Содержание
Введение
Глава 1. Исследование электродинамики Фарадея
1.1 Исследование развития электродинамики до Фарадея
1.2 Труды М.Фарадея по постоянному току
1.3 Исследование положений М.Фарадея о существованииэлектрического и магнитного полей
1.4 Исследование положений Фарадея о превращениимагнетизма в электричество и электричества вмагнетизм
Глава 2. Исследование электродинамики Фарадея-Максвелла
2.1 Роль Фарадея в развитие электродинамики и электромагнетизма
2.2 Модельное представление об электромагнитных процессах
2.3 Достоинства и недостатки идейФарадея
2.4 Использование идей Фарадея Максвеллом
2.5 Современный взгляд на электродинамику Фарадея-Максвелла
Заключение
Литература
Введение
Если действительно, длятого, чтобы гений реализовал свой творческий потенциал, он должен родиться внужное время и в нужном месте, то судьба Майкла Фарадея полностью этоподтверждает. В год его рождения был опубликован трактат Гальвани, когдаФарадею исполнилось 8 лет, был создан Лондонский Королевский институт пораспространению научных знаний. Годом позже в Лондонское Королевское общество — высший научный центр Великобритании — пришло сообщение об изобретении Вольта,когда Фарадею было 11 лет, его учитель Гемфри Деви доказал факт разложения водыс помощью вольтова столба и стал, таким образом, одним из основателей новойнауки — электрохимии.
Будущий великийанглийский физик (Faraday, Michael) (1791–1867), родился 22 сентября 1791 впредместье Лондона в семье кузнеца. С 12 лет работал разносчиком газет, затемучеником в переплетной мастерской. Занимался самообразованием, читал книги похимии и электричеству. В 1813 один из заказчиков подарил Фарадеюпригласительные билеты на лекции Г.Дэви в Королевском институте, сыгравшиерешающую роль в судьбе Фарадея. Благодаря Дэви он получил место ассистента вКоролевской ассоциации.
В начале Фарадей посвятилсебя химии, но затем увлёкся опытами с магнитными и электрическими явлениями.Он приступил к этим опытам не сразу, хотя постоянно носил с собой маятник,чтобы не забывать о том, что пора давно заняться магнетизмом.
В 1813–1815, путешествуявместе с Дэви по Европе, Фарадей посетил лаборатории ряда стран. Помогал Дэви вхимических экспериментах, начал самостоятельные исследования по химии.Осуществил ожижение газов, получил бензол. В 1821 впервые наблюдал вращениемагнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита, создалпервую модель электродвигателя. В течение последующих 10 лет занималсяисследованием связи между электрическими и магнитными явлениями, в 1831 открылэлектромагнитную индукцию, лежащую в основе работы всех электрогенераторовпостоянного и переменного тока.
В 1824 Фарадей был избранчленом Королевского общества, в 1825 стал директором лаборатории в Королевскойассоциации. С 1833 состоял Фуллеровским профессором химии Королевскогоинститута, оставил этот пост в 1862. Широкую известность получили публичныелекции Фарадея. Используя огромный экспериментальный материал, Фарадей доказалтождественность известных тогда «видов» электричества: «животного»,«магнитного», термоэлектричества, гальванического электричества ит.д. Стремление выявить природу электрического тока привело его к экспериментампо прохождению тока через растворы кислот, солей и щелочей. Результатомисследований стало открытие в 1833 законов электролиза (законы Фарадея). В 1845Фарадей обнаружил явление вращения плоскости поляризации света в магнитном поле(эффект Фарадея). В том же году открыл диамагнетизм, в 1847 – парамагнетизм.Ввел ряд понятий – подвижности (1827), катода, анода, ионов, электролиза, электродов(1834); изобрел вольтметр (1833). В 1830-х годах предложил понятие поля, в 1845впервые употребил термин «магнитное поле», а в 1852 сформулировалконцепцию поля.
Основные работы поэлектричеству и магнетизму Фарадей представлял Королевскому обществу в видесерий докладов под названием Экспериментальные исследования пЮ электричеству(Experimental Researches in Electricity). Кроме Исследований, Фарадейопубликовал работу Химические манипуляции (Chemical Manipulation, 1827). Широкоизвестна его книга История свечи (A Course of Six Lectures on the Chemical History of a Candle, 1861).
Тема дипломной работы «РаботыМ.Фарадея по электричеству» актуальна, так как его открытия внеслиогромный вклад в развитие не только фундаментальной, но и прикладной физики.
Талантливыйэкспериментатор, наделённый научной интуицией, Фарадей поставил ряд опытов, вкоторых были открыты фундаментальные физические законы и явления.
Фарадей высказал новые,оправдавшиеся в дальнейшем идеи о природе тока и магнетизма, о механизме проводимостив различных средах и др. Он доказал тождество различных видов электричества:полученного от трения, «животного», «магнитного» и др.Стремясь установить количественные соотношения между различными видамиэлектричества, Фарадей начал исследования по электролизу, открыл его законы(1833–34) и ввёл сохранившуюся доныне терминологию в этой области. Законыэлектролиза явились веским доводом в пользу дискретности вещества иэлектричества. В 1840, ещё до открытия закона сохранения энергии, Фарадей высказалмысль о единстве «сил» природы (различных видов энергии) и ихвзаимном превращении. Он ввёл представления о силовых линиях, которые считалфизически существующими.
Идеи Фарадея обэлектрическом и магнитном полях оказали большое влияние на развитие всейфизики. В 1832 Фарадей высказал мысль о том, что распространениеэлектромагнитных взаимодействий есть волновой процесс, происходящий с конечнойскоростью.
В 1845 году, исследуямагнитные свойства различных материалов, Фарадей открыл явления парамагнетизмаи диамагнетизма. В 1845 он установил вращение плоскости поляризации света вмагнитном поле (Фарадея эффект), это было первое наблюдение связи междумагнитными и оптическими явлениями, которая позднее явилась подтверждениемэлектромагнитной теории света Дж. Максвелла. Фарадей изучал также электрическиеразряды в газах, пытаясь выяснить природу электричества.
Открытия Фарадеязавоевали признание во всём научном мире. Впервые идеи Фарадея «перевёл»на общепринятый математический язык Максвелл. В предисловии к своему «Трактатупо электричеству и магнетизму» (1873) он писал: «По мере того, как яподвигался вперед в изучении Фарадея, я убедился, что его способ пониманияявлений также имеет математический характер, хотя он и не предстает намоблеченным в одежду общепринятых математических формул». Именем Фарадеявпоследствии были названы законы, явления, единицы физических величин и т.д.(фарада, фарадей, Фарадея число, цилиндр Фарадея и др.).
Ф. Энгельс оценивал Фарадеякак величайшего исследователя в области электричества. Значение Фарадея вразвитии науки отмечал А. Г. Столетов: «Никогда со времен Галилея свет невидал стольких поразительных и разнообразных открытий, вышедших из одной головы»
Объект исследования:научная деятельность М.Фарадея в области электродинамики и магнетизма.
Цель исследования: применениенаучных открытий и законов М.Фарадея на уроках в средней школе
Задачи исследования:
1) проанализировать основные идеи иработы по электродинамике и магнетизму, способствующие открытиям М.Фарадея;
2) изучить работы М.Фарадея попостоянному току;
3) раскрыть идеи М.Фарадея осуществовании электрического и магнитного полей;
4) рассмотреть эксперименты Фарадея попревращению электричества в магнетизм и магнетизма в электричество;
5) дать характеристику модельномупредставлению об электромагнитных процессах;
6) проанализировать основные идеиМ.Фарадея, получившие продолжение в работах Д.Максвелла.
7) изучить развитие электродинамики Максвелла-Фарадеяв современный период.
Глава 1. Исследование электродинамики Фарадея 1.1 Исследованиеразвития электродинамики до Фарадея
Начало электродинамикикак науки чаще всего соотносится с фундаментальными исследованиями У. Гильберта(1544-1603), который в 1600 г. издал трактат «О магните, магнитных телах ио большом магните Земли», содержавшем описание более 600 опытов,осуществленных при его непосредственном участии. Объем работ был столь велик, аэксперименты были выполнены столь безукоризненно, что потребовалось еще почтисто лет после Гильберта, чтобы получить существенно новые результаты.
Прорыв в области развитияфизики в других областях в 1820 г. сменяется не менее впечатляющим каскадомоткрытий в области электричества и магнетизма:
· Х. Эрстедоткрывает магнитное действие тока;
· А. Ампер — взаимодействие электрических токов;
· Ж. Био и Ф. Савар- закон, определяющий напряженность магнитного поля;
· Т. Зеебек — термоэлектричество.
Как уже говорилось,научное исследование электрических и магнитных явлений началось с книгиГильберта, которому принадлежит и термин «электричество»,произведенный от греческого названия янтаря. Гильберт кропотливо исследовалмножество самых различных тел и построил для этой цели специальныйэлектрический указатель, который он описывает таким образом: «Сделай себеиз любого металла стрелку длиной в три или четыре дюйма, достаточно подвижнуюна своей игле, наподобие магнитного указателя». С помощью этого указателя,прототипа современных электроскопов, Гильберт установил, что способностьюпритягивать обладают многие тела, «не только созданные природой, но иискусственно приготовленные». Однако он нашел также, что многие тела «непритягивают и не возбуждаются никакими натираниями». К числу их относитсяряд, драгоценных камней и металлы: «серебро, золото, медь, железо, такжелюбой магнит». Тела, обнаруживающие способность притяжения, Гильбертназвал электрическими, тела, не обладающие такой способностью,- неэлектрическими.Электрические явления, по Гильберту, коренным образом отличаются от магнитных.
Гильберт указывает, какпроизводится электризация тел трением: «Их натирают телами, которые непортят их поверхности и наводят блеск, например жестким шелком, грубым немаркимсукном и сухой ладонью. Трут также янтарь о янтарь, об алмаз, о стекло и многоедругое. Так обрабатываются электрические тела».
В сочинении Гильбертамного интересных наблюдений и догадок, смешанных с фантастическими объяснениямив духе средневековых алхимиков. Но главное значение его труда в том, что онположил твердое основание изучению электрических и магнитных явлений и на этомосновании началось интенсивное развитие этого важного раздела науки и техники.
Электрическими опытамизанимался и Ньютон, который наблюдал электрическую пляску кусочков бумаги,помещенных под стеклом, положенным на металлическое кольцо. При натираниистекла бумажки притягивались к нему, затем отскакивали, вновь притягивались, ит. д. Эти опыты Ньютон производил еще в 1675 г.
Эксперименты поэлектричеству проводили и другие члены Лондонского Королевского общества.Бойль, повторив опыты Герике с шаром, установил, что наэлектризованное тело нетолько притягивает ненаэлектризованное, но и, в свою очередь, притягиваетсяпоследним. Он показал, что электрические взаимодействия наблюдаются и ввакууме.
В 1700 г. доктор Уоллизвлек из натертого большого куска янтаря электрическую искру, проскочившую стреском в палец руки экспериментатора. Электрическую искру получил в 1705 гХауксби, заменивший серный шар Герике стеклянным. Ньютон в 1716 г. наблюдалискровой разряд между острием иголки и наэлектризованным телом. «Искранапомнила мне о молнии в малых, очень малых размерах», — писал Ньютон.Наконец, Стефэн Грей (1670-1736), также член Лондонского Королевского общества,в 1729 г. открыл явление электропроводимости тел и показал, что для сохраненияэлектричества тело должно быть изолировано. Он наэлектризовал ребенка, сначалапо две сив его на шнурах, сплетенных из волос, а затем поставив его на смолянойдиск.
