномтеле.
Еслиубрать заряженноетело, то проводникснова становитсянезаряженным.Но если проводникможет бытьразделен надве части вприсутствиизаряженноготела, то получатсядва проводника, заряженныеразноименнымизарядами, которыеостанутся ипри удалениииндуцирующегозаряда.
Эпинусподтвердили закон сохраненияэлектрическогозаряда. Он писал:«Если я хочув каком-либотеле увеличитьколичествоэлектрическойматерии, я долженнеизбежно взятьее вне его и, следовательно, уменьшить еев каком-либодругом теле».
Одновременнос теориейэлектрическихявлений, основаннойна представлениио дальнодействии, появляютсятеории этихявлений, в основекоторых лежитпринцип близкодействия.Одним из родоначальниковэтой теорииможно считатьЛомоносова.
Ломоносовбыл противникомтеории дальнодействия.Он считал, чтотело не можетдействоватьна другие мгновенночерез пустоеили заполненноечем-либо пространство.
Онполагал, чтоэлектрическоевзаимодействиепередаетсяот тела к телучерез особуюсреду, заполняющуювсе пустоепространство, в частностии пространствомежду частицами, из которыхсостоит «весомаяматерия», т. е.вещество.
Электрическиеявления, поЛомоносову, следует рассматриватькак определенныемикроскопическиедвижения, происходящиев эфире. То жесамое относитсяи к магнитнымявлениям.
На точкезрения близкодействинв теории электричестваи магнетизмастоял и другойпетербургскийакадемик — Л.Эйлер. В серединеXVIII в., как и Ломоносов, он выступилза теориюблизкодействия.Он предполагалсуществованиеэфира, движениеми свойствамикоторого объяснялнаблюдаемыеэлектрическиеявления.
ОднакотеоретическиепредставленияЛомоносоваи Эйлера в товремя не моглиполучить развития.Вскоре былоткрыт законКулона. Он былпо своей форметаким же, каки закон всемирноготяготения, и, естественно, его пониманиебыло таким же, как и пониманиезакона тяготения.Таким образом, закон Кулонабыл восприняткак доказательствотеории дальнодействия.
Послеоткрытия законаКулона теориядапьнодействиясовсем вытесняеттеорию близкодействия.И только в XIX в.Фарадей возрождаеттеорию близкодействия.Однако ее всеобщеепризнаниеначинаетсясо второй половиныXIX в., после экспериментальногодоказательстватеории Максвелла.
--PAGE_BREAK--Историяоткрытия законаКулона
Основнойзакон электростатики- закон Кулона- был установленфранцузскимфизиком Кулономв 80-х гг. XVIII в.
Однакоистория егооткрытия начинаетсяраньше. Этаистория показываетодин из путей, по которомуразвиваетсяфизика, — путьпримененияаналогии, окотором мыупоминали выше.
Мывидели, чтоЭпинус ужедогадывалсяо том, что силавзаимодействиямежду электрическимизарядами обратнопропорциональнаквадрату расстояниямежду ними. Иэта догадкавозникла наоснове некоторойаналогии междусилами тяготенияи электрическимисилами.
Ноаналогия неявляетсядоказательством.Вывод из аналогиивсегда требуетпроверки. Опираясьтолько на аналогию,.можно прийтии к невернымрезультатам.Эпинус не проверилсправедливостьданной аналогии, и поэтому еговысказываниеимело толькопредположительныйхарактер.
Иначепоступил английскийученый ГенриКавендиш (1731 — 1810). Он также исходилиз аналогиимежду силамитягогения исилами электрическоговзаимодействия.Но он пошелдальше, нежелиЭпинус, и проверилна опыте выводы, вытекающиеиз нее.
Дадимпредставлениеоб исследовании, выполненномКавендишем.
Былоизвестно, чтоесли взятьполый шар сравномернораспределенноймассой, т.е. спостояннойплотностью, то мила тяготениядействующаявнутри шарана какую-либомассу, будетравна нулю. Этоследует изпросых соображений.Попытаемсяих понять.
П/>
редставимсебе оченьтонкий шаровойслой, образованныйдвумя оченьблизкими сферами, имеющими одини тот же центр.Пусть, например, радиус внешнейсферы будетR, а толщинаслоя ./>Плотностьматериала, изкоторого состоитшаровой слой,.
Определимсилу тяготения, действующуюсо сторонынашего слояна материальнуюточку, помещеннуювнутри негов какой-то точкеа.
Дляэтой цели проведемчерез точкуа и центр прямую). Этапрямая пересечетвнешнюю сферув двух точкахС и С'. Построимтеперь на поверхностисферы вокругточки С оченьмаленькийчетырехугольник1, настолькомаленький, чтоего можнорассматриватькак плоскийквадрат. Обозначимуглы этогоквадратаd1, d2, d3,d4.Пусть его площадьS, объемсоответствующегоэлемента шаровогослоя V.
Проведемзатем прямыелинии черезточку а иточки d1, d2,d3, d4. Эти прямыепересекут сферувторично вточках d1',d2', d3',d4'. Соединивэти точки, мыполучим второйчетырехугольник2, которыйтакже можнобудет рассматриватькак плоскийквадрат. Пустьего площадьбудет S', а соответствующийэлемент объемашарового слоябудет V'.
Легковидеть, чтосила тяготения, действующаяна массу m, помещеннуюв точке a, со стороныэлементовшарового слояV и V', будет равнанулю. Действительно, массы этихэлементов будутотноситьсякак площадиквадратов Sи S'. Всвою очередь, площади квадратовS и S'будут прямопропорциональныквадратам ихсторон, следовательно, прямо пропорциональныквадратамрасстоянийэтих элементовдо точки а — Са и С'а.
Такимобразом, силытяготения, действующиена массу состороны элементов1 и 2, будутпрямо пропорциональныквадратамрасстоянийэтих элементовдо точки а.Но с другойстороны, этисилы по законувсемирноготяготениядолжны быть, наоборот, обратнопропорциональныквадратамрасстоянийэтих элементовдо точки а.
Учитывая, что силы, действующиесо стороныпротивоположныхэлементов, имеют противоположныенаправления, приходим квыводу, чтосумма этих силдолжна бытьравна нулю.
Отсюдасейчас же следуети общий выводо равенственулю силы тяготения, действующейна массу, помещеннуювнутрь шаровогослоя.
Действительно, ведь мы можемвесь шаровойслой разбитьна маленькиеэлементы, подобныеэлементам 1.И для любогоэлемента всегданайдется другойэлемент, действиекоторого намассу будетпрямо противоположным.В результатеэтого силатяготения, действующаявнутри шаровогослоя на массу, будет равнанулю. Таковрезультат, ккоторому мыпришли. Нужнотолько подчеркнуть, что этот результатсправедливдля случая, когда силаобратно пропорциональнаименно квадратурасстояния.Если бы силабыла пропорциональнарасстояниюв другой степени, такого результатамы бы не получили.
Полученныйвывод мы можемсейчас же перенестина случайэлектрическихсил.
Представимсебе опятьтонкий шаровойслой, на поверхностикоторого равномернораспределенэлектрическийзаряд. Поместимвнутрь этогослоя другойзаряд. Еслисила взаимодействиямежду зарядамиобратно пропорциональнаквадратамрасстояниймежду ними, топо аналогиис п сила, действующаяна него со стпо шаровомуслою, будетравна нулю.Если поместитьвнутрь слоявторой такойже заряд тогоже знака, тоони будутотталкиватьсядруг от другаи двигатьсяв противоположныестороны.
Кавендишв 70-х гг. XVIII в. проделалтакой опыт. Онвзял заряженныйметаллическийшар и поместилего внутрьполого металлическогошара, образованногодвумя полушариями.Внешний полыйшар сначалабыл не заряжен.
3атемвнутреннийшар тонкойпроволокойсоединялсяс внешним шаром, для чего былосделано в последнеммаленькоеотверстие.Через некотороевремя полушарияразъединялии освобождаливнутреннийшар. После этогосоединяли егос электроскопом.
Чтопоказывалэлектроскоп? Если правильнопредположение, что силы взаимодействиямежду зарядами(в данном случаесилы оттанкивания)обратно пропорциональныквадрату расстояниямежду ними, тоэлектроскоппокажет отсутствиезаряда.
Действительно, как тольковнутреннийшар соединялипроволокойс полушариями, так сейчас жеэлектричествоначинало перетекатьс шара по проволокена полушария, равномернораспределяясьна них. Ведьмежду зарядами, находящимисяна таре, действоваласила отталкивания, но пока шаризолирован, заряды не моглиего покинуть.Попав же навнешний шар, заряды равномернораспределялисьна его поверхности, и их действиена заряд, находящийсявнутри шара, прекращалось.
Перетеканиезарядов с внутреннегошара на внешнийбудет происходитьдо тех пор, покаони все не покинутвнутреннийшар. ОтсюдаКавендиш исделал выводо том, что силывзаимодействиямежду электрическимизарядами обратнопропорциональныквадрату расстояниямежду ними.
Такимобразом, мыдолжны сказать, что Кавендишпервым экспериментальноустановил законвзаимодействияэлектрическихзарядов. Однакоон не обнародовалсвоего открытия.И эта работаоставаласьпри его жизнинеизвестной.О ней узналигораздо позже, только в серединепрошлого столетия, после того какМаксвелл опубликовалее. Конечно, кэтому времениона имела ужечисто историческийинтерес.
Не знаяоб исследованияхКавендиша, французскийученымй ШарльКунон (1736 — 1806) в 80-хгг. XVIII в. проделалряд опытов иустановилосновной законэлектростатики, получившийего имя.
Кулонустановил, во-первых, чтосила взаимодействиямежду точечнымизарядами обратнопропорциональнаквадрату расстояниямежду ними. Этасила будетсилой отталкивания, если зарядыодноименные, и силой притяжения, если зарядыразноименные.
Во-вторых, Кулон ввелпонятие количестваэлектричестваи определил, что сила взаимодействиямежду зарядамипропорциональнаих величине.
Кулонтакже экспериментальноисследовалсилы взаимодействиямежду магнитами.На основанииданных экспериментаи полагая, чтонаряду с электрическимисуществуюти магнитныезаряды, Кулонпришел к заключению, что силы взаимодействиямежду магнитнымизарядами илимагнитнымимассами такжеобратно пропорциональныквадрату расстояниямежду ними.
В/>
связи с этимзакон Кулонадля взаимодействиямагнитов сталивыражать какзакон взаимодействиямежду магнитнымимассами m1 и m2 ввиде формулы:
В последующем, уже в XIX в. выяснилось, что магнитныхзарядов несуществует.Но закономКулона длямагнитов продолжалипользоваться, хотя ему ужепридавали инойсмысл, нежелитот, которыйвкладывал внего Кулон.
Введениепонятия потенциалавэлектростатику
Открытиезакона Кулонабыло оченьважным шагомв развитииучения обэлектричествеи магнетизме.Это был первыйфизическийзакон, выражающийколичественныесоотношениямежду физическимивеличинамив учении обэлектричествеи магнетизме.