Опыты Грея,опубликованные в 1731 и 1732 гг., обратили на себя внимание французскогоестествоиспытателя Шарля Дюфэ (1698—1739), создавшего первую теориюэлектрических явлений. Повторяя опыты Грея по электризации изолированногочеловеческого тела, он сам ложился на шелковые шнурки, и его электризовалинастолько сильно, что из тела при приближении руки другого человека выскакивалиискры.
Дюфэ установил два родаэлектрических взаимодействий: притяжение и отталкивание. Сначала он установил,что «наэлектризованные тела притягивают ненаэлектризованные и сейчас же ихотталкивают, как только они наэлектризуются вследствие соседства илисоприкосновения с наэлектризованными телами». В дальнейшем он открыл «другойпринцип, более общий и более замечательный, чем предыдущие». «Этотпринцип, — продолжает Дюфэ, — со стоит в том, что существует электричество двухродов, в высокой степени отличных один от другого: один род я называю „стеклянным“электричеством, другой — »смоляным"… ОсобХнность этих двух родовэлектричества: отталкивать однородное с ним и притягивать противоположное. Так,например, тело, наэлектризованное стеклянным электричеством, отталкивает всетела со стеклянным электричеством, и, обратно, оно притягивает тела со смолянымэлектричеством. Точно так же смоляное отталкивает смоляное и притягиваетстеклянное".
/>
Рис. 1. Первый опыт слейденской банкой
Этот закон былопубликован Дюфэ в Мемуарах Парижской Академии наук за 1733 г.
Новые открытия в областиэлектричества и усовершенствование электрических машин, получивших кондуктор,подушки для натирания и, наконец, сенсационное изобретение лейденской банки в1745-1746 гг., возбудили в обществе большой интерес к электричеству.Электрические опыты проводились в светских салонах и королевских дворцах, назаседаниях ученых обществ и в частных домах. За Европой последовали Америка иРоссия. Франклин, Рихман, Ломоносов, Эпинус внесли существенный вклад в этунауку.
Георг Вильгельм Рихманродился 11 июля 1711 г. в г. Пярну (тогда Пернове) в Эстонии. Рихман учился вгерманских университетах в Галле и Иене, а с 1735 г. в университетеПетербургской Академии наук. В 1740 г. он становится адъюнктом, а в следующем,1741 г. — профессором академии.
В январе 1745 г. Рихманначал собственные опыты по электричеству. В процессе этой работы, как пишет онсам, «я встретился со многими новыми явлениями...», далее "… открылновый удобный способ исследовать тела, обладающие первичным, и тела, обладающиепроизводным электричеством". Здесь под первичным электричеством Рихманпонимает электричество, возбуждаемое в изоляторах трением, под производным —электричество в проводниках, получаемое от контакта с заряженными телами.
Существенно новыммоментом в исследованиях Рихмана было то, что он «пытался подвергнутьизмерению порождаемое электричество». Вот как он описывает первую своюпопытку «измерить электричество»: «Маленькие весы я подвесил нажелезной подставке так, что одна чашка их нависла над этой подставкой, а другаявисела около нее на расстоянии 3 дюймов. На эту чашку я положил 30 гранов;поскольку равновесие было нарушено, коромысло с указанной стороны наклонилось идно другой чашки весов удалилось на 1 дюйм от железной подставки. Когдапроволока СDВ и весь аппарат были наэлектризованы, железная чашка тянула книзуи ударялась о подставку, слышался треск и одновременно был виден свет междуподставкой В и чашкой весов. Итак, на указанном расстоянии сила был а такая, что30 гранов могли быть подняты на высоту 1 лондонского дюйма. Тем же способом янадеялся измерить и электрическую силу».
Итак, Рихман попытался «взвесить»электрическую силу. Это была правильная идея, которая в своем развитии привелак изобретению абсолютного электрометра. Рихман описывал ряд опытов с различнымивесами и массами. Но потом он переходит к другому методу — методуэлектрического указателя — родоначальнику, современных электрометров.
«Я придумал и другойспособ сравнивать электрические силы. К железной проволоке СВ, отводящейэлектричество, я подвесил льняную нитку DE, затем на расстоянии 492 лондонскихлиний я укрепил шелковую голубую нитку, параллельную горизонту, а в g поместилтяжелое тело. Шелковую нитку Eg я разделил на десятые доли лондонского фута,обозначив точки деления льняными нитками. Когда проволоке сообщалосьэлектричество, нитка DE приближалась к тяжелому телу g и принимала наклонноеположение, например D4, D5, D6 и т. д. Когда электричество прекращалось, ниткавновь принимала вертикальное положение DB. Да позволено будет назватьуказателем электричества нить DE, свисающую с наделенной электричествомпроволоки и приближающуюся к тяжел ому телу».
Описание экспериментовРихмана было опубликовано в «Новых Комментариях» Петербургской Академиинаук за 1751 г. спустя шесть лет после начала опытов. Это была перваяпубликация по электричеству в России. Статья Рихмана «Новые опыты сэлектричеством, порождаемым в телах» содержит описание егоэкспериментальной установки и опытов, произведенных на этой установке.Установка состояла из электрической машины Гравезанда. От электризуемого шарамашины электричество отводилось железной проволокой к железной подставке,помещенной на смоле, заполнявшей конический сосуд. Подставка сообщалась сэлектрическим указателем, состоящим из вертикальной железной линейки, кверхнему концу которой прикреплялась льняная нить определенной длины и веса. Кстолу, на котором находился сосуд со смолой, прикреплялся деревянный квадрант сделениями, образующий шкалу указателя. Нить немного не доходила до шкалы. Кдругому концу железной подставки присоединялась также железная линейка, откоторой электричество могло передаваться различным телам.
Электрический указательзанимал мысли Рихмана до самой смерти. Он хорошо понимал, что «совершенныйэлектрометр должен оказать большую пользу в деле открытия и определения законовэлектричества», и, как он писал в неопубликованной рукописи «Обусовершенствовании электрического указателя», «делал много тщетныхпопыток в этой области». Описанный в «Комментариях» указательбыл жестко связан с экспериментальным столом, и в этом заключалось большоенеудобство. Рихман сделал переносной прибор, который представлял собойлейденскую банку (стеклянную бутылку, заполненную наполовину металлическими опилками,вставленную в металлический цилиндрический сосуд), в которую была помещенажелезная линейка, выступающая наружу. К наружному концу линейки прикрепляласьльняная нить.
В работе «Рассужденияоб указателе электричества и о пользовании им при исследовании явленийискусственного и естественного электричества» Рихман подводит итогмноголетней экспериментальной работы по исследованию электрических явлений,кончая исследованиями электрической природы молнии. "… Восемь лет назад, — пишет Рихман в 1753 г.,- я приступил… к исследованию электрических явлений.Совершенный электрометр, т. е. инструмент для определения электрической силы,вне всякого сомнения, может сильно способствовать развитию электрическойтеории. Вот почему с самого начала я сразу же стал размышлять об удобномспособе определять интенсивность электрической силы. Впрочем, мне до сих пор непосчастливилось сделать совершенный электрометр, — не знаю как другим".Так самокритично и честно оценивает Рихман свои поиски надежной конструкцииэлектрометра.
Для создания такогоинструмента потребовалось более ста лет. Электрометры были созданы во второйполовине XIX столетия.
В этой же работе Рихман описываетоба типа своих приборов и основные опыты, произведенные с ними, в том числе иопыты с электричеством грозы, приведшие к трагической гибели ученого 26 июля1753 г. Его классическая работа была опубликована в 1758 г., спустя пять летпосле смерти ученого. Несмотря на несовершенство указателя своего прибора,Рихман с полным правом утверждал, что он «является надежным инструментомдля распознавания больше или меньше градус электричества в той или инойнаэлектризованной массе». Он нашел, что «электрическая материя,некиим движением возбуждаемая вокруг тела, по необходимости должна опоясыватьего на некотором расстоянии; на меньшем расстоянии от поверхности тела действиеее бывает сильнее; следовательно, при увеличении расстояния сила ее убывает понекоторому, пока еще неизвестному закону». Другими словами, с помощьюсвоего указателя Рихман открыл существование электрического поля вокругзаряженного тела, напряженность которого убывает с увеличением расстояния оттела «по некоторому, пока еще неизвестному закону». Таким образом,русскому ученому принадлежит честь открытия электрического поля и вполнеопределенное утверждение о зависимости действия этого поля от расстояния доисточника поля. Этот «неизвестный пока закон» был найден спустя сороклет Кулоном. В своей работе Рихман упоминает Франклина и его теориюположительного и отрицательного электричества.
/>
Рис. 2. Первый проектэлектрического указателя. Рисунки Рихмана
/>
Рис. 3. Расположениеприборов в электрических опытах Рихмана
/>
Рис. 4. Электрическиеуказатель, применявшийся при исследовании грозы. Рисунок Рихмана
В этом ряду необходимоотметить и Франклина, который был одним из основателей Соединенных ШтатовАмерики, одним из создателей нового государства. Он был также основателем наукиэтого государства, учредителем одного из первых университетов, первого научногообщества — филадельфийского философского общества. Он внес своими трудамибольшой вклад в американскую и мировую науку. Среди этих трудов первое местозанимают его исследования по электричеству.
Эти исследованиясоставили содержание труда Франклина «Опыты и наблюдения надэлектричеством», состоящего из писем к члену Лондонского Королевскогообщества Питеру Коллинсону. Коллинсон прислал в филадельфийскую библиотекустеклянную трубку с указанием, как пользоваться ею для производстваэлектрических опытов. В письме к Коллинсону от 28 марта 1747 г. Франклин писал,что этот подарок побудил его и других членов библиотеки «занятьсяэлектрическими опытами, при проведении которых нами наблюдались некоторыеновые, по нашему мнению, явления». Франклин занимался электричеством сбольшим увлечением. "… Мне до этого никогда не приходилось проводитьисследование, которое столь полно завладело бы моим вниманием и временем..."- признавался он в том же письме. Результатом этого увлечения было созданиеунитарной теории электрических явлений, доказательство электрической природымолнии и другие важные открытия.
Один из первых опытовФранклина заключался в электризации чугунного шара, помещенного на горлышке «чистойсухой стеклянной бутылки». Электризация исследовалась с помощью легкогопробкового шарика, подвешенного на шелковой нити, прикрепленной к потолку.Франклин установил в этом опыте действие проводящего острия, разряжающего шар,и светящегося в темноте при разряде. Франклин уже в письме от 11 июля описалсвои опыты с наэлектризованным шаром, острием, заряженной вертушкой. Здесь онввел представление о положительном и отрицательном электричестве. «Чтобыэлектризовать плюс или минус, требуется знать лишь только то, что части трубкиили шара, которые натираются, притягивают в момент трения электрический огоньи, значит, забирают его из предмета, которым производится натирание; эти жесамые части, как только прекратится их натирание, стремятся отдать полученныйими огонь любому предмету с меньшим его количеством».
Таким образом, Франклинпользуется представлением об особой электрической субстанции, которую онназывает «электрическим огнем». Он предполагает, что электрическийогонь «является распространенным элементом» и тела до процессаэлектризации имеют равные количества этого элемента.
В письме от 1 сентября1747 г. Франклин описывает действие лейденской банки. «Удивительно, какэти два состояния электричества — плюсовое и минусовое — сочетаются иуравновешиваются в этой чудодейственной банке!» — восклицает он. Франклинтщательно исследовал эту взаимосвязь. Опытом с разборной банкой он установил,что вся сила банки и способность к удару заключается в самом стекле, а не вобкладках. Этот опыт им описан в письме IV от 1748 г. Здесь же он излагаетрезультаты* своих опытов и сконструированное им «колесо Франклина» — модель электростатического двигателя, распространенную принадлежность школьныхфизических кабинетов.