С помощьюэтого законаможно былорешать задачио нахождениисил, действующихна заряды состороны другихзарядов, какугодно расположенныхв пространстве.Если это былиточечные заряды, то подобныезадачи решалисьсразу непосредственнымприменениемзакона Кулона.Если же зарядыраспределялисьв телах непрерывнопо объему илипо поверхности, то нужно быловвести понятиеобъемной илиповерхностнойплотностизарядов. Именнокогда зарядынепрерывнораспределялисьпо объему, топлотностьзаряда определяласьвеличинойq/V, где V — элемент объема, а q — заряд, находящийсяв этом объеме, совсем так же, как определяетсяплотностьвещества вслучае неравномерногораспределениямасс в теле.
Аналогичнои поверхностнаяплотностьзаряда определяетяпо формуле: = q/S, где S — элемент поверхности, а S — заряд, приходящийсяна этот злементповерхности.
Далее, для определениясил, действующихна заряженныетела в случаенепрерывногораспределениязарядов, поступалианалогичнотому, как поступалив теории тяготениядля случаянепрерывнораспределенныхмасс.
Объемили поверхностьрассматриваемыхтел разбивалина элементыобъема илиэлементы поверхностии для взаимодействиязарядов, находящихсяв этих элементахобъема или наэтих элементамиповерхности, применялинепосредственнозакон Кулона, поскольку такиезаряды можнобыло считатьточечными.
Однакотакого родазадачи непредставлялибольшого интереса.Гораздо болееинтереснымии важными былизадачи, в которыхтребовалосьопределитьраспределениезарядов напроводниках.
Такова, например, задачао распределенииэлектричествана проводникезаданной формы.
Имеетсяпроводникзаданной формы.Ему сообщаютопределенныйэлектрическийзаряд. Нужнонайти, какраспределитсяэтот заряд напроводникеи какова будет«электрическаясила» в пространстве, окружающемэтот проводник.Мы сказали«электрическаясила»), а ненапряженностьэлектрическогополя потому, что еще ни понятияполя, ни понятиянапряженностине было. Говорилио силе, котораядействует назаряд, помещенныйв какую-либоточку пространства.
Длярешения этойзадачи сразуприменять законКупона нельзя, потому чтораспределениезарядов неизвестно.Как же поступитьв этом случае?
УжеКулон наметилпуть решенияэтой задачи.Он установил, что электрическийзаряд располагаетсятолько на поверхностипроводника, но с различнойповерхностнойплотностью.При этом, какуже было ясно,«электрическиесилы», действующиевнутри проводника, должны бытьравны нулю.
Этотпринцип положилв основу разработаннойим теориираспределениязарядов попроводникуфранцузскийученый Пуассонв начале XIX в.
Пуассон(так же как иКулон) считалв противоположностьмнениям Франклинаи Эпинуса, чтосуществуютдве электрическиежидкости(положительноеи отрицательноеэлектричество).Частицы однойи той же жидкостиотталкиваются, а разных — притягиваются.Силы притяженияи отталкиванияопределяютсязаконом Кулона.
В незаряженномсостоянии втеле имеютсяравные количестваэлектричестваобоих знаков.Они распределеныравномернои не обнаруживаютсебя. Телоприобретаетэлектрическийзаряд, если емусообщаетсядополнительноеколичествоэлектричестватого или иногознака.
В проводникахэлектрическиечастицы передвигаютсясвободно, внепроводникахих передвижениезатруднено.
Еслипроводящемуэлектричествотелу сообщаютэлектрическийзаряд, то электрическиечастицы, отталкиваясьдруг от друга, будут стремитьсяк поверхностипроводника.И так как проводникокружен непроводящимвоздухом, тоэлектричествобудет скапливатьсятонким слоемна его поверхности.Этот процесспойдет до техпор, пока всечастицы электрическойматерии несоберутся наповерхности.И в этом случаеэлектрическиесилы внутрипроводникастанут равныминулю, какимиони были и дотого, как проводникусообщилиэлектрическийзаряд.
Равенствонулю «электрическойсилы» внутрипроводникаявляется главнымусловием, наоснове которогоможно решатьзадачу о распределенииэлектрическогозаряда в проводнике.И так как этотзаряд располагаетсяна его поверхности, то определяютповерхностнуюплотностьэлектричествана этом проводнике.
Пользуясьуказаннымпринципом, Пуассон решаетзадачу о распределенииплотностиэлектрическогозаряда напроводниках, имеющих формушара, эллипсоида, двух соприкасающихсяшаров. Что касаетсяраспределениязаряда на поверхностишара, то этазадача решаетснсразу, исходяиз симметриифигуры. Действительно, ведь все точкиповерхностишара совершенноодинаковы, инет никакогооснования длятого, чтобы вкакой-либоточке плотностьэлектрическогозаряда отличаласьбы от его плотностив другой точке, Поэтому мыприходим кзаключению, что электрическийзаряд распределяетсяс равномернойплотностьюпо всей поверхностишара.
Решаязадачи нараспределениеэлектричествапо поверхностипроводников, Пуассон пришелк мысли ввестинекоторуюфункцию, зависящуюот координат, которая облегчалабы решениезадач. Оназамечательнатем, что принимаетпостоянноезначение наповерхностипроводника.
Изучилсвойства этойфункции и широкоприменил еедля решениязадач на распределениеэлектрическихзарядов английскийученый Грин, который и назвалэту функциюпотенциальной.Впоследствииже она получиланаименованиепотенциалаэлектрическогополя.
Гринвыяснил, чтофизическийсмысл имеетне сама этафункция, а разностьее значенийдля различныхточек пространства.В различныхточках проводниказначение функциивсегда одинаково.Говоря современнымязыком, поверхностьпроводникаявляетсяэквипотенциальнойповерхностью.
ПомимоГрина, теориюпотенциаларазрабатывалнемецкий математикГаусс.
Понятиепотенциалаэлектрическогополя непосредственносвязано с понятиемпотенциальнойэнергии. Действительно, потенциал вданной точкеравен потенциальнойэнергии, которойобладает единичныйположительныйзаряд, помещенныйв эту точку.При этом значениепотенциала, так же как ипотенциальнойэнергии, определяетсяс точностьюдо произвольнойпостоянной.В связи с этимследует говоритьне о потенциаледанной точки, а о разностипотенциаловмежду двумяточками (илипотенциаледанной точкиотносительнопотенциаладругой выбраннойточки). Потенциал, так же как ипотенциальнаяэнергия, определяетсяработой, производимойэлектрическимисилами приперемещениизаряда в пространстве.Именно разностьпотенциаловдвух точекэлектрическогополя равнавзятой с обратнымзнаком работеполя по перемещениюединичногозаряда из однойточки в другую.
РАЗВИТИЕЭЛЕКТРОДИНАМИКИ
Историяизобретениягальваническогоэлемента
Важнейшимшагом впередв развитииучения обэлектрическихи магнитныхявлениях былоизобретениепервого источникапостоянноготока — гальваническогоэлемента. Историяэтого изобретенияначинаетсяс работ итальянскоговрача ЛуиджиГальвани (1737 — 1798), относящихсяк концу XVIII в.
Гальваниинтересовалсяфизиологическимдействиемэлектри-
ческогоразряда. Начинаяс 80-х гг. XVIII столетия, он предпринялряд опытов длявыяснениядействияэлектрическогоразряда намускулы препарированнойлягушки. Однаждыон обнаружил, что при проскакиванииискры в электрическоймашине или приразряде лейденскойбанки мускулылягушки сокращались, если к ним вэто время прикасалисьметаллическимскальпелем.
3аинтересовавшисьнаблюдаемымэффектом, Гальванирешил проверить, не будет лиоказывать такоеже действиена лапки лягушкиатмосферноеэлектричество.Действительно, соединив одинконец нервалапки лягушкипроводникомс изолированнымшестом, выставленнымна крыше, а другойконец нервас землей, онзаметил, чтово время грозывремя от временипроисходилосокращениемускулов лягушки.
ЗатемГальвани подвесилпрепарированныхлягушек замедные крюки, зацепленныеза их спинноймозг, околожелезной решеткисада. Он обнаружил, что иногда, когда мышцылягушки касалисьжелезной ограды, происходилосокращениемускулов. Причемэти явлениянаблюдалисьи в ясную погоду.Следовательно, решил Гальвани, в данном случаеуже не грозаявляется причинойнаблюдаемогоявления.
Дляподтвержденияэтого выводаГальвани проделалподобный опытв комнате. Онвзял лягушку, у которой спиннойнерв был соединенс медным крюком, и положил еена железнуюдощечку. Оказалось, что когда медныйкрючок касалсяжелеза, топроисходилосокращениемускулов лягушки.
Гальванирешил, что открыл«животноеэлектричество», т. е. электричество, которое вырабатываетсяв организмелягушки. Призамыкании нервалягушки посредствоммедного крюкаи железнойдощечки образуетсязамкнутая цепь, по которойпробегаетэлектрическийзаряд (электрическаяжидкость илиматерия), чтои вызываетсокращениемускулов.
ОткрытиемГальванизаинтересовалисьи физики и врачи.Среди физиковбыл соотечественникГальвани АлессандроВольта. (1745 — 1827). Вольтаповторил опытыГальвани, азатем решилпроверить, какбудут себявести мускулылягушки, есличерез них пропуститьне («животноеэлектричество»), а электричество, полученноекаким-либо изизвестныхспособов. Приэтом он обнаружил, что мускулылягушки также сокращались, как и в опытеГальвани.
Проделавтакого родаисследования, Вольта пришелк выводу, чтолягушка являетсятолько («прибором»), регистрирующимпротеканиеэлектричества, что никакогоособого «животногоэлектричества»не существует.
Почемуже все-таки вопыте Гальванимускулы лягушкирегистрируютпротеканиеэлектрическогоразряда? Чтоявляется вданном случаеисточникомэлектричества? Вольта предположил, что причинойэлектричестваявляется контактдвух различныхметаллов.
Нужноотметить, чтоуже Гальванизаметил зависимостьсилы судорожногосжатия мускуловлягушки от родаметаллов, образующихцепь, по которойпротекаетэлектричество.Однако Гальванине обратилна;, то серьезноговнимания. Вольтаже, наоборот, усмотрел в немвозможностьпостроенияновой теории.
Несогласившисьс теорией («животногоэлектричества», Вольта выдвинултеорию «металлическогоэлектричества».По этой теориипричинойгальваническогоэлектричестваявляетсясоприкосновениеразличныхметаллов.
В каждомметалле, считалВольта, содержитсяэлектрическаяжидкость (флюид), которая, когдаметалл не заряжен, находится впокое и себяне проявляет.Но если соединитьдва различныхметалла, торавновесиеэлектричествавнутри нихнарушится: электрическаяжидкость придетв движение. Приэтом электрическийфлюид в некоторомколичествеперейдет изодного металлав другой, послечего равновесиевновь восстановится.Но в результатеэтого металлынаэлектризуются: один — положительно, другой — отрицательно.