К 1749 г. теорияэлектричества Франклина была завершена. В письме Коллинсону от 29 июля 1750 г.он так формулирует ее основные положения.
«1. Электрическаясубстанция состоит из чрезвычайно малых частиц, так как она способна проникатьв обыкновенную материю, даже в самые плотные металлы, с большой легкостью исвободой, как бы не встречая при этом сколь-либо заметного сопротивления.
3. Электрическаясубстанция отличается от обыкновенной материи в том отношении, что частицыпоследней взаимно притягиваются, а частицы первой отталкиваются друг отдруга...
4. И хотя частицыэлектрической субстанции взаимно отталкивают друг друга, они сильнопритягиваются всей прочей материей.
6. Таким образом,обыкновенная материя по отношению к электрической жидкости является как бысвоеобразной губкой...
7. Но в обыкновеннойматерии содержится (как правило) столько электрической субстанции, сколько онаможет заключать в себе. Если прибавить ей этой субстанции еще, то онаразместится снаружи, на поверхности, и образует то, что мы называемэлектрической атмосферой; в этом случае говорят, что предмет наэлектризован.
15. Электрическаяатмосфера принимает форму того предмета, который она обволакивает...»
Франклин показывает, чтоэлектрическая атмосфера обволакивает шар равномерно, с остриев ее легчеотобрать, чем с граней. Он демонстрирует стекание электричества с острия наразличных опытах. Заметим, что это свойство острия и углов было еще раньшеоткрыто и исследовано Рихманом. Существенно, что в теории Франклинаэлектричество является субстанцией, которую нельзя создать или уничтожить, аможно только перераспределить. Закон сохранения электрического заряда — основноеположение теории Франклина, предшественницы электронной теории.
Франклин высказал такжегипотезу, что молния представляет собой разряд наэлектризованных туч. Онпроизвел знаменитый опыт с воздушным змеем, запуская его при приближениигрозовых туч. К верхнему концу вертикальной планки крестовины змея онприкреплял заостренную проволоку. К концу бечевки привязывал ключ и шелковуюленту, которую держал рукой. «Как только грозовая туча окажется над змеем,заостренная проволока станет извлекать из нее электрический огонь, и змейвместе с бечевой наэлектризуется… А когда дождь смочит змей вместе с бечевой,сделав их тем самым способными свободно проводить электрический огонь, Выувидите, как он обильно стекает с ключа при приближении Вашего пальца».(Письмо Коллинсону от 19 октября 1752 г.).
Опыты Франклина и егоидея громоотвода вызвали широкий резонанс. Их повторяли в Европе. Жан Далибар(1703-1799) во Франции, установив на подставке из электрика (т. е. изолятора) всаду железный заостренный шест высотой 40 футов, извлекал из него искры вовремя грозы. Аналогичные наблюдения проводили Ломоносов и Рихман в Петербурге.
Необходимо отметить, чтоФранклин, употребляя термины «электрик» и «неэлектрик»,критиковал их как неверные. По его теории электричество содержится во всехтелах; электрическая субстанция «довольно равномерно рассредоточена повсей массе нашего шара, состоящего из суши и воды». Поэтому термины «электрик»и «неэлектрик» должны быть отброшены как неверные и замененыпонятиями «проводник» и «непроводник» (единственное отличиеодних тел от других состоит только в том, что некоторые проводят электрическуюсубстанцию, другие нет)".
Совершенно независимо отФранклина начал «электрические воздушные наблюдения» и Ломоносов. Емуудалось с помощью электрического указателя установить электрическое состояниеатмосферы в отсутствие грома и молнии. Об этом он сообщал в своей посмертноопубликованной статье.
Рихман и Ломоносов неприняли теории Франклина. Ломоносов разрабатывал свою теорию электрическихявлений, в которой сделал попытку объяснить электричество движением частицэфира. Сопоставляя это с идеей Рихмана об электрическом поле, можноконстатировать, что если Франклин предвосхитил будущую электронную теорию, топетербургские академики предвосхитили будущую теорию поля Фарадея — Максвелла.
В 1759 г. в Петербургевышла на латинском языке книга «Опыт теории электричества и магнетизма»академика Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724—1802). За два года до выходаэтой книги член Берлинской Академии наук Эпинус принял приглашениеПетербургской Академии наук и заключил контракт на пять лет.
«Опыт теорииэлектричества и магнетизма» Эпинуса, в отличие от книги Франклина и работРихмана, рассматривал не только электрические явления, но и магнетизм. При этомв отличие от Гильберта, Эпинус ищет не отличия, а сходства между электричествоми магнетизмом. Открытие им полярной электризации турмалина при нагревании(пироэлектричество), опубликованное им в 1756 г., поразило его в особенноститем, что он обнаружил «чрезвычайное сходство между этим камнем(турмалином) и магнитом». Под впечатлением этого открытия Эпинус «началснова исследовать сходство между магнитом и электрической силой». Врезультате этих исследований он стал считать «причины магнитных иэлектрических явлений совершенно сходными, а действия магнита аналогичнымидействиям лейденской банки».
В основу своей теорииЭпинус кладет представление об электрической и магнитной жидкостях, частицыкоторых взаимодействуют с материей и между собой притягательными иотталкивательными силами. Следуя примеру Ньютона, Эпинус не рассматриваетприроду этих сил, а описывает с помощью их экспериментальные факты. Вместе стем Эпинус замечает, что хотя он «вполне убежден в существовании силпритяжения и отталкивания », однако не считает их, «как поступаютнекоторые неосторожные последователи великого Ньютона, силами, внутреннеприсущими телам», и не одобряет учения, «которое постулирует действиена расстояние». "… Мой взгляд, — пишет Эпинус, — сводится к тому,что притяжения и отталкивания… я считаю явлениями, причины которых ещескрыты, однако от них зависят и от них берут начало другие явления". Эпинуспринимает франклиновскую гипотезу единой электрической жидкости: «Существуетнекая жидкость, производящая все электрические явления и вследствие этогоназванная электрическою, тончайшая, весьма эластичная, части которой, даже назначительных расстояниях, заметно отталкивают друг друга». «Частицыэтой жидкости притягиваются материей, из которой состоят все известные до сихпор тела».
По отношению кэлектрической жидкости материальные тела разделяются на два класса: одни легкопроводят электрическую материю, другие «препятствуют ее свободномуперемещению». Первую группу тел Эпинус называет «не электрическими посвоей природе», другую — «электрическими по своей природе».
Выше говорилось, чтоФранклин считал эти термины неправильными и предпочитал говорить о проводникахи непроводниках. Однако термины «неэлектрик», «электрик»держались долго и лишь в первой половине XIX в. были заменены привычными длянас терминами «проводники» и «изоляторы».
По аналогии сэлектрическими явлениями Эпинус вводит для описания магнитных явлений магнитнуюжидкость. "… Ее частицы, как и частицы электрической жидкости, взаимноотталкивают друг друга". Однако большинство тел в природе не реагирует смагнитной жидкостью, лишь некоторые тела, и прежде всего железо, притягиваютсямагнитной материей.
«Существуетвеличайшее сходство между железом и железными телами, с одной стороны, ителами, электрическими по своей природе, с другой...» «До сих порнеизвестно ни одного тела, которое действовало бы на магнитную материю исоответствовало бы телам, не электрическим по природе». Таким образом,Эпинус констатирует сходство магнетиков (ферромагнетиков) и «электриков»(диэлектриков), а также отсутствие для магнетизма проводимости, аналогичнойэлектрической проводимости. Но в остальном электрическая и магнитная жидкости,по Эпинусу, действуют по сходным законам. Так, тела не взаимодействуют, еслисодержат «естественное» количество электрической или магнитнойжидкости. Электричество и магнетизм возникает "… либо увеличениемколичества электрической или магнитной жидкости так, чтобы оно стало вышеестественного, либо уменьшением так, чтобы оно стало ниже его". «Франклинназвал, — говорит Эпинус, — электричество, которое получается путем увеличенияколичества электрической материи, положительным, а то, которое получается путемее уменьшения, отрицательным. В том же смысле я сохраняю эти термины, переносяих на магнетизм».
В том же, 1759 г., вкотором вышло сочинение Эпинуса, англичанин Саймер выдвинул дуалистическуютеорию электричества, предположив существование двух противоположных родовэлектричества: одного — аналогичного электричеству, получающемуся на стекле приего натирании, другого — аналогичного электричеству, получающемуся приэлектризации янтаря («смоляное» электричество). По унитарной теорииФранклина — Эпинуса «любое тело, предоставленное самому себе,самопроизвольно всегда возвращается в такое состояние, когда оно содержит точнотакое количество электрической жидкости, какое достаточно для достиженияравновесия между силой притяжения или силой отталкивания».
Эпинус разбираетвозможные случаи взаимодействия тел. При этом он высказывает предположение, чтосилы отталкивания электрических или магнитных масс уменьшаются с увеличениемрасстояния между ними. Хотя вид этой функциональной зависимости ему неизвестен,однако он признает, что «охотно утверждал бы, что эти величины изменяютсяобратно пропорционально квадратам расстояний». Эту зависимость емуподсказывает аналогия с законом тяготения. Эпинус указывает, что наблюдающиесяна опыте притяжения ненаэлектризованных тел к наэлектризованным объясняютсятем, что «это тело благодаря одному лишь приближению к другомунаэлектризованному телу само может стать наэлектризованным». Это явлениеэлектрической индукции было известно уже Рихману, его описали в 1754 г.англичанин Джон Кантон (1718—1772) и в 1757 г. немец Иоганн Карл Вильке(1732-1796).
Эпинус исследовалэкспериментально электрическую индукцию в проводниках и изоляторах, при этом онустановил, что в изоляторах она выражена слабее, чем в проводниках. Такимобразом, Эпинус по сути дела открыл поляризацию диэлектриков.
В своем трактате Эпинусвыдвинул положение об электростатическом равновесии тела, утверждая, что телостремится самопроизвольно перейти в такое состояние, в котором количествоэлектричества в нем будет «естественным». Он подробно анализируетсилы, действующие на тело, постулируя, что равновесие электричества в немдостигается, когда сумма притягательных и отталкивательных сил равна нулю. Ноон не сумел понять закона распределения электричества в проводниках инаблюдения Франклина. Естествоиспытатель и философ Пристли, правильно оценилважность эксперимента Франклина. Этот эксперимент получает объяснение, еслипредположить, что силы взаимодействия электрических частиц обратно пропорциональныквадрату расстояния. Пристли высказал это предположение в своей «Историиэлектричества» в 1767 г., а в 1771 г английский лорд Кавендиш впервыеэкспериментально показал, что силы взаимодействия электрических зарядовподчиняются закону:
/>
где n=2±1/50
Опыт Кавендиша заключалсяв следующем. Шар диаметром 12, 1 дюйма, покрытый оловянной бумагой (станиолем),помещался внутри другого шара 13,3 дюйма в диаметре так, чтобы он былизолирован от наружного шара. Наружный шар состоял из двух полушарий, такжепокрытых станиолем, которые можно было раздвигать. Через небольшое отверстие внаружном шаре можно было устанавливать проводящий контакт между ним ивнутренним шаром с помощью проволочки, привязанной к шелковине. В начале опыта,когда полушария сближены и установлен проводящий контакт, наружную сферузаряжают от лейденской банки. Затем с помощью шелковинки контактную проволокуудаляют, раздвигают наружные полушария и исследуют электризацию внутреннегошара.
Электроскоп не обнаружилзаряда этого шара. Кавендиш исследовал чувствительность электроскопа и показал,что он мог бы обнаружить заряд внутреннего шара, равный 1/60 заряда внешнейсферы. Отсюда Кавендиш вывел, что сила взаимодействия электрических частицубывает с расстоянием по закону:
/>,
где n отличается от двухне более чем на1/50.
Генри Кавендиш(1731-1810) в 1766 г открыл водород и получил углекислый газ, он показал, чтовода получается при горении водорода. Кавендиш с помощью крутильных весовопределил постоянную закона тяготения и тем самым «взвесил» Землю.Одинокий, чудаковатый джентльмен, он неохотно публиковал свои работы, и вчастности свои электрические исследования. Они оставались неизвестными до 1879г., когда их опубликовал Максвелл, первый профессор лаборатории Кавендиша,открытой на средства потомка Генри Кавендиша в Кембридже в 1874 г.
Максвелл повторил опытыКавендиша с электрометром Томсона и показал, что п может отличаться от 2 неболее чем на 1/21600.
«Что касаетсяскрытности Кавендиша, — писал в 1891 г. известный электрофизик Хевисайд, — тоона совершенно непростительна; это грех» Этот «грех» стоилКавендишу славы открывателя точного закона электрических взаимодействий,который навсегда вошел в науку под названием закона Кулона.
Французский военныйинженер, а с 1781 г. член Парижской Академии наук Шарль Огюстен Кулон(1736-1806) в 1777 г. исследовал кручение волос, шелковых и металлическихнитей. Результатом этих исследований явилось открытие закона кручения :
/>
где φ —уголкручения, Р — закручивающая сила, l — длина нити, r — ее радиус.
В 1784 г. Кулонсконструировал чувствительный прибор — крутильные весы. С помощью этих весовойоткрыл законы электрических и магнитных взаимодействий.
/>
Рис. 5. Крутильные весыКулона
Его опыты и выводы из нихопубликованы им в 1782-1785 гг. в семи мемуарах. Аппарат Кулона представлялсобой стеклянный цилиндр с измерительной шкалой по окружности, в крышкецилиндра имелись центральное и боковое отверстия. В центральное отверстиепропускалась серебряная нить, закрепленная на измерительной головке ипроходящая по оси высокого стеклянного цилиндра, заканчивающегося упомянутойголовкой. Нить несла легкое стеклянное коромысло, на котором находились шарик ипротивовес. В боковое отверстие пропускался стерженек, несущий наэлектризованныйшарик.
В первом мемуаре 1785 г.Кулон исследовал отталкивающую силу и нашел, что при угловых расстояниях междушариками (которые первоначально при контакте получают одинаковые заряды) 36°,18°, 9° нить закручивалась соответственно на 36°, 144°, 576°, т. е. силы рослиобратно пропорционально квадратам расстояний. Во втором мемуаре Кулон нашелзакон взаимодействия магнитных полюсов.
Существенным моментом вработе Кулона было установление метода измерения количества электричества иколичества магнетизма (магнитных масс). В научной системе единиц законы Кулонадают основную базу системы электрических и магнитных единиц. После Кулона сталовозможным построение математической теории электрических и магнитных явлений.
Закон Кулона, один изосновных законов электростатики, определяющий силу взаимодействия между двумяпокоящимися точечными электрическими зарядами, т. е. между двумя электрическизаряженными телами, размеры которых малы по сравнению с расстоянием между ними.Установлен Кулоном в 1785 опытным путём с помощью изобретённых им крутильныхвесов. Согласно закону Кулона, два точечных заряда взаимодействуют друг сдругом в вакууме с силой F, величина которой пропорциональна произведениюзарядов e1 и e2 и обратно пропорциональна квадратурасстояния r между ними:
/>
Здесь k — коэффициентпропорциональности, зависящий от выбранной системы единиц; в абсолютной(гауссовой) системе единиц (СГС системе единиц) k = 1.
Сила F направлена попрямой, соединяющей заряды, и соответствует притяжению для разноимённых зарядов(F 0).
Если взаимодействующиезаряды находятся в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε,то сила взаимодействия уменьшается в ε раз:
/>
Закон Кулона служит одним изэкспериментальных оснований классической электродинамики; его обобщениеприводит, в частности, к Гаусса теореме.
Законом Кулона называетсятакже закон, определяющий силу взаимодействия двух магнитных полюсов:
/>
Здесь f — коэффициентпропорциональности (в общем случае не совпадающий с k; в абсолютной системеединиц f = 1), m1, m 2 — магнитные заряды, μ —магнитная проницаемость среды, окружающей взаимодействующие полюса. В вакууме:
/>
Открытие гальванизманезависимо от какой-либо философии должно было рано или поздно привести коткрытию электромагнетизма, и не случайно приоритет Эрстеда оспаривался. Еще в1876 г. Эндрюс (1813—1885) в своей президентской речи на собрании БританскойАссоциации содействия прогрессу наук в Глазго должен был вернуться к вопросу оприоритете Эрстеда. Этот вопрос решен в пользу Эрстеда, и современный историкнауки полностью согласен со словами Велланского: «Электромагнетизм открытв Копенгагене профессором Эрстедом, который открытие свое возвестил 1820 года».
Ханс Кристиан Эрстедродился 14 августа 1777 г. в семье датского аптекаря. Учился Эрстед вКопенгагенском университете, где в 20 лет получил диплом фармацевта, а в 22года степень доктора философии. В 1806 г. он становится профессоромКопенгагенского университета. Увлекшись философией Шеллинга, он много думал освязи между теплотой, светом, электричеством и магнетизмом. Плодом этихразмышлений явился изданный в 1813 г. в Париже трактат «Исследования отождестве электрических и химических сил». В 1820 г. он сделал своезнаменитое открытие, описанное им в брошюре «Опыты, относящиеся к действиюэлектрического конфликта на магнитную стрелку». Брошюра была издана налатинском языке в Копенгагене и датирована 21 июля 1820 г. Это открытиеобессмертило имя ее автора в истории физики. Увлечение философией Шеллингасказалось уже в самом названии брошюры Эрстеда. Он называет процесс,происходящий в проволоке, соединяющей полюсы гальванической батареи, не током,а «конфликтом». Результатом этого «конфликта» являетсяразогревание проводника, причем Эрстед считал, что нагревание проволокинеобходимо для получения эффекта. Опыты над действием тока на магнитную стрелкупривели Эрстеда к важному выводу, что «электрический конфликт,по-видимому, не ограничен проводящей проволокой, но имеет довольно обширную сферуактивности вокруг этой проволоки». Отбрасывая философскую терминологию,можно констатировать, что Эрстед обнаружил вокруг проволоки с током магнитноеполе, действующее на ток.
Далее он пишет: «Крометого, из сделанных наблюдений можно заключить, что этот конфликт образует вихрьвокруг проволоки». Другими словами, магнитные силовые линии окружаютпроводник с током, или электрический ток является вихрем магнитного поля.Таково содержание первого основного закона электродинамики, и в этом сутьоткрытия Эрстеда.
Сегодня любой школьникбез труда воспроизведет опыт Эрстеда, продемонстрирует «вихрьэлектрического конфликта», насыпав на картон, через центр которогопроходит проволока с током, железные опилки.
Но обнаружить магнитныедействия тока было нелегко. Их пытался обнаружить Петров, соединяя полюсы своейбатареи железными и стальными пластинками. Он не обнаружил никакогонамагничивания пластинок после нескольких часов пропускания через них тока.Имеются сведения и о других наблюдениях, однако с полной достоверностьюизвестно, что магнитные действия тока наблюдал и описал Эрстед. Это открытиепривлекло внимание физиков Европы. «Ученый датский физик, профессор, — писал Ампер,- своим великим открытием проложил физикам новый путь исследований.Эти исследования не остались бесплодными; они привлекли к открытию множествафактов, достойных внимания всех, кто интересуется прогрессом».
Открытие Эрстеда вызвалоширокий резонанс. Вскоре, после того как де ла Рив в Женеве повторил опытыЭрстеда, хлынул поток опытов и сообщений. В сентябре 1820 г. Араго показал, чтопроволока с током притягивает железные опилки. В том же сентябре Швейгерприменил эффект Эрстеда в качестве указателя тока (мультипликатор). В 1821 г.Поггендорф (1796-1877) придал ему удобную форму, и в этом виде его и понынеможно видеть в школьных физических кабинетах.
Закон действия тока намагнитный полюс был установлен экспериментально Био и Саваром. Доклад об этомзаконе Био и Савар сделали 30 октября 1820 г. Лаплас облек закон Био— Савара вматематическую форму элементарного взаимодействия между элементом тока инамагниченной точкой. В этой форме закон Био — Савара фигурирует в учебникахфизики.
Наибольший вклад визучение электромагнетизма внес французский физик Ампер, назвавший новуюобласть физики «электродинамикой», и это название прочно вошло в языкфизики. Он изучал естественные науки, математику, греческий, латинский иитальянский языки. Ампер изучил все тома знаменитой «Энциклопедии»Дидро и Даламбера, труды Эйлера, Бернулли, Лагранжа.
Ампер избираетпедагогическое поприще. Сначала он работает домашним учителем, а в 1802 г.становится преподавателем физики и химии в центральной школе г. Бурге. В 1803г. Ампера назначают преподавателем математики в Лионский лицей. В следующем,1804 г. он становится репетитором в Политехнической школе в Париже, а с 1808г.— ее профессором.
В 1814 г. его избираютчленом Академии наук. С 1820 г. Ампер усиленно занимается электродинамикой, и в1826 г. выходит его основной труд по электродинамике «Теорияэлектродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». ПозжеАмпер занимается многими научными проблемами, в том числе и проблемойклассификации наук. В результате этих исследований появилось его сочинение «Опытфилософии наук, или Аналитическое изложение естественной классификации всехчеловеческих знаний», первый том которого вышел в 1834 г., второй,незаконченный том вышел посмертно в 1843 г.
Вершиной научноготворчества Ампера является создание электродинамики. Начиная с первогосообщения в Парижской Академии наук 18 сентября 1820 г., последовавшего черезнеделю после сообщения Араго об открытии Эрстеда, идут один за другим сообщенияАмпера: 25 сентября; 2, 9, 16, 30 октября; 6, 13 ноября; 4, 11 и 26 декабря1820 г. В 15-м томе «Анналов химии и физики» был опубликован «Труд,представленный Королевской Академии наук 2 октября 1820 г. и содержащий резюмедокладов, прочитанных в академии 18 и 25 сентября 1820 г. относительно действийэлектрических токов». Этот труд подытоживал напряженную работу Ампера поисследованию нового явления, выполненную в течение короткого двухнедельногопромежутка времени.
Ампер различает дваосновных электрических понятия: электрическое напряжение и электрический ток.Под электрическим током Ампер понимает «состояние электричества в цепипроводящих и электродвижущих тел»; под его направлением — направлениеположительного электричества. Внутри вольтова столба это будет «направлениеот конца, на котором при разложении воды выделяется водород, к концу, накотором выделяется кислород». "… Направление электрического тока впроводнике, соединяющем концы столба, будет обозначать направление от конца,где выделяется кислород, к концу, где выделяется водород". Следовательно,Ампер вводит впервые такие фундаментальные понятия, как «электрический ток»,«электрическая цепь», устанавливает направление тока в замкнутойцепи. Наименование единицы тока ампер, принятое в физике, вполне оправданозаслугами Ампера. Он же вводит термин «гальванометр» для прибора,действие которого основано на отклонении магнитной стрелки, и указывает, что «имследует пользоваться при всех опытах с электрическими токами, как принятопользоваться электрометром при электрических машинах, чтобы видеть в каждыймомент, существует ли ток и какова его энергия».