ЭтисоображенияВольта подтвердилна опыте. Емуудалось показать, что действительнопри простомсоприкосновениидвух металловодин из нихприобретаетположительныйзаряд, а другойотрицательный.Таким образом, Вольта открылтак называемуюконтактнуюразность потенциалов.Вольта проделывалследующий опыт.На медный диск, прикрепленныйк обыкновенномуэлектроскопувместо шарика, он помещалтакой же диск, изготовленныйиз другогометалла и имеющийрукоятку. Дискипри наложениив ряде местприходили всоприкосновение.В результатеэтого междудисками появляласьконтактнаяразность потенциалов(по терминологииВольта, междудисками возникала«разностьнапряжений»).
Длятого чтобыобнаружить«разностьнапряжений», появляющуюсяпри соприкосновенииразличныхметаллов, которая, вообще говоря, мала (порядка1В), Вольта поднималверхний диски тогда листочкиэлектроскопазаметно расходились.Это вызывалосьтем, что емкостьконденсатора, образованногодисками, уменьшалась, а разностьпотенциаловмежду ними востолько же разувеличивалась.
Нооткрытие контактнойразности потенциаловмежду различнымиметаллами ещене могло объяснитьопытов Гальванис лягушками.Нужны былидополнительныепредположения.
Составимобычную замкнутуюцепь проводниковиз разных металлов.Несмотря нато что междуэтими металламивозникаетразность потенциалов, постоянноготечения электричествапо цени неполучается.Это сразу понятнодля простейшегослучая двухметаллов. Возьмем, например, двакуска меднойи цинковойпроволоки исоединим ихконцы. Тогдаодна из них(цинковая) зарядитсяотрицательнымэлектричеством, а медная — положительным.Если теперьсоединить идругие концыэтих проволок, то и в этом случаевторой конеццинковой проволокибудет электризоватьсяотрицательно, а соответствующийконец меднойпроволокиположительно.И постоянноготечения электричествав цепи не получится.
Но аопыте Гальванисоединялисьне только металлы.В цепь включалисьи мышцы лягушки, содержащиеи себе жидкость.Вот в этом изаключаетсявсе дело — решилВольта.
Онпредположил, что все проводникиследует разбитьна два класса: проводникипервого рода- металлы и некоторыедругие твердыетела и проводникивторого рода- жидкости. Приэтом Вольтарешил, что разностьпотенциаловвозникаеттолько присоприкосновениипроводниковпервого рода.
Такоепредположениеобъясняло опытГальвани. Врезультатесоприкосновениядвух различныхметаллов нарушаетсяравновесиев них электричества.Это равновесиевосстанавливаетсяв результатетого, что металлысоединяютсячерез телолягушки. Такимобразом электрическоеравновесиевсе время нарушаетсяи все времявосстанавливается, значит, электричествовсе время движется.
Такоеобъяснениеопыта Гальваниневерно, но ононатолкнулоВольта на мысльо созданииисточникапостоянноготока — гальваническойбатареи. И вотв 1800 г. Вольтапостроил первуюгальваническуюбатарею — Вольтовстолб.
Вольтовстолб состоялиз несколькихдесятков круглыхсеребряныхи цийковыхпластин, положенныхдруг на друга.Между парамипластин былипроложеныкартонныекружки, пропитанныесоленой водой.Такой приборслужил источникомнепрерывногоэлектрическогогока.
Интересно, что в качестведовода о существованиинепрерывногоэлектрическоготока Вольтаопять-такипривлекалнепосредственныеощущения человека.Он писал, чтоесли крайниепластины замкнутычерез телочеловека, тосначала, каки в случае слейденскойбанкой, человекиспытываетудар и покалывание.3атем возникаетощущение непрерывногожжения, «котороене только неутихает, — говоритВольта, — но делаетсявсе сильнееи сильнее, становясьскоро невыносимым, до тех пор покацепь не разомкнется».
ИзобретениеВольтова столба- первого источникапостоянноготока — имелоогромное значениедля развитияучения обэлектричествеи магнетизме.Что же касаетсяобъяснениядействия этогоприбора Вольта, то оно, как мывидели, былоошибочным. Этовскоре заметилинекоторыеученые.
Действительно, по теории Вольтаполучалось, что с гальваническимэлементом вовремя его действияне происходитникаких изменений.Электрическийток течет попроволоке, нагревает ее, может зарядитьлейденскуюбанку и т. д., носам гальваническийэлемент приэтом остаетсянеизменным.Но такой приборявляется нечем иным, каквечным двигателем, который, неизменяясь, производитизменение вокружающихтелах, в томчисле и механическуюработу.
К концуXVIII в. среди ученыхуже широкораспространилосьмнение о невозможностисуществованиявечного двигателя.Поэтому многиеиз них отверглитеорию действиягальваническогоэлемента, придуманнуюВольта.
В противовестеории Вольтабыла предложенахимическаятеория гальваническогоэлемента. Вскорепосле его изобретениябыло замечено, что в гальваническомэлементе происходятхимическиереакции, в которыевступают металлыи жидкости.Правильнаяхимическаятеория действиягальваническогоэлемента вытеснилатеорию Вольта.
Послеоткрытия Вольтовастолба ученыеразных странначали исследоватьдействияэлектрическоготока. При этомсовершенствовалсяи сам гальваническийэлемент. УжеВольта нарядусо «столбом»стал употреблятьболее удобнуючашечную батареюгальваническихэлементов. Дляисследованиядействийэлектрическоготока сталистроить батареисо все большими большим числомэлементов.
Наиболеекрупную батареюв самом началеXIX в. построилрусский физикВасилий ВладимировичПетров (1761 — 1834) вПетербурге.Его батареясостояла из4200 цинковых имедных кружков.Кружки укладывалисьв ящик горизонтальнои разделялисьбумажнымипрокладками, пропитанныминашатырем.Батарея Петровабыла описанаим в его книге(«Известия оГальвани-Вольтовыхопытах», вышедшейв России в 1803 г.
Первыешаги в изученииэлектрическоготока относилиськ его химическимдействиям. Ужев том же году, в котором Вольтаизобрел гальваническуюбатарею, былооткрыто свойствоэлектрическоготока разлагатьводу. Вслед заэтим было произведеноразложениеэлектрическимтоком растворовнекоторыхсолей. В 1807 г. английскийхимик Дэвипутем электролизарасплавов едкихщелочей открылновые элементы: калий и натрий.
Исследованиехимическогодействия токаи выяснениехимическихпроцессов, происходящихв гальваническихэлементах, привело ученыхк разработкетеории прохожденияэлектрическоготока череззлектролиты.
Вследза изучениемхимическогодействия токаученые обратилиськ его тепловыми оптическимдействиям.Наиболее интереснымрезультатомэтих исследованийв самом началеXIX в. было открытиеэлектрическойдуги Петровым.
Открытие, сделанноеПетровым, былозабыто. Многие, особенно иностранные, ученые о немне знали, таккак книга Петровабыла написанана русскомязыке. Поэтому, когда Дэви в1812 г. снова открылэлектрическуюдугу, его сталисчитать авторомэтого открытия.
Наиболееважным событием, приведшимвскоре к новымпредставлениямоб электрическихи магнитнымиявлениях, былооткрытие магнитногодействияэлектрическоготока. К изложениюистории этогооткрытия мыи переходим.
продолжение
--PAGE_BREAK--Открытиеэлектромагнетизма
В XVIII в.электричествои магнетизмсчитались хотяи похожими, новсе же имеющимиразличнуюприроду явлениями.Правда, былиизвестны некоторыефакты, указывающиена существованиекак будто бысвязи междумагнетизмоми электричеством, например намагничениежелезных предметовв результатеударов молнии.Больше того, Франклинуудалось какбудто бы намагнититькусок железас помощью разрядалейденскойбанки. Все-такиизвестные фактыне позволялиуверенно утверждать, что междуэлектрическимии магнитнымиявлениямисуществуетсвязь.
Такуюсвязь впервыеобнаружилдатский физикХанс КристианЭрстед (1777 — 1851) в 1820г. Он открылдействиеэлектрическоготока на магнитнуюстрелку.
Интереснаистория этогооткрытия. Идемо связи междуэлектрическимии магнитнымиявлениямиЭрстед высказалеще в первомдесятилетииXIX в. Он полагал, что в явленияхприроды, несмотряна все их многообразие, имеется единство, что все онисвязаны междусобой. Руководствуясьэтой идеей, онпоставил передсобой задачувыяснить наопыте, в чемэта связьпроявляется.
Эрстедоткрыл, чтоесли над проводником, направленнымвдоль земногомеридиана, поместитьмагнитнуюстрелку, котораяпоказываетна север, и попроводникупропуститьэлектрическийток, то стрелкаотклоняетсяна некоторыйугол.
Послетого как Эрстедопубликовалсвое открытие, многие физикизанялисьисследованиемэтого новогоявления. Французскиеученые Био иСавар постаралисьустановитьзакон действиятока на магнитнуюстрелку, т. е.определить, как и от чегозависит сила, действующаяна магнитнуюстрелку, когдаона помещенаоколо электрическоготока. Они установили, что сила, действующаяна магнитныйполюс (на конецдлинного магнита)со стороныпрямолинейногопроводникас током, направленаперпендикулярнок кратчайшемурасстояниюот полюса допроводникаи модуль ееобратно пропорционаленэтому расстоянию.
Познакомившисьс работой Биои Савара, Лапласзаметил, чтодля расчета«магнитной»силы, т. е., говорясовременнымязыком, напряженностимагнитногополя, полезнорассматриватьдействие оченьмалых отрезковпроводникас током на магнитныйполюс. Из измеренийБио и Савараследовало, чтоесли ввестипонятие элементапроводникаl, то сила F, действующаясо стороныэтого элементана полюс магнита, будет пропорциональнаF~ (l/r2)sin-, где l — элемент проводника, — угол, образованныйэтим элементоми прямой, проведеннойиз элементаlв точку, в которойопределяетсясила, а r — кратчайшеерасстояниеот магнитногополюса до линии, являющейсяпродолжениемэлемента проводника.
П/>
ослетого как быловведено понятиесилы тока инапряженностимагнитногополя, этот законстали записыватьтак:
гдеH — напряженностьмагнитногополя, I — сила тока, аk — коэффициент, зависящий отвыбора единиц, в которых измеряютсяэти величины.В международнойсистеме единицСИ этоткоэффициентравен 1/4.
Н/>овыйважнейший шагв исследованииэлектромагнетизмабыл сделанфранцузскимученым АндреМари Ампером(1775 — 1836) в 1820г.
Раздумываянад открытиемЭрстеда, Амперпришел к совершенноновым идеям.Он предположил, что магнитныеявления вызываютсявзаимодействиемэлектрическихтоков. Каждыймагнит представляетсобой системузамкнутыхэлектрическихтоков, плоскостикоторых перпендикулярныоси магнита.Взаимодействиемагнитов, ихпритяжениеи отталкиваниеобъясняютсяпритяжениеми отталкиванием, существующимимежду токами.3емной магнетизмтакже обусловленэлектрическимитоками, которыепротекают вземном шаре.
Этагипотеза требовала, конечно, опытногоподтверждения.И Ампер проделалцелую сериюопытов для ееобоснования.
Первыеопыты Амперазаключалисьв обнаружениисил, действующихмежду проводниками, по которымтечет электрическийток. Опыты показали, что два прямолинейныхпроводникас током, расположенныепараллельнодруг другу, притягиваются, если токи в нихимеют одинаковоенаправление, и отталкиваются, если направлениетоков противоположно.
Амперпоказал также, что виток стоком и спиралевидныйпроводник стоком (соленоид)ведут себя какмагниты. Дватаких проводникапритягиваютсяи отталкиваютсяподобно двуммагнитнымстрелкам.
Своипервые сообщенияо результатахопытов Амперс, делал на заседанияхПарижскойакадемии наукосенью 1820 г. Послеэтого он занялсяразработкойтеории взаимодействияпроводников, по которымтечет электрическийток.
Амперрешил в основутеории взаимодействиятоков положитьзакон взаимодействиямежду элементамитоков. Нужноотметить, чтоАмпер говорилуже не простоо взаимодействииэлементовпроводников, как Био и Савар, а о взаимодействииэлементовтоков, так какк тому времениуже возниклопонятие силытока. И это понятиеввел сам Ампер.
Следуявзглядам тоговремени о подобииэлементарныхсил силам тяготения, Ампер предположил, что сила взаимодействиимежду элементамидвух токовбудет зависетьот расстояниямежду ними идолжна бытьнаправленапо прямой, соединяющейэги два элемента.
Проведябольшое числоопытов по определениювзаимодействиятоков в проводникахразличной формыи по-разномурасположенныхдруг относительнодруга, Амперв конце концовопределилискомую силу.Подобно силетяготения онаоказаласьобратно пропорциональнойквадрату расстояниимежду элементамиэлектрическихтоков. Но в отличиеот сины тяготенияее значениезависело ещеи от относительнойориентацииэлементовтоков.
Формулу, которую получилАмпер, мы приводитьне будем. Онаоказаласьневерной, потомучто он заранеепредположил, что сина взаимодействиямежду элементамитоков должнабыть направленапо прямой, соединяющейэти элементы.На самом жеделе эта силанаправленапод углом кэтой прямой.
О/>
днаковследствиетого что Амперпроводил опытыс замкнутымипостояннымитоками, он получалпри расчетахпо своей формулеправильныерезультаты.Оказывается, что для замкнутыхпроводниковформула Ампераприводит к темже результатам, что и исправленнаявпоследствииформула, выражающаясилу взаимодействиямежду элементамитоков, котораяпо-прежнемуносит названиезакона Ампера.
Открытиеэлектромагнитнойиндукции
Следующимважным шагомв развитииэлектродинамикипосле опытовАмпера былооткрытие явленияэлектромагнитнойиндукции. Открылявление электромагнитнойиндукции английскийфизик МайклФарадей (1791 — 1867).
Фарадей, будучи еще молодым ученым, также как и Эрстед, думал, что всесилы природысвязаны междусобой и, болеетого, что ониспособны превращатьсядруг в друга.Интересно, чтоэту мысль Фарадейвысказывалеще до установлениязакона сохраненияи превращенияэнергии. Фарадейзнал об открытииАмпера, о том, что он, говоряобразным языком, превратилзлектричествов магнетизм.Раздумываянад этим открытием, Фарадей пришелк мысли, чтоесли «электричествосоздает магнетизм», то и наоборот,«магнетизмдолжен создаватьэлектричество».И вот еще в 1823 г.он записал всвоем дневнике:«Обратитьмагнетизм вэлектричество».В течение восьмилет Фарадейработал надрешением поставленнойзадачи. Долгоевремя егопреследовалинеудачи, и, наконец, в 1831 г. он решилее — открыл явлениеэлектромагнитнойиндукции.
Во-первых, Фарадей обнаружилявление электромагнитнойиндукции дляслучая, когдакатушки намотанына один и тотже барабан.Если в однойкатушке возникаетили пропадаетэлектрическийток в результатеподключенияк ней или отключенияот нее гальваническойбатареи, то вдругой катушкев этот моментвозникаеткратковременныйток. Этот токобнаруживаетсягальванометром, который присоединенко второй катушке.
ЗатемФарадей установилтакже наличиеиндукционноготока в катушке, когда к нейприближалиили удалялиот нее катушку, в которой протекалэлектрическийток.
Наконец, третий случайэлектромагнитнойиндукции, которыйобнаружилФарадей, заключалсяв том, что в катушкепоявлялся ток, когда в неевносили илиже удаляли изнее магнит.
ОткрытиеФарадея привлекловнимание многихфизиков, которыетакже сталиизучать особенностиявления электромагнитнойиндукции. Наочереди стоялазадача установитьобщий законэлектромагнитнойиндукции. Нужнобыло выяснить, как и от чегозависит силаиндукционноготока в проводникеили от чегозависит значениеэлектродвижущейсилы индукциив проводнике, в котороминдуцируетсяэлектрическийток.
Этазадача оказаласьтрудной. Онабыла полностьюрешена Фарадееми Максвелломпозже в рамкахразвитого имиучения обэлектромагнитномполе. Но ее пыталисьрешить и физики, которые придерживалисьобычной длятого временитеории дальнодействияв учении обэлектрическихи магнитныхявлениях.
Кое-чтоэтим ученымудалось сделать.При этом им помогло открытоепетербургскимакадемикомЭмилием ХристиановичемЛенцем (1804 — 1865) правилодля нахождениянаправленияиндукционноготока в разныхслучаях электромагнитнойиндукции. Ленцсформулировалего так: «Еслиметаллическийпроводникдвижется поблизостиот гальваническоготока или магнита, то в нем возбуждаетсягальваническийток такогонаправления, что если быданный проводникбыл неподвижным, то ток мог быобусловитьего перемещениев противоположнуюсторону; приэтом предполагается, что покоящийсяпроводник можетперемещатьсятолько в направлениидвижения илив противоположномнаправлении».
Этоправило оченьудобно дляопределениянаправленияицдукционноготока. Им мыпользуемсяи сейчас, толькооно сейчасформулируетсянесколькоиначе, с упогребпениемпонятия электромагнитнойиндукции, котороеЛенц не использовал.
Ноисторическиглавное значениеправила Ленцазаключалосьв том, что ононатолкнулона мысль, какимпутем подойтик нахождениюзакона электромагнитнойиндукции. Делов том, что в атомправиле устанавливаетсясвязь междуэлектромагнитнойиндукцией иявлениемвзаимодействиитоков. Вопросже о взаимодействиитоков был ужерешен Ампером.Поэтому установлениеэтой связи напервых порахдало возможностьопределитьвыражениеэлектродвижущейсилы индукциив проводникедля ряда частныхслучаев.
В общемвиде законэлектромагнитнойиндукции, какмы об этом сказали, был установленФарадеем иМаксвеллом.
Началоразвитияэлектротехники
Вместес развитиеми успехамиучения обэлектромагнитныхявлениях появляетсяновая областьтехники — электротехника.
П/>реждевсего возникаетэлектрическийтелеграф. Первыйэпектромагнитныйтелеграф былизобретенрусским изобретателемП. Л. Шиллингомв 1832 г.
ТелеграфШиллинга состоялиз передающегои принимающегоустройств, соединенныхнесколькимипроводами. Вприемном аппаратеимелось шестьтак называемыхмультипликаторов.Каждый мультипликаторпредставлялсобой проволочнуюкатушку, внутрикоторой находиласьмагнитнаястрелка, подвешеннаяна нити. К нитивне катушкиприкрепляласьеще одна магнитнаястрелка, направлениеполюсов которойбыло противоположнымнаправлениюполюсов первойстрелки. Такаясистема называетсяастатической, она употребляетсядля того, чтобыисключитьдействие настрелки магнитногополя Земли.Помимо этого, к каждой нитибыл прикрепленкружок, стороныкоторого былиокрашены вчерный и белыйцвета.
К/>огдав катушкумупьтипликаторапоступалэлектрическийток определенногонаправления, то на стрелку, находящуюсявнутри катушки, действовалапара сил. Стрелкаповорачивалась, вместе с нейповорачивалсяи кружок, показываябелую или чернуюсторону. Наприемном аппаратенаходилосьшесть мультипликаторов, соединенныхпроводникамис передающимиаппаратами:
Передающийаппарат имелсоответствующеечисло клавишейи источникэлектрическоготока — гальваническуюбатарею. Принажатии определеннойклавиши токпосылался попроводам всоответствующиймультипликатор, в котором стрелкии кружок поворачивалисьв нужном направлении.Таким образомосуществляласьпередача сигналов.Из сочетаниячерных и белыхкружков быларазработанаусловная азбука.
ТелеграфШиллинга употреблялсядля практическихцелей. С егопомощью осуществляласьсвязь междуЗимним дворцоми зданиемминистерствапутей сообщенияв Петербурге.
Вскорепоявились идругие телеграфныеаппараты, отличающиесяот аппаратаШинлинга. В1837 г. американецМорзе сконструировалболее удобныйтелеграфныйаппарат.
В телеграфеМорзе при замыканииключа электрическийток поступалв обмоткуэлектромагнита, который притягивалвисящий маятникс закрепленнымна конце карандашом, При этом конецкарандашакасался бумажнойленты, непрерывнопередвигающейсяс помощьюспециальногомеханизма вгоризонтальномнаправленииперпендикулярноплоскостикачания маятника.
3амыканиеключа на короткоевремя давалона бумажнойленте изображениеточки, а на болеедлительное- тире. С помощьюкомбинацийточек и тиреМорзе разработалспециальныйтелеграфныйкод — азбукуМорзе.
В 1844 г.Морзе построилпервую телеграфнуюлинию в Америкемежду Вашингтономи Балтиморой.С этого времениначалось широкоеприменеииевершеннойконструкции.
Вследза применениемэлектричествадля связиизобретательскаямысль начинаетработать надзадачей использованияего в качестведвижущей силы.
Ужев 30-х гг. XIX в. появляютсяизобретенияразличныхэлектродвигателей.Первый электродвигатель, применяемыйдля практическихцелей, был изоретенв 1834 г. петербургскимакадемикомБ. С. Якоби (1801 — 1874).В 1838 г. этот двигательбыл применендля приведенияв движениелодки, котораяплавала по Невесо скоростью2 км/ч.
Предлагалисьи другие конструкцииэлектрическихдвигателей.Однако, так жекак и двигательЯкоби, они былинеудобны дляпрактики и неполучали широкогоприменения.Только во второйполовине XIX в.в результатеработ рядаученых и изобретателейпоявилсяэлектродвигатель, который началшироко применятьсяв технике.
Одновременнос электродвигателемначались попыткиконструированиягенераторовэлектрическоготока. Первыепрактическипригодныегенераторыэлектрическоготока такжепоявилисьтолько во второйполовине XIX в.
3начительнуюроль в делеусовершенствованиягенераторовсыграло применениеэлектричествадля освещения.
Началопримененияэлектричествадля освещенияотносится к60-м гг. прошлогостолетия, когдадуговая лампа(т. е. электрическаядуга) былаустановленана маяках. Ноприменениеэтих ламп встречалобольшие трудности.Дело в том, чтодуговую лампунужно былонепрерывнорегулировать, так как концыугольных электродовсгорали, расстояниемежду нимиувеличивалось, в результатеэтого цепьразрываласьи дуга затухала.
РусскийизобретательПавел НиколаевичЯблочков (1847 — 1894) много думалнад усовершенствованиемтаких дуговыхламп и пришелк новому иоригинальномурешению этойпроблемы.