Ампер впервые установилналичие механических взаимодействий токов, которые могут быть в зависимости отнаправления как притягательными, так и отталкивательными. Он подчеркивает, что «этипритяжения и отталкивания… существенно отличаются от тех, которые вызываютсяэлектричеством в состоянии покоя». Ампером выведен закон, законмеханического (пондеромоторного) взаимодействия двух токов, текущих в малыхотрезках проводников, находящихся на некотором расстоянии друг от друга.
Сила F12,действующая со стороны первого отрезка проводника ll1 на второй ll2(рис. 6), равна:
/>
/>
Рис. 6. Закон Ампера
/>
Рис. 7. Взаимодействиедвух элементарных токов: а — параллельных, б — антипараллельных. Все отрезки(векторы) на рисунке лежат в одной плоскости.
Исследуя экспериментальноэлектродинамические взаимодействия, Ампер приходит к выводу, что путемкомбинации проводников и магнитных стрелок можно «устроить своего родателеграф с помощью одного вольтова столба, расположенного вдали от стрелок».Так, идея электромагнитного телеграфа возникла в первый же год открытияэлектромагнетизма. Она разрабатывалась рядом изобретателей и ученых. В 1829 г.русский дипломат П. Л. Шиллинг (1786-1837) сконструировал телеграфный аппарат,дающий возможность передавать русские буквы и цифры с помощью шестимультипликаторов. Аппарат Шиллинга был установлен в Зимнем дворце. В 1833 г.Гаусс и Вебер построили телеграфную линию в Геттингене, соединяющуюастрономическую и физическую лаборатории. Существовали и другие системы, вчастности система русского физика Б. С. Якоби (1801-1874). Однако широкоераспространение электромагнитный телеграф получил после того, как американскийизобретатель Самуил Морзе (1791-1872) создал удобную конструкцию аппарата,разработал схему соединения отравительной и приемной станции и изобрелспециальную азбуку с двумя знаками (точка — тире). Первый аппарат Морзе былпостроен в 1835 г., а в 1844 г. заработала телеграфная линия Вашингтон — Балтимор.
Ампер очень скоро пришелк мысли об эквивалентности магнитного листка круговому току и разработалпредставление о магните «как о совокупности электрических токов,расположенных в плоскостях, перпендикулярных к линии, соединяющей полюсымагнита». Отсюда он пришел к выводу, что спираль, обтекаемая током(соленоид), будет эквивалентна магниту. Это привело Ампера к мысли оботсутствии магнитных агентов («магнитных жидкостей») в природе и овозможности свести все явления магнетизма к электродинамическимвзаимодействиям. Амперова молекулярная теория магнетизма получила физическуюопору в электронной физике уже в XX в. Обобщающим трудом Ампера была «Теорияэлектродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», изданнаяв 1826 г. с подзаголовком «Произведение, в котором собраны труды г.Ампера, доложенные им Королевской Академии наук в заседаниях от 4 и 26 декабря1820 г., 10 июня 1822 г., 22 декабря 1823 г., 12 сентября и 28 ноября 1825г.».
Он поставил перед собойзадачу, основываясь на опыте, вывести формулу взаимодействия элементов тока.Задача была нелегкой. Опыт давал только интегральное взаимодействие. Амперварьировал опыты с взаимодействием токов, пытаясь нащупать правильную формулуи, интегрируя ее для различных случаев конечных контуров тока, сравнитьрезультат с опытом, формула Ампера открывает длинный ряд элементарных законовэлектродинамики.
Важно, что элементарныевзаимодействия двух элементов тока не удовлетворяют третьему закону Ньютона,это новый тип взаимодействия, отличный от обычных центральных сил. Впрочем, тообстоятельство, что физика открыла новый тип сил, отличный от гравитационных,электростатических и магнитных сил, было ясно уже из опыта Эрстеда.Электродинамические силы, как правильно заметил Ампер, новые силы, отличные отсил, известных в электростатике.
Однако сам Ампер искалсвой закон, опираясь на третий закон механики. Он полемизировал с Био,установившим, что силы, действующие со стороны элемента тока на магнитныйполюс, образуют пару с силой, действующей со стороны полюса на элемент тока. Такначалась проблема закона сохранения количества движения в электродинамике.Ампер еще не подозревал о существовании поля, о запаздывании электромагнитныхдействий. Он стоял на позициях дальнодействия, что для постоянных токов былодопустимо. Но ему и его современникам уже пришлось столкнуться с новымифактами, трудно объяснимыми при помощи ньютоновских представлений.
/>
Рис. 8. Станок Ампера
Эрстед, а затем и Фарадейясно увидели вихревой характер магнитного поля. В 1821 г. Фарадей доказалэкспериментально, что отдельный магнитный полюс, помещенный вблизи проводника стоком, приходит в непрерывное вращение. Ему пришлось проявить немалоизобретательности, чтобы придумать такое расположение проводников и магнита,чтобы действию тока подвергался только один полюс. Магнит в опыте Фарадеявращался безостановочно, пока цепь была замкнута. Это была первая модельэлектродвигателя.
Как всегда бывает внауке, когда открывается новое поле исследования, появляется большое количествоэкспериментаторов и изобретателей, возникают бесчисленные споры о приоритететого или иного открытия. Имена этих экспериментаторов и изобретателей нынезабыты или полузабыты, Фарадею пришлось выдержать длительный спор о приоритетев открытии электромагнитных вращений.
Из многочисленныхоткрытий и изобретений в области электричества, сделанных в 20-е годы XIX в.,следует упомянуть об открытии в 1821 г. термоэлектричества. Оно принадлежитприбалтийскому физику Томасу Зеебеку (1770—1831). Это открытие стало возможнымблагодаря открытию Эрстеда и некоторое время даже именовалось термомагнетизмом.В свою очередь, открытие Зеебека и изобретение мультипликатора дали возможностьнемецкому учителю Георгу Ому (1787—1854) открыть количественный закон цепиэлектрического тока, носящий ныне его имя.
Ома закон, устанавливает,что сила постоянного электрического тока I в проводнике прямо пропорциональнаразности потенциалов (напряжению) U между двумя фиксированными точками(сечениями) этого проводника:
RI = U
Опыты и теоретическиерассуждения Ома, который находился под сильным влиянием вышедшего в 1822 г.сочинения Фурье (1768-1830) «Аналитическая теория тепла», былиописаны им в основном труде «Гальваническая цепь, разработаннаяматематически» (1827). Следует отметить, что этот закон, без которого мысейчас не представляем себе учебника электричества, не сразу был принятфизиками и стал входить в науку только в конце 30-х — начале 40-х годов XIX в.Его признание шло параллельно с успехами электрометрии. Одним из первых приняли применил закон Ома русский академик Э.Х.Ленц, который рассматривал и вопросыраспределения тока в разветвленных проводниках, явившись предшественникомКирхгофа.
Ленц занимался такжеизучением электромагнитов, впервые на основе опытов Араго и теории Амперасозданных Вильямом Стердженом (1783-1850) в 1825 г. Электромагниты с большойподъемной силой были построены американским физиком Джозефом Генри (1799-1878),независимо от Фарадея открывшим электромагнитную индукцию. Однако егопубликация об этом открытии запоздала, и слава великого открытия принадлежит МайклуФарадею. 1.2 ТрудыМ.Фарадея по постоянному току
Истоки современнойэлектротехники восходят к замечательным трудам английского ученого МайклаФарадея, которые, в свою очередь, были подготовлены предшествовавшими работамипо изучению электрических и магнитных явлений.
Фарадея для науки открылХэмфри Дэви. Он очень много дал Фарадею, который признавал роль учителя в своемстановлении как ученого. Многие работы Фарадея как бы логически вытекали изработ или идей Дэви.
Остановимся на законахэлектролиза, которые он открыл уже после смерти учителя, базируясь на теорииДэви, развитой Берцелиусом и другими известными учеными. Но количественныхзакономерностей изменений, происходящих в растворе, никто установить не смог. Азвучат законы настолько просто, что диву даешься, как их не смоглисформулировать маститые ученые.
Количество разложенногопри электролизе вещества увеличивается пропорционально силе тока и времени егопрохождения.
Количество выделенных наэлектродах веществ пропорциональны их химическим эквивалентам.
Но законы не толькопозволили вести количественные расчеты. Благодаря законам Фарадея сталовозможным сделать вывод «об электрической природе материи и об атомномстроении электричества, на которых зиждется все современное материалистическоеестествознание».
Д. Максвелл писал: «Там,где математики видели центры напряжения сил дальнодействия, Фарадей виделпромежуточный агент. Где они не видели ничего, кроме расстояния, удовлетворяясьтем, что находили закон распределения сил, действующих на электрические флюиды(т.е. заряды – с современной точки зрения), Фарадей искал сущность реальныхявлений, протекающих в среде».
Нет нужды повторяться отой огромной роли, которую сыграл Дэви в судьбе Фарадея. Но рассказ будетнеполным и искаженным, если мы упустим некоторые факты взаимоотношений учителяи ученика. Когда в 1823 г. Фарадей опубликовал несколько работ, связанных спроблемами химии, Дэви, напечатавшего всего одну статью за год, это задело заживое. Кроме того, ученые все больше ссылались в своих работах на Фарадея, а нена его учителя. Кончилось тем, что когда Фарадей подал заявление о приеме его вчлены Королевского общества, президент сэр Хэмфри Дэви выступил против. Правда,Дэви одумался, и Фарадея в следующем году почти единогласно избрали членомКоролевского общества (один голос против).
В 1834 г. Фарадей в работе «Об электрохимическом разложении» предложил ввести новуютерминологию. И на этот раз, как и все, что выходило из-под пера Фарадея,терминология была проста, научно обоснованна и понятна: Электролиты, ионы(путешественники), катионы (к отрицательному полюсу), катод (путь вниз), анод(путь вверх) и соответственно, анионы. Это был вклад в основу единого языка имеждународного сотрудничества. Справедливо говорил Бульвер-Литтон, английскийписатель: «Гений творит то, что он должен, талант – то, что может».
Знаменитый опыт Фарадея стороидальным сердечником из мягкого железа и двумя обмотками, соединенными одначерез ключ с батареей, другая с гальванометром, известен всем со школьнойскамьи.
Явление электромагнитнойиндукции воспринимали, как открытие нового вида электричества — «магнитоэлектричества». Фарадей решил окончательно доказать, что вприроде не существует разных «электричеств». Для этого он получилвосемь различных действий от пяти видов «электричества»(обыкновенного, гальванического, животного, термоэлектричества имагнитоэлектричества). Следующая серия исследований Фарадея была посвященаэлектрохимическим явлениям. Он предложил и ныне принятую терминологию:электролиз, электрод, катод, анод, анион, катион.
Электролиз (от электро…и греч. lysis — разложение, растворение, распад), совокупность процессовэлектрохимического окисления-восстановления на погруженных в электролитэлектродах при прохождении через него электрического тока. Электролиз лежит воснове электрохимического метода лабораторного и промышленного полученияразличных веществ — как простых (электролиз в узком смысле слова), так исложных (электросинтез).
Изучение и применениеэлектролиза началось в конце 18 — начале 19 вв., в период становленияэлектрохимии. Для разработки теоретических основ электролиза большое значениеимело установление М. Фарадеем в 1833-34 точных соотношений между количествомэлектричества, прошедшего при электролизе, и количеством вещества,выделившегося на электродах.