Вместообычного расположенияугольных электродовв дуговой лампе, при которомрасстояниемежду нимименялось помере их сгорания, Яблочков расположилих параллельнорядом, а междуними поместилизолирующуюпрокладку, которая сгоралавместе с углем.Эта конструкцияполучила названиесвечи Яблочкова.В 1876 г. Яблочковвзял патентна свое изобретение, и оно быстрополучилораспространение.«Русский свет»(так называлиизобретениеЯблочкова)засиял на улицах, площадях, впомещенияхмногих городовЕвропы, Америкии даже Азии.«Из Парижа,- писал Яблочков,-электрическоеосвещениераспространилосьпо всему миру, дойдя до дворцашаха Персидскогои до дворцакороля Камбоджи»).
С начала80-х гг. появиласьлампа накаливания.Первым изобретателемлампы накаливаниябыл русскийинженер А. Н.Лодыгин (1847 — 1923). Однаиз конструкцийлампы Лодыгинапредставляласобой стеклянныйбаллон, внутрикоторого ввакууме междудвумя меднымистержнямипомещалсяугольный стержень.
Ужев 1873 г. Лодыгиндемонстрировалосвещениесвоими лампамиодной из улицПетербурга.В 1874 г. Лодыгинполучил за своеизобретениеЛомоносовскуюпремию Академиинаук.
В 1879 г.американскийизобретательЭдисон создалудачную конструкциюлампы накаливания, и вскоре онаполучилараспространениево всем мире.
Использованиеэлектричествадля связи, вкачестве движущейсилы, для освещенияявилось стимуломсозданияэлектрическихгенераторов, изобретениятрансформаторови т. д.
Появившаясявместе с этимновая областьтехники — электротехникаво второй половинеХ1Х в. приобрелаважное практическое значение.
Всеубыстряющеесяразвитиеэлектротехникиприводит кнеобходимостисовершенствованияизмерительнойаппаратуры.Конструируютсяи непрерывносовершенствуютсягальванометры, амперметры, вольтметры, магазинысопротивлений, конденсаторыи т. д.
Всеэто, конечно, оказываетсильное положительноевлияние наразвитие научныхисследованийв областиэлектромагнетизма, и развитие этойобласти физическихнаук идет всеболее быстрымитемпами.РАЗВИТИЕОПТИКИ
продолжение
--PAGE_BREAK--Первыешаги в развитиигеометрическойоптики
В оптике, так же как и вмеханике, первыешаги были сделаныуже в древности.Тогда былиоткрыты двазакона геометрическойоптики: законпрямолинейногораспространениясвета и законотражениясвета.
К познаниюэтих законовдревние пришли, вероятно, оченьдавно. Опытповседневнойжизни: наблюдениетени, перспективы, применениеметода визированияпри измеренииземельныхплощадей и приастрономическихнаблюдениях– приводилдревних, во-первых, к понятию лучасвета, а во-вторых, к понятиюпрямолинейногораспространениясвета.
Наблюдаязатем явлениеотражениясвета, в частности, в металлическихзеркалах, которыехорошо былиизвестны в товремя, древниепришли к пониманиюзакона отражениясвета.
Указанныедва закона былиописаны знаменитымгреческимученым Евклидом, жившим в III в. донашей эры. Спомощью этихзаконов Евклидобъяснил целыйряд наблюдаемыхявлений и, вчастности, явлений отражениясвета от плоскихи даже сферическихзеркал.
Исследованиемотражения светаплоскими исферическимизеркаламизанималсядругой знаменитыйученый древности– Архимед, жившийтакже в III в. донашей эры. Онзнал свойствовогнутогосферическогозеркала собиратьсветовые лучив фокусе. Обэтом сообщаетсяв сочиненияхученых древности: Архимед знал,«почему вогнутыезеркала, помещенныепротив солнца, зажигают подложенныйтрут».
Архимедудаже приписываютизобретениеспециальныхзажигательныхустройств извогнутых зеркал, с помощыо которыхон будто бысжег вражескийфлот. Это, конечно, легенда. Но то, что Архимедзнал зажигательноесвойство вогнутогозеркала, этофакт.
Ученыедревности имелипредставлениео преломлениисвета и дажепытались установитьзакон преломления.Птолемей поставилс этой цельюспециальныйопыт. Он взялдиск, по которомувокруг центравращались двелинейки – указателиА и В. Этот дискПтолемей наполовинупогружал в водуи перемещалверхнюю линейкудо тех пор, покаона не казаласьпродолжениемнижней, находящейсяв воде. Вынувзатем диск изводы, он определялуглы паденияи преломления.
Однако, хотя экспериментПтолемея и былпоставлен пра-вильно и онполучил достаточнохорошие численныезначения дляуглов паденияи преломления, истинногозакона он установитьне сумел.
В средниевека оптикапродолжаларазвиватьсяна Востоке, азатем и в Европе.Однако каких-либоновых существенныхрезультатовза этот длительныйпериод в жизничеловечестваполучено небыло. Единственнымважным достижениемза это времябыло изобретениев XIII в. очков. Ноэто изобретениесущественнымобразом не по-влияло на развитиетеоретическойоптики.
Следующимважнейшимизобретением, сыгравшим оченьбольшую рольв последующемразвитии оптики, было созданиезрительнойтрубы.
З/>рительнаятруба былаизобретенане одним человеком.Возможно, чтоеще великийитальянскийхудожник Леонардода Винчи в самомначале XVI в. пользовалсязрительнойтрубой.
Имеютсясведения одругих ученыхи изобретателях, которые такжепришли к этомуизобретению.
Однакорешающий шагв изобретениизрительнойтрубы был сделанГалилеем.
В 1609 г.Галилей построил зрительную трубу. Своеизобретениеон использовалкак телескопдля наблюдениянебесных тели сделал приэтом целый рядважнейшихастрономическихоткрытий, которыедали ему возможностьвыступить взащиту ученияКоперника.Однако Галилейне занималсятеоретическимиисследованиямипо оптике. Ондаже не разобрантеорию действияизобретеннойим зрительнойтрубы.
Основытеории простейшихоптическихинструментовразработалвеликий немецкийастроном ИоганнКеплер (1571 – 1630). Ещев 1604г. он написалработу, в которойизложил основыгеометрическойоптики.
Онобъяснил действиеглаза и оптическогоприбора вообще, рассматриваякаждую точкупредмета какисточник расходящихсялучей. Хрусталикглаза, зеркало, линза или системалинз можетвновь собратьэти расходящиесялучи и из расходящегосяпучка сделатьсходящийся.Причем эти лучиопятьсоберутсяв одну точку, которая будетпредставлятьсобой изображениеточки предмета.Таким образом, каждой точкеизображениясоответствуетодна и толькоодна точкапредмета.
Кеплеррассматривалс этой точкизрения ходлучей в простейшихоптическихприборах, вдвояковыпуклойи двояковогнутойлинзе, поставленныхдруг за другом.Эта системалинз представляласобой систему, примененнуюГалилеем в егозрительнойтрубе – телескопе.
В 1611 г.Кеплер издалновое сочинениепо оптике. Втрем уче-ныйпродолжалразвиватьтеорию оптическихприборов. Вчастности, онописал здесьзрительнуютрубу, отличнуюот трубы Галилея, которая оказаласьболее удачной.Труба Кеплерасостояла издвух двояковыпуклыхлинз. Сам Кеплертолько описалее устройство, но трубы непостроил. Еесделали другиеученые.
Разработавтеорию построенияизображенияв оптическихприборах, Кеплерввел новыепонятии: «фокус»и «оптическаяось». Эти понятияприменяютсяи в настоящеевремя в оптике.
Следующимважным шагомв развитииоптики былооткрытие законапреломлениясвета.
Кеплереще не зналэтого закона.3акон, которымон пользовался, был неверным.Однако это непомешало ученомув его исследованиях.Дело в том, чтово всех случаях, которые Кеплеррассматривал, можно былосчитать, чтосветовые лучипроходит близкок главной оптическойоси. При этомввиду малостиугла
/>
паденияиугла преломления законпреломления
/>
можнозаписать приближенно:
Закон, которым пользовалсяКеплер длямалых угловпадения ипреломления, приводил кправильнымрезультатам.
3аконпреломлениясвета был установленголландскимученым Снеллиусом, но он его неопубликовал.Этот закон былопубликованДекартом в 1637г. Теперь геометрическаяоптика, фунда-менткоторой заложилКеплер, могларазвиватьсядальше.
Развитиевзглядов наприроду светаи первые открытияв области физическойоптики
Первыепредставленияо том, что такоесвет, относятсятакже к древности.
В древностипредставленияо природе светабыли весьмапримитивными, фантастическимии к тому же весьмаразнообразными.Однако, несмотряна разнообразиевзглядов древнихна природусвета, уже в товремя наметилисьтри основныхподхода к решениювопроса о природесвета. Эти триподхода в последующемоформилисьв две конкурирующиетеории – корпускулярнуюи волновуютеории света.
Подавляющеебольшинстводревних философови ученых рассматривалосвет как некиелучи, соединяющиесветящеесятело и человеческийглаз. При этомодни из нихполагали, чтолучи исходятиз глаз человека, они как бы ощупываютрассматриваемыйпредмет. Этаточка зренияимела сначалабольшое числопоследователей.Даже такойкрупнейшийученый, какКвклид, придерживалсяее. Формулируяпервый законгеометрическойоптики, законпрямолинейногораспространениясвета, Евклидписал: «Испускаемыеглазами лучираспространяютсяпо прямомупути». Такогоже взглядапридерживалсяПтолемей имногие другиеученые и философы.
Однакопозже, уже всредние века, такое представлениео природе светатеряет своезначение. Всеменше становитсяученых, следующихэтим взглядам.И к началу XVII в.эту точку зренияможно считатьуже забытой.
Другие, наоборот, считали, что лучи испускаютсясветящимсятелом и, достигаячеловеческогоглаза, несутна себе отпечатоксветящегосяпредмета. Такойточки зрениядержалисьатомисты Демокрит, Эпикур, Лукреций.
Последняяточка зренияна природусвета уже позже, в XVII в., оформиласьв корпускулярнуютеорию света, согласно которойсвет есть потоккаких-то частиц, испускаемыхсветящимсятелом.
Третьяточка зренияна природусвета былавысказанаАристотелем.Он рассматривалсвет не какистечениечего-то отсветящегосяпредмета в глази тем более некак некие лучи, исходящие изглаза и ощупывающиепредмет, а какраспространяющеесяв пространстве(в среде) действиеили движение.
МнениеАристотеляв его времямало кто разделял.Но в дальнейшем, опять же в XVII в., его точка зренияполучила развитиеи положиланачало волновойтеории света.
В XVII в.в связи с развитиемоптики вопросо природе светавызывает всебольший и большийинтерес. Приэтом происходитобразованиедвух противоположныхтеорий света: корпускулярнойи волновой.
Дляразвитиякорпускулярнойтеории светабыла болееблагоприятнаяпочва. Действительно, для геометрическойоптики представлениео том, что светесть потокособых частиц, было вполнеестественным.Прямолинейноераспространениесвета хорошообъяснялосьс точки зренияэтой теории.Также хорошообъяснялсяи закон отражениясвета. Да и законпреломленияне противоречилэтой теории.
Общеепредставлениео строениивещества такжене вступалов противоречиес корпускулярнойтеорией света.В основе тогдашнихпредставленийо строениивещества лежалаатомистика.Все тела состоятиз атомов. Междуатомами существуетпустое пространство.В частности, тогда считали, что межпланетноепространствоявляется пустым.В нем и распространяетсясвет от небесныхтел в виде потоковсветовых частиц.Поэтому вполнеестественно, что в XVII в. быломного физиков, которые придерживалиськор-пускупирнойтеории света.
В XVII в., как мы сказаливыше, начинаетразвиватьсяи представлениео волновойприроде света.
Родоначальникомволновой теориисвета нужносчитать Декарта.Декарт былпротивникомсуществованияпустого пространства.В связи с этимон не мог считатьсвет потокомсветовых частиц.Свет, по Декарту, это нечто вродедавления, передающегосячерез тонкуюсреду от светящегосятела во всестороны. Еслитело нагретои светится, тоэто значит, чтоего частицынаходятся вдвижении иоказываютдавление начастицы тойсреды, котораязаполняет всепространство.Эта среда получиланазвание эфира.Давлениераспространяетсяво все стороныи, доходя доглаза, вызываетв нем ощущениесвета.
Таковаточка зренияДекарта наприроду света.Нужно толькоотметить, чтов своем сочинении, посвященномспециальнооптике, Декартпользуетсяи корпускулярнойгипотезой. Ноэто, как он самговорит, сделанодля того, чтобыего рассуждениябыли болеепонятны. Поэтомунеправы те, ктона основе толькоэтого сочинениязачисляетДекарта в сторонникикорпускулярнойтеории света.Ученые XVII и XVIII вв.это хорошопонимали исчитали Декартародоначальникомволновой теориисвета.
Конечно, у Декарта нетеще представленияо световыхволнах. Онпредставляетсебе свет какраспространяющеесядвижение, илиимпульс в эфире.Но не это важно.Важным являетсято, что Декартрассматриваетсвет уже не какпоток частиц, а как распространениедавления, илидвижение импульсаи т. п.
Декартпришел к отказуот корпускулярнойтеории светачисто умозрительнымпутем. Никакихопытных данных, которые говорилибы за волновуютеорию света, тогда еще небыло. Первоеоткрытие, свидетельствующеео волновойприроде света, было сделаноитальянскимученым ФранческоГримальди (1618– 1663). Оно былоопубликованов 1665 г. после смертиученого.
Гримальдизаметил, чтоесли на путиузкого пучкасветовых лучейпоставитьпредмет, то наэкране, поставленномсзади, не получаетсярезкой тени.Края тени размыты, кроме того, вдоль тенипоявляютсяцветные полосы.Открытое явлениеГримальдиназвал дифракцией, но объяснитьего правильноне сумел. Онпонимал, чтонаблюдаемоеим явлениенаходится впротиворечиис закономпрямолинейногораспространениясвета, а вместес тем и с корпускулярнойтеорией. Однакоон не решилсяполностьюотказатьсяот этой теории.
Свет, по Гримальди, распространяющийсясветовой флюид(тонкая неощутимаяжидкость). Когдасвет встречаетсяс препятствием, то оно вызываетволны этогофлюида. Гримальдипривел аналогиюс волнами, распространяющимисяпо поверхностиводы. Подобнотому как вокругкамня, брошенногов воду, образуетсяволна, так ипрепятствие, помещенноена пути света, вызывает всветовом флюидеволны, которыераспространяютсяза границыгеометрическойтени.
Вторымважным открытием, относящимсяк физическойоптике, былооткрытиеинтерференциисвета. Простойопыт по интерференциисвета наблюдалГримальди. Опытзаключаетсяв следующем: на пути солнечныхлучей ставятэкран с двумяблизкими отверстиями(проделаннымив ставне, закрывающейокно); получаютсядва конусасветовых лучей.Помещая экранв том месте, где эти конусынакладываютсядруг на друга, замечают, чтов некоторыхместах освещенностьэкрана меньше, чем если бы егоосвещал толькоодин световойконус. Из этогоопыта Гримальдисделал вывод, что прибавлениесвета к светуне всегда увеличиваетосвещенность.
Другойслучай интерференциипримерно в теже годы исследоваланглийскийфизик РобертГук (1635 – 1703). Он изучалцвета мыльныхпленок и тонкихпластинок изслюды. При этомон обнаружил, чго эти цветазависят оттолщины мыльыойпленки илислюдяной пластинки.
Гукподошел к изучениюэтих явленийс правильнойточки зрения.Он полагал, чтосвет – этоколебательныедвижения, распространяющиесяв эфире. Он дажесчитал, что этиколебанияявляются поперечными.
Явлениеинтерференциисвета в тонкихпленках Гукобъяснял тем, что от верхнейи нижней поверхноститонкой, напримермыльной, пленкипроисходитотражениесветовых волн, которые, попадаяв глаз, производятощущение различныхцветов. Однакоу Гука не былоправильногопредставленияо том, что такоецвет.
Он несвязывал цветс частотойколебаний илис длиной волны, поэтому не смогразработатьтеорию интерференции.
Третьеважное открытие, относящеесяк волновойоптике, былосделано датскимученым Бартолиномв 1669 г. Он открылявление двойноголучепреломленияв кристаллеисландскогошпата. Бартолинобнаружил, чтоесли смотретьна какой-либопредмет черезкристалл исландскогошпата, то видноне одно, а дваизображения, смещенных друготносительнодруга. Это явлениезатем исследовалГюйгенс и попыталсядать ему объяснениес точки зренияволновой теориисвета.
Следующийшаг в развитииволновой теориисвета был сделанГюйгенсом.Гюйгенс работалнад волновойтеорией светав 70-х гг. XVII в. В зтовремя он написал«Трактат освете», содержаниекоторого доложилПарижскойакадемии наук.Однако опубликовалон это сочинениепозже, в 1690 г., ужепосле того какстали известныработы Ньютонапо оптике.
Гюйгенсполагал, чтовсе мировоепространствозаполненотонкой неощутимойсредой – эфиром, который состоитиз очень маленькихупругих шариков.Эфир такжезаполняетпространствомежду атомами, образующимиобычные тела.
Распространениесвета, по Гюйгенсу, есть процесспередачи движенияот шарика кшарику, подобнотому как распространяетсяимпульс вдольстальных шаров, соприкасающихсядруг с другоми вытянутыхв одну линию.
Выдвинувтакую гипотезуо свете, Гюйгенспосвятил основнуючасть своейработы объяснениюизвестныхзаконов оптики: закона прямолинейногораспространениясвета, законовотражения ипреломления.
Делов том, что в тотпериод от всякойтеории светатребова-лосьв первую очередьобъяснить этихорошо знакомыевсем законыоптики. Этузадачу хорошовыполнялакорпускулярнаятеория света.Но вот можетли справитьсяс ней волноваятеория?
Ведьесли светпредставляетсобой распространяющеесядвижение вэфире, то какможно объяснитьзакон прямолинейногораспространениясвета? Для звука, например, волноваяприрода которогобыла ясна, такойзакон, казалось, не существует.Действительно, если междунаблюдателеми звучащимтелом поставитьнебольшойзкран, то ведьвсе равно наблюдательбудет слышатьзвук. Но длясвета это неверно.Правда, явлениедифракции ужеоткрыто, но этоочень малыйэффект и нанего можно необращать внимания.
Длятого чтобыпоказать, чтоволновая теорияспособна объяснитьпрямолинейноераспространениесвета, Гюйгенсвыдвигает свойизвестныйпринцип. Приведемформулировкузтого принципа, данную самимГюйгенсом.
«Поповоду процессаобразованияэтих волн следуетеще отметить, что каждаячастица вещества, в которомраспространяетсяволна, должнасообщать своедвижение нетолько ближайшейчастице, лежащейна проведеннойот светящейсяточки прямой, но необходимосообщает еготакже и всемдругим частицам, которые касаютсяее и препятствуютее движению.Таким образом, вокруг каждойчастицы должнаобразоватьсяволна, центромкоторой онаявляется». Нокаждая из этихволн чрезвычайнослаба, и световойэффект наблюдаетсятолько там, гдепроходит ихогибающая.
Основываясьна этом принципе, Гюйгенс даетизвестныешкольникамобъяснениязакону прямолинейногораспространениясвета, законамотражения ипреломления.
Но дляпризнанияволновой теориисвета этогобыло мало. Явлениядифракции иинтерференциине были объясненыГюйгенсом. Ноглавная неудачатеории Гюйгенсазаключаласьв том, что онабыла теориейбесцветногосвета. Вопросо цвете в нейне рассматривался, а к тому времениНьютон сделалновое важноеоткрытие воптике – онобнаружилдисперсиюсвета.
Преждечем перейтик изложениюэтого открытия, скажем еще ободном важномшаге в развитииоптики – первомопределениискорости света.
Впервыескорость светабыла определенадатским астрономомРемером в 70-хгг. XVII в. До этоговремени средиученых существовалодва противоположныхмнения. Одниполагали, чтоскорость светабесконечновелика. Другиеже хотя и считалиее очень большой, тем не менееконечной.
Ремерподтвердилвторое мнение, проведя наблюдениянад затмениемспутниковЮпитера. Измериввремена ихзатмения, онсмог из полученныхданных подсчитатьскоростьраспространениясвета. По егоподсчетам, скорость светаполучиласьравной 300870 км/св современныхединицах.
продолжение
--PAGE_BREAK--ОптикаНьютона
Ещев 60-е гг. XVII в. Ньютонзаинтересовалсяоптикой исделалоткрытие, которое, как казалосьсначала, говорилов пользу корпускулярнойтеории света.Этим открытиембыло явлениедисперсии светаи простых цветов.
Разложениебелого светапризмой в спектрбыло известноочень давно.Однако разобратьсяв этом явлениидо Ньютонаникто не смог.
Ученых, занимающихсяоптикой, интересовалвопрос о природецвета. Наиболеераспространеннымбыло мнениео том, что белыйсвет являетсяпростым. Цветныеже лучи получаютсяв результатетех или иныхего изменений.Существовалиразличныетеории по этомувопросу, накоторых мыостанавливатьсяне будем.
Изучаяявление разложениябелого светав спектр, Ньютонпришел к заключению, что белый светявляется сложнымсветом. Онпредставляетсобой суммупростых цветныхлучей.
Ньютонработал с простойустановкой.В ставне окназатемненнойкомнаты былопроделаномаленькоеотверстие.Через это отверстиепроходил узкийпучок солнечногосвета. На путисветового лучаставиласьпризма, а запризмой экран.На экране Ньютоннаблюдал спектр, т. е. удлиненноеизображениекруглого отверстия, как бы составленногоиз многих цветныхкружков. Приэтом наибольшееотклонениеимели фиолетовыелучи – одинконец спектра– и наименьшееотклонение– красные –другой конецспектра.