Промышленное применениеэлектролиза стало возможным после появления в 70-х гг. 19 в. мощных генераторовпостоянного тока.
Особенность электролиза — пространственное разделение процессов окисления и восстановления:электрохимическое окисление происходит на аноде, восстановление — на катоде.электролиз осуществляется в специальных аппаратах — электролизёрах.
Электролиз происходит засчёт подводимой энергии постоянного тока и энергии, выделяющейся при химическихпревращениях на электродах. Энергия при электролизе расходуется на повышениегиббсовой энергии системы в процессе образования целевых продуктов и частичнорассеивается в виде теплоты при преодолении сопротивлений в электролизёре и вдругих участках электрической цепи.
На катоде в результатеэлектролиза происходит восстановление ионов или молекул электролита собразованием новых продуктов. Катионы принимают электроны и превращаются в ионыболее низкой степени окисления или в атомы, например при восстановлении ионовжелеза (F3+ +e = Fe2+), электроосаждении меди (Cu2++ 2e = Cu). Нейтральные молекулы могут участвовать в превращениях на катоденепосредственно или реагировать с промежуточными продуктами катодного процесса.На аноде в результате электролиза происходит окисление ионов или молекул,находящихся в электролите или принадлежащих материалу анода (анод растворяетсяили окисляется), например: выделение кислорода (4OH- = 4e + 2H2O+ O2) и хлора (2C1- =2e + Cl2), образованиехромата (Cr3+ + 3OH- + H2O = CrO42-+ 5H+ + 3e), растворение меди (Cu = Cu2+ + 2e),оксидирование алюминия (2Al + 3H2O = Al2O3 +6Н++ 6e).
Электрохимическая реакцияполучения того или иного вещества (в атомарном, молекулярном или ионномсостоянии) связана с переносом от электрода в электролит (или обратно) одногоили нескольких зарядов в соответствии с уравнением химической реакции. Впоследнем случае такой процесс осуществляется, как правило, в видепоследовательности элементарных одноэлектронных реакций, то есть постадийно, собразованием промежуточных ионов или радикальных частиц на электроде, частоостающихся на нём в адсорбированном состоянии.
Скорости электродныхреакций зависят от состава и концентрации электролита, от материала электрода,электродного потенциала, температуры и ряда других факторов. Скорость каждойэлектродной реакции определяется скоростью переноса электрических зарядов черезединицу поверхности электрода в единицу времени; мерой скорости, следовательно,служит плотность тока.
Были установленысоотношения между весами различных веществ, выделяемых на электродах припропускании одного и того же количества электричества, связь между химическимии электрохимическими эквивалентами. При этом Фарадей пришел к выводу онеобходимости ввести понятие «абсолютного количества электричества» — заряда грамм-атома одновалентного вещества, названного потом «числомФарадея».
Количественные законыэлектролиза, открытые М. Фарадеем (1833 – 34) выражают связь между количествомпрошедшего через электролит электричества, массой и химической природой (черезэквиваленты химические) веществ, претерпевших превращение на электродах,
1-й закон.: массы т превращенных веществпропорциональны количеству электричества q, прошедшего через электролит,
2-й закон.: массы различных веществ,превращенных в результате прохождения через электролит одного и того жеколичества электричества, пропорциональны химическим эквивалентам А этихвеществ.
Из второго закона Фарадеяследует, что для выделения электрическим током 1 г-экв. различных веществнеобходимо одно и то же количество электричества, называемое Фарадея числом F.Математически законы Фарадея можно записать в виде одного уравнения т = (A/F) q= kq (коэффициент k = A/F называется электрохимическим эквивалентом).
Оба закона Фарадеяабсолютно точны, если ионами электролита переносится всё прошедшее через негоколичество электричества. Наблюдаемые в некоторых случаях отклонения от этихзаконов могут быть связаны с неучтенными побочными электрохимическими реакциями(например, выделение газообразного водорода при электроосаждении некоторыхметаллов) или с частичной электронной проводимостью (например, при электролизенекоторых расплавов).
Не будучи сторонникомтеории о существовании неделимых атомов, он открыл путь к введению понятияатома электричества (заряда электрона) и, таким образом, к мысли о сложностистроения самого атома. Величина заряда электрона определяется, как известно,делением числа Фарадея на число Авогадро. 1.3 Исследованиеположений М.Фарадея о существовании электрического и магнитного полей
В 1838 году Фарадейпровел серию разнообразных опытов с газовыми разрядами различных типов и, вчастности, обнаружил необъяснимое в то время «темное пространство»(названное его именем), свидетельствующее об отсутствии симметрии в поведенииположительных и отрицательных носителей разрядного тока.
С 1839 года силы Фарадеяпришли в упадок. Как показал проведенный в последствии анализ симптомов болезниученого, это было ртутное отравление (Фарадей постоянно пользовался ртутнымиконтактами). Но могло сказаться и переутомление от чрезвычайно напряженнойумственной работы. В 1845 году, когда самочувствие его улучшилось, оносуществил давно задуманный опыт по выявлению связи света и магнетизма и обнаружилвращение плоскости поляризованного света в магнитном поле.
К началу 1850 г.г. Фарадей сконцентрировал внимание на магнитных явлениях, достиг важных результатов, как вэкспериментах, так и в развитии своих теоретических воззрений.
В эпохальных опытахГальвани, Эрстеда, Фарадея и др. открытые ими явления были неожиданными,непредсказуемыми, трудно поддававшимися объяснению. В конце концов, их открытияпривели к осмыслению новой картины мира, а практически — к совершенно новым видамсвязи, новой энергетике, новому образу жизни.
При этом главную роль втеоретическом осмыслении нового круга явлений сыграл именно Фарадей. Он не былв плену общепринятых механистических концепций и опирался на наблюдения, опыты,интуицию и упомянутую уже идею о взаимосвязи и взаимопревращаемости силприроды.
Фарадей категорическиотвергал мнение о мгновенном дальнодействии. Ключевое слово для него — индукция. И не только в трактовке опытов, но и в стиле их проведения. Егоинтересовал механизм действия сил в разных средах, электрические и магнитныепроцессы, происходящие как в веществе, так и в пространстве. Им было введенопонятие диэлектрика, диэлектрической проницаемости, которую он называл удельнойиндуктивной способностью, открыт диамагнетизм, как универсальное свойствоматерии, в парамагнетике подавляемое. В то время существовала гипотеза обэфире, помогающая понять поперечность световых волн, как механическихколебаний. Фарадей ею не пользуется. Он совершает смелый шаг, утверждаясамостоятельное существование электрических и магнитных силовых линий,предвосхищая этим идею существования поля, как физической реальности.
Подвиг Фарадея состоит втом, что он завершил накопление экспериментальных открытий в областиэлектромагнетизма и положил начало их теоретическому осмыслению, завершенномуМаксвеллом. Наглядность перестала быть обязательной для объяснения физическихявлений.
Мысль об объяснениисветовых явлений с помощью колебаний электрических и магнитных сил,распространяющихся с конечной скоростью, возникла у него еще в 1832 году, когдаон оставил в Лондонском Королевском обществе описание своей гипотезы взапечатанном пакете, но хотел закрепить свой приоритет. Пакет был вскрыт толькочерез сто с лишним лет, в 1938 году, через пол века после того, как Генрих Герцокончательно доказал существование электромагнитных (в том числе световых)волн.
В 1845 году М. Фарадеемоткрыт эффект Фарадея, который явился первым доказательством наличия прямойсвязи между магнетизмом и светом.
Эффект Фарадея, один изэффектов магнитооптики, заключается во вращении плоскости поляризацииэлектромагнитного излучения (например, света), распространяющегося в веществевдоль силовых линий постоянного магнитного поля, проходящих через это вещество.
Феноменологическоеобъяснение эффекта Фарадея заключается в следующем. Намагниченное вещество вобщем случае уже нельзя охарактеризовать единым преломления показателем n.
Показатели преломления n+ и n- для излучения правой и левой круговых поляризаций становятся различными.Проходящее через изотропную среду линейно поляризованное излучение всегда можетбыть формально представлено как суперпозиция (наложение) двух поляризованных поправому и левому кругу волн с противоположным направлением вращения.
Различие n + и n-приводит к тому, что поляризованные по правому и левому кругу составляющиеизлучения распространяются в среде с различными фазовыми скоростями, приобретаяразность хода, линейно зависящую от оптической длины пути. В результатеплоскость поляризации монохроматического света с длиной волны (послепрохождения в среде пути l поворачивается на угол φ: (= φl(n + – n-)/φ. Разность (n + – n-) линейно зависит от напряжённостимагнитного поля Н в области не очень сильных полей, в которой в общем случаесправедливо соотношение φ = VHl, где константапропорциональности V зависит от свойств вещества, длины волны излучения итемпературы и носит название постоянной Верде.
Эффект Фарадея оказалсятесно связанным с Зеемана эффектом, открытым в 1896 и обусловленнымрасщеплением уровней энергии атомов и молекул магнитным полем. Частоты,соответствующие отщепленным уровням, сдвигаются симметрично по отношению косновной частоте. Эта симметричность проявляется, в частности, в том, чтоквантовые переходы между этими уровнями при продольном относительно поляраспространении света (в этом случае можно считать исходный уровеньрасщепленным лишь на 2 подуровня) происходят с испусканием и поглощениемфотонов, поляризованных по кругу направо и налево. В результате показателипреломления (и коэффициент поглощения), слабо зависящие от длины волны(частоты) света, становятся различными для право- и левополяризованных по кругукомпонент монохроматического излучения. Грубо можно сказать, что различиескоростей обусловлено различием длин волн (частот) света, поглощаемого ипереизлучаемого частицами вещества. Строгое описание Ф. э. возможно лишь врамках квантовой теории.
В эффекте Фарадея яркопроявляется специфический характер вектора напряжённости магнитного поля Н (Н –осевой вектор, «псевдовектор»). Обусловленное Н направление поворотаплоскости поляризации при эффекте Фарадея, в отличие от явления естественнойоптической активности, не зависит от направления распространения излучения.Поэтому многократное прохождение света через среду, помещенную в магнитноеполе, приводит к возрастанию угла поворота плоскости поляризации всоответствующее число раз. Эта особенность эффекта Фарадея нашла применение приконструировании так называемых невзаимных оптических и микроволновых устройств,циркуляторов, гираторов, фазовращателей СВЧ и т.д. Эффект Фарадея широкоиспользуется в научных исследованиях.
В этой области столькооткрытий и идей, предложенных Фарадеем, что только перечисление эффектов,явлений и физических величин, названных именем Фарадея, очень впечатляет.
Фарада, единица электрической ёмкости вМеждународной системе единиц и в МКСА системе единиц. Названа в честь М.Фарадея. Обозначения: рус. ф, международное F. 1 Ф. – ёмкость конденсатора, прикоторой заряд в 1 кулон создаёт на обкладках конденсатора разность потенциалов1 вольт. Единица ёмкости системы СГСЭ 1 см = /> (с – числовое значение скоростисвета в вакууме, выраженное в см/сек). В практике чаще применяются дольные отФ. единицы: микрофарада (мкф, F), 1 мкф = 10-6 ф, и пикофарада (пф,pF), 1 пф = 10-12ф.
Фарадей,внесистемная единица количества электричества, применяется в электрохимии;названа в честь М. Фарадея. 1 Ф. = (9,648456 ± 0,000027) (104 к (на 1973), т.е. равен стольким же кулонам, сколько к/моль содержится в Фарадея числе.