Но этотопыт еще неявлялся убедительнымдоказательствомсложностибелого светаи существованияпростых лучей.Он был хорошоизвестен, и изнего можно былосделать заключение, что, проходяпризму, белыйсвет не разлагаетсяна простыелучи, а изменяется, как многиедумали до Ньютона.
Длятого чтобыподтвердитьвывод о том, что белый светсостоит изпростых цветныхлучей и разлагаетсяна них припрохождениичерез призму, Ньютон проводилдругой опыт.
В экране, на которомнаблюдалсяспектр, делалосьтакже малоеотверстие.Через отверстиепропускалиуже не белыйсвет, а свет, имеющий определеннуюокраску, говорясовременнымязыком, монохроматическийпучок света.На пути этогопучка Ньютонставил новуюпризму, а заней новый экран.Что будет наблюдатьсяна этом экране? Разложит онодноцветныйпучок светав новый спектрили нет? Опытпоказан, чтозтот пучоксвета отклоняетсяпризмой какодно целое, подопределеннымуглом. При этомсвет не изменяетсвоей окраски.Поворачивалпервую призму, Ньютон пропускалчерез отверстиеэкрана цветныелучи различныхучастков спектра.Во всех случаяхони не разлагалисьвторой призмой, а лишь отклонялисьна определенныйугол, разныйдля лучей различногоцвета.
Послеэтого Ньютонпришел к заключению, что белый светразлагаетсяна цветныелучи, которыеявляются простымии призмой неразлагаются.Для каждогоцвета показательпреломленияимеет свое, определенноезначение. Цветностьэтих лучей иих преломляемостьне может измениться«ни преломлением, ни отражениемот естественныхтел, или какой-либоиной причиной»,–писал Ньютон.
Э/>
тооткрытие произвелобольшое впечатление.В XVIII в. французскийпоэт Дювардписал: «Но чтоэто? Тонкаясущность этихлучей не можетизменятьсяпо своей природе! Никакое искусствоне в состоянииего разрушить, и красный илисиний луч имеетсвою окраску, побеждая всеусилия».
Такимобразом, простыелучи являютсянеизменными.Они представляют, можно сказать, атомы света, подобно атомамвещества. Этотвывод казалсяв хорошем согласиис корпускулярнойтеорией света.Действительно, неизменныеатомы света, простые лучи, являются потокоми однородныхчастиц, которые, попадая в нашглаз, вызываютощущениеопределенногоцвета. Смесьже разнородныхсветовых частицявляется белымсветом. Припрохождениичерез призмубелый светразлагается.Призма сортируетсветовые частицы, отклоняя ихна разный уголв соответствиис их цветностью.
Открытиедисперсии былорасцененоНьютоном ибольшинствомего современникови последователейкак факт, подтверждающийкорпускулярнуютеорию света.
С точкизрения волновойтеории труднобыло объяснитьоткрытие Ньютона, потому чтотеории распространенияволн еще небыло. Пониманиетого, что цветопределяетсяпериодом световойволны, пришлозначительнопозже. Но дажеесли бы кто идогадался обэтом, то всеравно нелегкобыло представитьсебе, почемупри отражениии преломлениипериод остаетсянеизменным.
Такимобразом, с точкизрения волновойтеории понятьоткрытие Ньютонав то время былопочти невозможно.И не случайноГюйгенс в своейработе, о котороймы говориливыше, совсемобошел вопросо дисперсиисвета, хотя в1690 г., когда былаопубликованаего книга, онуже знал о работахНьютона пооптике.
Итак, Ньютон встална точку зрениякорпускулярнойтеории света, на основе которойбыло легкопонять открытоеим явлениедисперсиисвета. Но ведь, спросите вы, к этому временибыли уже известныявления изобласти волновойоптики – интерференцияи дифракция.3анимаясьисследованиямипо оптике, Ньютонне мог пройтимимо них и долженбыл столкнутьсяс задачей объясненияэтих явленийна основекорпускулярнойтеории.
Идействительно, Ньютон не забылоб этих явленияхи попыталсядать им объяснение.Что касаетсяявления дифракции, то он более илименее легко, как казалось, справился суказаннойзадачей. Когдасвет проходитмимо экрана, то между частицами, из которыхсостоит экран, и световымилучами (атомамисвета) действуютсилы притяжения.Вследствиеэтого лучизаходят в областьгеометрическойтени.
Приведенноеобъяснениебыло, конечно, неверным. Нов то время, когдаявление дифракциибыло еще недостаточноизучено, такоеобъяснениеказалосьубедительным.
Труднееобстояло делос объяснениемявления интерференции.Его уже началиизучать. И самНьютон сделалважный шаг висследованииинтерференциисвета в тонкихпленках.
Ученыйсобрал специальнуюустановку дляизучения этогояв-ления. Онвзял линзу, положил ее настекляннуюпластинку инаблюдал темныеи светлые кольца, которые видныпри освещениилинзы и пластинкимонохроматическимсветом. Это такназываемыекольца Ньютона.
Какможно объяснитьпоявление этикколец с точкизрения корпускулярнойтеории света? Падая сверхуна линзу, световыелучи на определенныхрасстоянияхот центра либоотражаются, либо преломляютсяи проходятчерез установку.В результатечего мы видимсистему светлыхи темных колец.
Нопочему же наодних расстоянияхот центра линзысвет отражается, а на другихпреломляется? На этот вопросНьютон ответил, что в однихместах световыелучи (световыечастицы) испытывают«приступылегкого отражения», а в других –«приступылегкого преломления».Но почему этопроисходит, ученый не могсказать.
Объяснениекольцам Ньютонабыло дано вначале XIX в. наоснове волновойтеории светаанглийскимученым Юнгом.Но об этом мыскажем позеже.После Ньютонакорпускулярнаятеории светастановитсяобщепризнанной.В течение всегоXVIII в. ее придерживалисьпочти все физики.
РАЗВИТИЕВОЛНОВОЙ ТЕОРИИСВЕТА
Возрождениеволновой теориисвета
Какмы сказаливыше, послеработ Ньютонасреди ученыхдержалосьтвердое убеждениев справедливостикорпускулярнойтеории света.Однако все жеи в XVIII в. былиученые«которыевозражалипротив этойтеории. Из крупныхученых можноназвать русскихакадемиковМ. В. Ломоносоваи Л. Эйлера.
Ломоносовсчитал, чтосвет – этораспространяющеесяколебательноедвижение частицэфира, т. е. неощутимойсреды, заполняющейвсе мировоепространствои пронизывающейпоры весомыхтел.
Противкорпускулярнойтеории света, по Ломоносову, говорит тообстоятельство, что световыелучи, проходячерез прозрачноетело с разныхсторон, не мешаютдруг другу.Вокруг алмаза, пишет Ломоносов, можно поставитьтысячи свечей, так что тысячипучков светабудут пересекатьдруг друга ипри этом ниодин луч небудет мешатьдругому. Этотфакт противоречитпредставлениюо том, что свет– это потоксветовых частиц, но он не противоречитволновой теориисвета. Подобноволнам на воде, которые проходятчерез одну иту же точку неизменяясь, световые волныпроходят черезпрозрачныетела, не мешаядруг другу.
Изизложенноговидно, что Ломоносовуже подходилк пониманиюявления интерференции.
Эйлер, так же как иЛомоносов, высказывалсяпротив корпускулярнойтеории света.Он уже отчетливопредставлялсвет как волны, распространяющиесяв эфире. Приэтом Эйлервпервые высказалидею о том чтоцвет определяетсячастотой колебанийв световойволне.
Однакони Ломоносов, ни Эйлер несмогли привлечьученых на сторонуволновой теориисвета.
В концеXVIII в. оптическиимиисследованиямизанялся английскийученый ТомасЮнг (1773 – 1829). Он пришелк важной идее, что кольцаНьютона оченьпросто можнообъяснить сточки зренияволновой теориисвета, опираясьна принципинтерференции.0н же впервыеи ввел название«интерференция»(от латинскихслов inter – взаимнои ferio – ударяю).
Весьмавероятно, чтоинтерференциюЮнг открыл, наблюдая этоявление дляводяных волн.Во всяком случае, описывая этоявление, онрассматривалинтерференциюводяных волн.Он писал: «Представимсебе, что некотороеколичествоодинаковыхводяных волндвижется поповерхностигладкого озерас некоторойпостояннойскоростью ипопадает вузкий канал, выходящий изозера. представимсебе также, чтопод действиемдругой причиныобразовалсятакой же рядволн, который, как и первый, доходит дозтого каналас той же скоростью.Ни один из этихрядов волн неразрушит другого, а их действиясоединятся.Если они вступаютв капал так, что гребниодного рядасовпадают сгребнями другого, то образуетсяряд волн сувеличеннымигребнями. Ноесли гребниодного рядабудут соответствоватьвпадинам другого, то они в точностизаполнят зтивпадины и поверхностьводы останетсягладкой. Я полагаю, что подобныеэффекты имеютместо всякийраз, когда подобнымобразом смешиваютсядве части света.Это явлениея называю закономинтерференциисвета».
Юнг, используяявление интерференции, объяснил появлениеколец Ньютона.Эти кольца вотраженномсвете возникаютв результатеинтерференциидвух лучейсвета, отраженныхот верхней инижней поверхностейвоздушнойпрослойки, образованнойлинзой и стекляннойпластинкой.От толщины этойпрослойки будетзависеть разностьхода междууказаннымилучами. В частности, они могут усиливатьили гасить другдруга. В первомслучае мы видимсветлое кольцо, во втором –темное.
Еслисвет, освещающийустановку, белый, то будутнаблюдатьсяцветные кольца.По расположениюколец для разныхцветов можноподсчитатьдлину волнысоответствующихцветных лучей.Юнг проделалэтот расчети определилдлину волныдля разныхучастков спектра.Интересно, чтопри этом ониспользовалданные Ньютона, которые былидостаточноточными.
Юнгобъяснил идругие случаиинтерференциив тонких пластинках, а также проделалспециальныйопыт по интерференциисвета. Этотопыт, который, как мы говорили, проводил ещеГримальдй, известен подназванием опытаЮнга.
В данномопыте наблюдаетсяне только явлениеинтерференции, но и явлениедифракциисвета. Еслизакрыть одноотверстиепальцем, то наэкране видныдифракционныекольца, образованныев результатепрохождениясвета черезмалое отверстие.
Результатысвоих исследованийпо оптике Юнгдоложил наученом заседанииЛондонскогокоролевскогообщества, атактже опубликовалих в начале XIXв. Но, несмотряна убедительностьработ Юнга, никто не хотелих признавать.Ведь признатьправоту выводовЮнга означалоотказатьсяот привычныхвзглядов и, кроме того, выступитьпротив авторитетаНьютона. На этопока еще никто, кроме самогоЮнга, не решался.
Наработы Юнгане обратиливнимания, а впечати дажепоявиласьстатья, содержащаягрубые нападкина него. Корпускулярнаятеория светапо-прежнемуказаласьнепоколебимой.
ИсследованияФренеля поинтерференциии дифракциисвета
Французскийинженер, ставшийвпоследствиизнаменитымфизиком, ОгюстенФренепь (1788 – 1827)начал заниматьсяизучениемявлений интерференциии дифракциис 1814 г. Он не знало работах Юнга, но подобно емуувидел в этихявленияхдоказательствоволновой теориисвета.
В 1817 г.Академия наукФранции объявилаконкурс налучшую работупо дифракциисвета. Френельрешил участвоватьв этом конкурсе.Он написалработу, в которойизложил результатысвоих исследований, и направил еев Академию наукв 1818 г. В этой работеФренель изложилряд случаевинтерференциисвета, которыеон исследовал.В частности, он описал опытпо интерференциисвета при прохождениичерез две соединенныевместе призмы, так называемаябипризма Френеля.
ОпытФренеля яснопоказываетслучай интерференцииот двух источниковсвета. С помощьюэтого опытаФренель подсчиталдлину волныдля красногосвета. При этомона получиласьравной длиневолны для красногосвета, определеннойиз других опытов.
Основноеже вниманиев своей работеФренель уделилопытам по дифракциисвета, для которойразработалспециальнуютеорию. Этатеория основываласьна усовершенствованномпринципе Гюйгенса, который в последующемстал называтьсяпринципомГюйгенса –Френеля.
ПоГюйгенсу, какмы видели выше, волновую поверхностьв данный моментвремени t можнорассматриватькак огибающуювсех сферическихволн, источникамикоторых являютсявсе точки волновойповерхностив более ранний, предыдущиймомент времениt0.
ПоФренелю, значениеамплитудысветовой волныв какой-либоточке пространствав момент времениt можно рассматриватькак результатинтерференциивсех сферическихволн, источникамикоторых являютсявсе точки волновойповерхностив более ранний, предыдущиймомент времениt0.
Френель, используя этотпринцип, исследовалразные случаидифракции ирассчиталрасположениеполос для этихслучаев.
Так, он рассмотрелпрохождениесвета черезмаленькоеотверстие иопределил, какая картинадолжна бытьвидна на экране, поставленномза этим отверстием.По его расчетам, получалось, что на экранебудут виднытемные и светлыекольца, еслисвет монохроматический.При этом Френельвычислил радиусыэтих колец взависимостиот размеровотверстия, отрасстоянияисточника светадо отверстияи расстоянияотверстия доэкрана, на которомнаблюдаетсядифракционнаякартина.
Френельописал и другиеслучаи дифракциисвета от различныхэкранов и рассчиталрасположениедифракционныхполос, исходяиз волновойтеории. Приэтом все расчетыФренеля совпадалис результатами, наблюдаемымина опыте.
Работы, представленныена конкурс, рассматриваласпециальнаякомиссия Академиинаук. В ее составебыли крупнейшиеученые тоговремени: Араго, Пуассон, Био, Гей-Люссак. Всеони держалисьньютоновскихвзглядов наприроду света.Естественно, что они недоверчивоотнеслись кработе Френеля.Однако совпадениерасчетов Френеляс опытнымиданными былонастолькохорошим, чтокомиссия немогла отвергнутьработу Френеляи была вынужденаприсудить емупремию.
Приэтом произошелинтересныйслучай. Рассматриваярасчеты Френеля, член комиссииПуассон заметил, что они приводятк парадоксальномурезультату: согласно Френелюполучалось, что в центретени от круглогоэкрана должнобыть светлоепятно. Однакоэтого до сихпор никто ненаблюдал. Изтеории Френеляследовало, чтоэто светлоепятно будетзаметно тольков том случае, если радиускруглого экранабудет малым.Проделанныйопыт подтвердилпредсказаниетеории Френеля, что произвело большое впечатлениена членов комиссии.
Итак, комиссия Академиинаук присудилапремию Френел~оза его работупо оптике. Однакоэто вовсе незначит, чтоволновая теориябыла признанаправильной.Премия ученомубыла дана заметод расчета.Что же касалосьсамих представлений, на основе которыхбыл сделанрасчет, т.е.представленийо волновойприроде света, то академики, рассматривающиеработу Френеля, не согласилисьс ним.
Онирассуждалипримерно так: физическиеосновы теориимогут бытьневерны, а результатырасчета правильны.Такие случаиистория знала.Например, пользуясьтеорией Птолемеяо строенииВселенной, можно вестирасчеты и получатьправильныерезультатыположенийнебесных светилна небе, однакопо существуона неверна.
Нужносказать в защитуакадемиков, что, несмотряна блестящиерезультагы, полученныеФренелем, в еготеории былопределенныйизъян. Дело втом, что, кромеинтерференциии дифракции, физики ужеисследовалиполяризациюсвета. Но теорияФренеля вопросовполяризациисвета не касалась.Более того, казалось, чтоона не в состоянииих объяснить.
Борьбаза признаниеволновой теориисвета
Френельне случайнов первых своихработах обошелвопрос о поляризациисвета. Ведь, рассматриваясветовые волныкак волны вэфире, Френельсчитал ихпродольными.Эфир – это оченьтонкая материя, он подобеночень разреженномувоздуху. А ввоздухе, какуже все знали, могут распространятьсятолько продольныеволны, напримерзвуковые, т.е.сгущения иразрежениявоздушнойсреды. В звуковыхволнах ничегоподобногоявлению поляризациине наблюдается.
Еслибы, конечно, поляризациясвета не былаеще известна.то вопрос оволновой природесвета решитьбыло бы проще.Но явлениеполяризациисвета былооткрыто.
Датскийфизик Бартолинеще в XVII в. исследовалявление двойноголучепреломления.Он наблюдал, что если накристалл исландскогошпата падаетлуч света, тоон при преломлениираздваивается.Если смотретьна точечныйисточник светачерез этоткристалл, томожно увидетьне один, а дватаких источника.Это явлениезависит оториентациикристаллаотносительнолуча.
В кристаллеесть направление, по которомураздваиваниелуча не происходит.Это направлениеназываетсяоптическойосью кристалла.
Явлениемдвойноголучепреломленияв начале XIX в.заинтересовалсяфранцузскийинженер Малюс.Исследуя этоявление, онобнаружил, чтоесли смотретьчерез кристаллисландскогошпата на изображениеСолнца в стекле, то при однихположенияхэтого кристаллавидно два солнца, а при определенномположениистекла и кристаллаодно из изображенийпропадает, дажеесли световыелучи направленыне вдоль оптическойоси.
Малюсбыл сторонникомкорпускулярнойтеории светаи с точки зренияэтой теориипопыталсяобъяснитьнаблюдаемоеявление.
Онрассуждал так: световые частицыне являютсяшариками. Ониподобно магнитамимеют полюсы.В обычном светеэти частицылетят, будучиориентированыв пространствехаотично. Приотражении жеот стекла иливоды они какбы сортируются.Одни, у которыхполюсы ориентированыопределеннымобразом, прелом-ляются, а другие, ориентируемыеиначе, отражаются.При определенномугле паденияэта сортировкабудет наиболееполной. И в этомслучае отраженныесветовые частицыбудут ориентированывсе в одномнаправлении.В этом случаеотраженныйсвет будетполыостьюполяризован.Малюс и назвалэто явлениеполяризацией.Слово «поляризация»он придумалисходя из идеио том, что частицысвета имеютполюсы.
Послеоткрытия Малюсастали усиленноизучать явлениеполяризациисвета. Был выясненцелый ряд свойствполяризованногосвета. Однакоученые всетакипытались объяснитьэто явлениес точки зрениякорпускулярнойтеории.
Создалосьтакое положение, когда Юнг иФренель прекраснообъяснилиявление интерференциии дифракции, пользуясьпредставлениямио волновойприроде света, но не моглиобъяснитьполяризациюсвета.
Раздумываянад явлениямиполяризациии двойноголучепра-ломления, Юнг и Френельпришли к убеждениюо необходимостисчитать световыеволны не продольными, а поперечными.С помощью этойгипотезы Френельисследовалуказанныеявления и разработалтеорию прохожденияпоперечныхволн черездвоякопреломляющеетело. Но все жегипотеза опоперечностисветовых волнвызвала многовозражений.
Действительно, уже было известно, что поперечныеволны могутсуществоватьи распространятьсятолько в твердыхтелах. Поэтомуэфир нужно былорассматриватькак твердоетело. Но эфирведь очень«тонкая среда», гораздо более«тонкая», чемвоздух. Он неоказываетникакогосопротивлениядвижению в немтел. Планеты, например, движутсяв эфире, не испытываяникакогосопротивления.Как же можносчитать эфиртвердым телом?
Большетого, всякоетело обладаетупругостьюпо отношениюк сжатию. А этозначит, что внем могутраспространятьсяволны сжатияи разрежения, т.е. продольныеволны. Следовательно, в каждом твердомтеле могутвозникать ипродольныеи поперечныеволны. Еслитолько признать, что тело являетсяабсолютнонесжимаемымили абсолютнотвердым, то внем должныотсутствоватьпродольныеволны. Следовательно, эфир нужно былобы рассматриватьне только кактвердое тело, но и как абсолютнотвердое тело.Такой эфир, конечно, представитьсебе было трудно.
Однакопостепенно, несмотря навсе трудности, стоявшие передгипотезой опоперечностисветовых волн, волновая теориясвета началапобеждать ивытеснятькорпускулярнуютеорию света.
Новыеисследованияинтерференциии дифракциисвета, в частностиизобретениедифракционнойрешетки, всебольше и большеподтверждалиэту теорию. Всебольше ученыхпереходит насторону волновойтеории света.Можно считать, что к 40-м гг. XIX в.волновая теориясвета становитсяобщепризнанной.
Чтоже касаетсятеории эфира, то над построениемее бились многиеученые. Но никтоиз них не могполучитьудовлетворительныхрезультатов; никто не могсоставитьудовлетворительногопредставленияо такой среде, в которой могутсуществоватьтолько поперечныеволны, обладающиесвойствамисветовых волн.
В 1864 г.Максвелл высказалгипотезу обэлектромагнитнойприроде света.Спустя почтидвадцать летГерц подтвердилее на опыте.После этогоперед физикамивстала проблемапостроитьтеорию эфира, которая давалабы объяснениеэлектрическими магнитнымявлениям, азначит и оптическим.
Ученыедолго трудилисьи над этой проблемой, предлагаяразличныемодели этойгипотетическойсреды. Былосоздано многотеорий, но ниодну из них непризналиудовлетворительной.Эфир ускользалот попытокфизиков построитьего теорию.
Появилосьдаже мнениео невозможностипостроениятакой теории.Так дело продолжалосьдо возникновениятеории относительности, которая покончилас эфиром и привелак новым представлениямо сущностйэлектромагнитных, а вместе с этими оптическихявлений.СПИСОКИСПОЛЬЗУЕМОЙЛИТЕРАТУРЫ
Спасский Б.И. „ФИзика в ее развитии“, пособие для учащихся. — М. Просвещение, 1979г. — 208с.
Дягилев Ф.М. „Из истории физики и жизни ее творцов“, М. Просвещение, 1986г., 255с.
Вавилов С.И. „Исаак Ньютон“, Издательство Академии наук СССР, 1960г., 294с.
МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
КУРСОВАЯРАБОТА
потеме:
Развитиеоптики, электричестваи магнетизмав XVIIIвеке
Выполнил:
студентIV курсаФМФ
ГригорьянЕвгений
Руководитель:
Орлова Н.В.
Мурманк,1998г.