В 1840 году, ещё дооткрытия закона сохранения энергии, Фарадей высказал мысль о единстве «сил»природы (различных видов энергии) и их взаимном превращении. Он ввёлпредставления о силовых линиях, которые считал физически существующими.
Силовые линии, линии,проведённые в каком-либо силовом поле (электрическом, магнитном,гравитационном), касательные к которым в каждой точке пространства совпадают понаправлению с вектором, характеризующим данное поле (напряжённостьюэлектрического или гравитационного полей, магнитной индукцией). Изображениесиловых полей с помощью Силовых линии — частный случай изображения любыхвекторных полей с помощью линий тока. Так как напряжённости полей и магнитнаяиндукция — однозначные функции точки, то через каждую точку пространства можетпроходить только одна Силовая линия. Густота силовых линий обычно выбираетсятак, чтобы через единичную площадку, перпендикулярную к силовой линии,проходило число силовых линий, пропорциональное напряжённости поля (илимагнитной индукции) на этой площадке.
Таким образом, силовыелинии дают наглядную картину распределения поля в пространстве: густота силовыхлиний и их направление характеризуют величину и направление напряжённости поля.Силовые линии электростатического поля всегда незамкнуты: они начинаются наположительных зарядах и оканчиваются на отрицательных (или уходят набесконечность). Силовые линии вектора магнитной индукции всегда замкнуты, т. е.магнитное поле является вихревым. Железные опилки, помещенные в магнитное поле,выстраиваются вдоль силовых линий; благодаря этому можно экспериментальноопределять вид силовых линий магнитной индукции. Вихревое электрическое поле,порождаемое изменяющимся магнитным полем, также имеет замкнутые силовые линии.
Идеи Фарадея обэлектрическом и магнитном полях оказали большое влияние на развитие всейфизики. В 1832 году Фарадей высказал мысль о том, что распространениеэлектромагнитных взаимодействий есть волновой процесс, происходящий с конечнойскоростью. 1.4 Исследованиеположений Фарадея о превращении магнетизма в электричество и электричества вмагнетизм
Талантливыйэкспериментатор, наделённый научной интуицией, Фарадей поставил ряд опытов, вкоторых были открыты фундаментальные физические законы и явления. Ознакомившисьс работой Х. Эрстеда об отклонении магнитной стрелки вблизи проводника с током(1820), Ф. занялся исследованием связи между электрическим и магнитнымиявлениями и в 1821году впервые обнаружил вращение магнита вокруг проводника стоком и вращение проводника с током вокруг магнита. В течение последующих 10лет Фарадей пытался «превратить магнетизм в электричество»; егоисследования завершились в 1831году открытием индукции электромагнитной. Ондетально изучил явление электромагнитной индукции, вывел её основной закон,выяснил зависимость индукционного тока от магнитных свойств среды, исследовалявление самоиндукции и экстратоки замыкания и размыкания. Открытие явленияэлектромагнитной индукции сразу же приобрело огромное научное и практическоезначение; оно легло в основу электротехники.
Работам Фарадея в областиэлектричества положило начало исследование так называемых электромагнитныхвращений. Из серии опытов Эрстеда, Араго, Био, Савара, проведенных в 1820 г.,стало известно не только об электромагнетизме, но и о своеобразиивзаимодействий тока и магнита: здесь действовали не привычные для классическоймеханики центральные силы, а силы иные, стремившиеся установить магнитнуюстрелку перпендикулярно проводнику. Фарадей поставил перед собой вопрос: нестремится ли магнит к непрерывному движению вокруг проводника с током? Опытподтвердил гипотезу.
В 1821 году Фарадей далописание физического прибора. В левом сосуде с ртутью находился стержневойпостоянный магнит, закрепленный шарнирно в нижней части. При включении тока еговерхняя часть вращалась вокруг неподвижного проводника. В правом сосудестержень магнита был неподвижен, а проводник с током, свободно подвешенный накронштейне, скользил по ртути, совершая вращение вокруг полюса магнита. Этобыло первое электромагнитное устройство с непрерывным движением. Именно с этогомомента, судя по всему, у Фарадея начинают складываться представления овсеобщей ''взаимопревращаемости сил''. Получив при помощи электромагнетизманепрерывное механическое движение, он ставит перед собой задачу обратитьявление или, по терминологии Фарадея, превратить магнетизм в электричество.
Схема прибора изображенана рис. 9. В левом сосуде с ртутью находился постоянный магнит, закрепленныйшарнирно в нижней части. В сосуд опускался неподвижный проводник, и привключении тока верхняя часть магнита начинала вращаться вокруг проводника. Вправом сосуде стержень был неподвижен, а проводник с током, свободно подвешенныйна кронштейне, скользил по ртути, совершая вращение вокруг полюса магнита.
/>
Рис.9. Схема «электромагнитныхвращений» (по рисунку Фарадея): 1,2 — чаши с ртутью; 3 — подвижный магнит;4 — неподвижный магнит; 5, 6 — провода, идущие к батарее; 7 — медный стержень;8 — неподвижный проводник; 9 — подвижный проводник.
Это явление было названо «эффектомэлектромагнитных вращений»; таким образом, Фарадей впервые показалвозможность построения электрического двигателя и опубликовал в журналеКоролевского общества статью «О новых электромагнитных движениях».
В качестве примера,характеризующего ход мыслей ученого и формирование его представлений обэлектромагнитном поле, рассмотрим явление, получившее тогда название ''магнетизмавращения''. За много лет до работ Фарадея мореплаватели заметили тормозящеевлияние медного корпуса компаса на колебания магнитной стрелки. В 1824 годуАраго описал это явление, но ни он, ни другие физики объяснить явление''магнетизма вращения'' не могли. Сущность явления состояла в следующем.Подковообразный магнит мог вращаться вокруг вертикальной оси, а над егополюсами находился алюминевый диск, который также мог вращаться на оси,совпадающей по направлению с осью вращения магнита. В состоянии покоя никакихвзаимодействий между диском и магнитом не наблюдалось. Но стоило начать вращатьмагнит, как диск устремлялся вслед за ним и наоборот. Чтобы исключитьвозможность увлечения диска потоками воздуха, магнит и диск были разделеныстеклом. Открытие электромагнитной индукции помогло Фарадею объяснить явлениеАраго и уже в самом начале исследования записать: ''Я надеялся сделать из опытагосподина Араго новый источник электричества'' Только абсолютная убежденность всправедливости гипотезы ''взаимопревращаемости'' может объяснитьцелеустремленность и настойчивость Фарадея. Прошло целых семь лет, покаФарадей, и никто другой, сумел объяснить «загадку» Араго. Но преждеон должен добиться «превращения магнетизма в электричество». 29августа 1831 г. — памятный день не только в жизни Фарадея, но и в историинауки. Из рисунков в лабораторном журнале видна последовательность егозаключительных экспериментов, приведших к величайшему открытию.
На деревянную катушку 4(рис. 10, а) была намотана медная проволока 1, а между ее витками наматываласьвторая проволока 2, изолированная от первой хлопчатобумажной нитью. Одна изспиралей соединялась с гальванической батареей 3, другая с гальванометром 5.При замыкании и размыкании цепи стрелка гальванометра слабо отклонялась. Но (иэто очень важное наблюдение) если ток проходил по первой спирали непрерывно,стрелка гальванометра оставалась неподвижной. Было очевидно, что в первомслучае во вторичной цепи возникал ток. Но почему он появлялся только призамыкании или размыкании цепи, то есть при возникновении «магнитных сил»вокруг проводника или при их исчезновении? Чтобы выяснить свойства тока,индуктированного во вторичной цепи, Фарадей поместил внутрь вторичной обмоткистальную иглу 8 (рис. 10, 6) и убедился, что она намагничивается.
Следовательно, возникшийток обладал теми же свойствами, что и ток, полученный от батареи. Эти явленияФарадей назвал «вольтаэлектрической индукцией».
/>
Рис. 10. Схема основных опытов при открытии электромагнитнойиндукции (по рисункам Фарадея).
Но почему гальванометротклоняется только при замыкании и размыкании цепи? На этот вопрос в наши дниможет легко ответить любой старшеклассник, а великий экспериментатор оставалсянаедине со своими сомнениями. Подозревая, что взаимодействие двух обмотокосуществляется через окружающую среду, он заменил деревянную катушку железнымкольцом 1 (рис. 10, г). И оказалось, что стрелка гальванометра отклонялась набольший угол, то есть окружающая проводник с током среда действовала сильнее,когда воздух заменяло железное кольцо, легко намагничивающееся током. ТакФарадей пришел к одному из самых фундаментальных своих открытий — установлениюактивной роли среды, окружающей спирали,; то есть магнитного поля. Заметим,кстати, что в опыте с железным кольцом и двумя спиралями можно увидеть прообразпростейшего трансформатора (Рис. 12).
Но Фарадей знал, чтомагнитное состояние среды можно изменить и без электрического тока с помощьюобычных стержневых постоянных магнитов. Он расположил два постоянных магнита(рис. 10, д) так, что при поднятии и опускании их полюсов исчезает и возникаетмагнитное поле вокруг катушки. При этом стрелка гальванометра заметноотклоняется. Это явление Фарадей назвал «магнитоэлектрической индукцией».Ввиду того, что между «вольтаэлектрической» и «магнитоэлектрической»индукцией принципиальной разницы не было, позднее оба эти явления былиобъединены Фарадеем термином «электромагнитная индукция». Двазаключительных эксперимента (рис. 2, е-ж) демонстрировали появление тока придвижении внутри соленоида постоянного магнита или катушки с током. При этомособенно наглядно демонстрировалась возможность «превращения магнетизма в электричество»— гениальная гипотеза ученого была убедительно подтверждена! А через несколькодней Фарадей осуществил еще один эксперимент, с помощью которого нагляднообъяснил явление Араго: при вращении магнита в медном диске наводилисьиндуктированные токи и они, взаимодействия с полюсами магнита, вызываливращение диска.
Но Фарадей не был быФарадеем, если бы не предложил использовать это явление на практике. Он писал: «Получивэлектричество из магнетизма вышеописанным образом, я полагаю, что опыт г-на Арагоможет стать новым источником получения электричества, и я надеялся, что… мнеудастся сконструировать электрическую машину». Ученый принес в лабораториюбольшой подковообразный электромагнит (хранящийся до сих пор в музееЛондонского Королевского общества), прикрепил к полюсам магнита «двастальных бруска», а в промежуток между ними ввел край медного диска. Крайдиска и его ось были соединены посредством щеток с гальванометром (рис. 11).При вращении диска в нем возникал ток. Так была создана электрическая машина,позднее получившая название «униполярный генератор».
/>
Рис. 11. Схема униполярного генератора (по рисунку Фарадея).
При объяснениивозникновения тока в диске машины Фарадей вводит понятие «магнитныхсиловых линий», при пересечении которых возбуждается ток. «Эти линиимагнитных сил, — писал Фарадей, — становятся доступными нашему зрению, когда мырассматриваем расположение железных опилок вокруг полюса магнита». Такудивительно образно сумел он описать сложное физическое явление.
В августе 1831 г. былсделан решающий опыт, а 24 ноября на заседании в Королевском обществе былаизложена сущность явления электромагнитной индукции. Семнадцатого октября 1831г. Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Это был хорошоподготовленный и заранее продуманный опыт. Вот как об этом писал Фарадей: ''Явзял цилиндрический магнитный брусок и ввел один его конец в просвет спирали измедной проволоки, соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движениемвтолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометраиспытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит из спирали, и стрелкаопять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялисьвсякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался. Это значит, чтоэлектрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств,присущих ему в покое''.
Вслед за открытиемэлектромагнитной индукции Фарадей проверяет новую идею. Если движение магнитаотносительно проводника создает электричество, то, видимо, движение проводникаотносительно магнита должно приводить к такому же результату. Значит, естьвозможность создать генератор электрического тока, обеспечив непрерывноеотносительное движение проводника и магнита. Фарадей быстро строит и испытываетновое устройство: между полюсами подковообразного магнита вращается медныйдиск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой напериферии) снимается напряжение. Это был первый генератор электрического тока!
/>
/> Этот аппарат показывал напряжение вызванное в катушке. Первый трансформатор
Рис. 12. Первый генераторэлектрического тока Фарадея
С ноября 1831 г. Фарадейначал систематически печатать свои ''Экспериментальные исследования поэлектричеству'', составившие 30 серий более чем из 3000 параграфов. Перваясерия посвящена электромагнитной индукции; последняя — законам намагничивания(1855 г.). В этих сериях отражена двадцатичетырехлетняя работа Фарадея, в нихжизнь, мысли и воззрения ученого.
Фарадей высказал новые,оправдавшиеся в дальнейшем идеи о природе тока и магнетизма, о механизме проводимостив различных средах и др. Он доказал тождество различных видов электричества:полученного от трения, «животного», «магнитного» и др.
Роль Фарадея вчеловеческой цивилизации совершенно уникальна. До него ученые — естествоиспытатели исследовали круг явлений, известных из повседневного опыта ивоспринимаемых каким-либо из пяти органов чувств человека. Фарадей же открылновый вид материи, органами чувств не воспринимаемый — электоромагнитное поле,положив новые пути развития науки и техники. Не зря говорят: «Гений творитто, что должен».
Джозеф Генри – человек,которого не признали современники, — решал проблему получения электричества спомощью магнитного поля. Он пришел к выводу, что вызвать электрический ток взамкнутом витке проводника можно, если магнит перемещать возле провода. Далее,создав магнитное поле, он, меняя ток, заставил колебаться и магнитное поле. Вдругом проводе, находящемся в переменном магнитном поле, индуцировался ток.Генри оттягивал публикацию, пытаясь накопить побольше фактов, и… в мае 1832года он прочел в журнале:
«17 февраля.Господин Фарадей сделал отчет (в Королевском обществе) о первых двух разделахего исследований в области электричества, а именно, о вольто-электрической имагнитно-электрической индукции...
Если перемещать магнитвблизи проводника, не подключенного к источнику электрической энергии, то впоследнем индуцируется электрический ток, который легко обнаружить».
Опыты, на основаниикоторых Фарадей подготовил статью, были проведены несколькими месяцами раньше,а Генри… трудился над этой проблемой многие годы и был обойден заслуженной имславой по своей вине. Слава, таким образом, пришла к Майклу Фарадею, чье имяувековечено в двух физических единицах, что крайне редко: единицаэлектролитической емкости – «фарада» — и число, определяющее величинуэлектрического заряда в электролите, переносящего одну грамм-молекулу вещества,- «число Фарадея».
Было еще однообстоятельство, которое способствовало тому, что легко и просто донесло дочитателей (естественно, ученых) суть изложенного Фарадеем материала. Он многовнимания уделил тому, чтобы статья читалась легко, была привлекательной постилю.
К сожалению, не тольконаши ученые иногда присылают «вымученные» статьи, которые вряд лизаинтересуют кого-либо. Вот исторический пример.
Когда Гельмгольц своюстатью о скорости распространения нервного возбуждения направил длярассмотрения товарищу, Дюбуа Реймон ответил:
«Твоя работа – я этоговорю с гордостью и горечью – здесь в Берлине понята и оценена только мною. Тыизложил сущность дела (не обижайся на меня) так непоследовательно и туманно,что твоя работа может служить лишь пособием к разгадке метода исследования».
Гельмгольц учел критикудруга и впоследствии не раз переписывал статьи, чтобы довести их досовершенства.
Долгое время ученым неудавалось обнаружить связь между магнитным полем и электрическим током. Именнодвижущийся магнит, или меняющееся во времени магнитное поле, может возбудитьэлектрический ток в катушке.
Эту же задачу решал в тоже самое время швейцарский физик Колладон. Чтобы магнит не воздействовал настрелку гальванометра, концы катушки, в которую Колладон вдвигал магнит, онвывел в другую комнату, куда ему приходилось выходить для проведенияэксперимента. Но, вставив магнит в катушку, перейдя в другую комнату, онубеждался, что стрелка «мертва». Так было утеряно великое открытие. Ив этом случае Фарадею «повезло». В течение одного месяца он, ставяопыты, сделал целый ряд открытий особенностей электромагнитной индукции.
Благодаря блестящемуталанту и великому трудолюбию М.Фарадей сделал так много открытий, изменившихчеловеческую жизнь. В этом его великая заслуга и роль.
Трудно удержаться отперечисления всех великих открытий Фарадея. Здесь и диа- и парамагнетизм, ивращение плоскости поляризации света в магнитном поле, и магнитная анизотропия,и постановка вопроса о влиянии магнитного поля па излучение, и исследованиеэлектрического разряда в газе и многое другое. Но совершенно невозможно неупомянуть еще об одной стороне деятельности Фарадея — стремлении доводитьрезультаты научных исследований до применения их на практике.
Глава 2. Исследование электродинамики Фарадея-Максвелла 2.1 РольФарадея в развитие электродинамики и электромагнетизма
Открытие датскиместествоиспытателем Эрстедом действия замкнутого на батарею проводника намагнитную стрелку послужило отправной точкой для исследований Фарадея, ставшихглавным делом его жизни. Современников поразило, что сила, действующая настрелку компаса, поворачивалась не по направлению к проводнику, аперпендикулярно ему. Фарадей пошел дальше: он сконструировал прибор с ртутнымиконтактами и заставил вращаться проводник вокруг магнита, а незакрепленныйконец магнита («полюс») — вокруг тока. Уже в этой работе, написаннойв сентябре 1821 года, содержались в зародыше многие развитые им в последствииидеи.
Тогда же у Фарадеявозникло желание получить обратный эффект — «превратить магнетизм вэлектричество». Подобные попытки предпринимали также Френель, Ампер, Де ляРив и др… Но даже в тех случаях, когда индукционные эффекты наблюдались, онилибо не были правильно поняты, либо сочтены случайными.
Первые научные работыФарадея относятся к химии. Они обратили на себя внимание европейских химиков исделали его имя широко известным Д.И.Менделеев в своих знаменитых «Основаххимии» неоднократно упоминает имя Фарадея. Он цитирует его характеристикупламени, воспроизводит описание его опыта по анализу пламени свечи,неоднократно упоминает его результаты в области сжижения газов и его законэлектролиза. Менделеев сочувственно упоминает о фарадеевском пониманииэлектрического тока как переносчика химического движения. В истории химииФарадей занимает видное место.
Всемирную славу Фарадеюпринесли его электрические исследования. Открытие Эрстеда взволновало ученыхКоролевского института. Дэви и Волластон не только повторили его опыты, но ипридумали новые демонстрации взаимодействия токов и магнитов, Фарадей,заинтересовавшись новым открытием, тщательно изучил литературу по этому вопросуи выступил в 1821—1822 гг. со статьей «Опыт истории электромагнетизма».Статья Эрстеда подсказывала мысль о наличии вращения вокруг тока. Идеюэлектромагнитного вращения высказал Волластон.
Фарадей, придя к нейсамостоятельно, стал думать о том, как экспериментально обнаружить его. Емуудалось обеспечить действие тока лишь на один из полюсов магнита и с помощьюртутного контакта осуществить непрерывное вращение магнита вокруг проводника стоком.
Этот первыйэлектродвигатель заработал у Фарадея в декабре 1821 г. Тогда же Фарадей записалв своем дневнике задачу: превратить магнетизм в электричество. Решение этойзадачи потребовало около десяти лет. С ноября 1831 г. Фарадей началсистематическую публикацию своих исследований по электричеству, составивших трехтомныйтруд под заглавием «Экспериментальные исследования по электричеству».
В первой серии,датированной 24 ноября 1831 г. и содержащей разделы:
· об индукцииэлектрических токов,
· об образованииэлектричества и магнетизма,
· о новомэлектрическом состоянии материи,
· объяснениемагнитных явлений Араго,- описаны основные опыты Фарадея по электромагнитнойиндукции.
В первом опыте, с помощьюкоторого и было открыто новое явление, Фарадей использовал деревянный цилиндр,на который были намотаны две изолированные друг от друга обмотки. Одна из нихбыла соединена с гальванической батареей, другая — с гальванометром. Призамыкании и размыкании тока в первой обмотке стрелка гальванометра во второйобмотке отклонялась при замыкании тока в одну сторону, при размыкании впротивоположную. Действие одной цепи электрического тока на другую фарадейназвал вольта-электрической индукцией. Вольта-электрическая индукцияусиливалась, если внутрь обмотки помещали железо, фарадей устроил индукционныйприбор в виде железного кольца (тора), на которое были намотаны двеизолированные обмотки — первичная с источником тока и вторичная сгальванометром. Кольцо фарадея было первой моделью трансформатора.
Затем Фарадей получилиндукционные действия с помощью обыкновенных магнитов. Явления эти Фарадейназвал магнитоэлектрической индукцией. Фарадей считал, что проводник,подвергающийся индукционному воздействию со стороны другого тока или магнита,находится в особом состоянии, которое он назвал электротоническим. Это названиене удержалось в науке, но именно отсюда началось исследование фарадеем ролисреды в электромагнитных взаимодействиях.
Существенно, что Фарадей,отмечая переменный характер процесса индукции, говорит об «индуцированнойволне электричества». Несколькими месяцами позже, 12 марта 1832 г., онфиксировал результат своих наблюдений над временным характером индукционныхявлений в специальном письме, озаглавленном «Новые воззрения, подлежащие внастоящее время хранению в запечатанном конверте в архивах Королевскогообщества».
В этом замечательномписьме, обнаруженном в архивах лишь спустя 106 лет, т. е. в 1938 г., содержитсясовершенно определенный вывод, «что на распространение магнитноговзаимодействия требуется время», что действие одного магнита на другой «распространяетсяот магнитных тел постепенно и для своего распространения требует определенноговремени». фарадей указывает, «что электрическая индукцияраспространяется точно таким же образом», и считает «возможнымприменить теорию колебаний к распространению электрической индукции».Процесс распространения индукции похож «на колебания взволнованной воднойповерхности или же на звуковые колебания частиц воздуха». Фарадей пишет,что он хотел бы проверить свои идеи экспериментально, но ввиду занятости решилпередать свое письмо на хранение, чтобы закрепить за собой открытиефиксированной датой. Он указывает, что «в настоящее время, насколько мнеизвестно, никто из ученых, кроме меня, не имеет подобных взглядов».
Поразительна интуицияФарадея, позволившая ему вскоре после открытия электромагнитной индукции прийтик идее электромагнитных волн. Он совершенно прав, считая эту идею чрезвычайноважной и утверждая свой приоритет в специальном письме, датированном точнойдатой.
Вполне понятны заботыФарадея о приоритете. В конце раздела «Об электротоническом состоянии»он упоминает о претензиях на приоритет в открытии индукции со стороны Френеля иАмпера. К открытию независимо от фарадея пришел и Генри. После публикациифарадея многие физики осознали, что они наблюдали в своих экспериментах помагнитному действию токов аналогичные явления. Открытие «носилось ввоздухе». В истории науки действует закон созревания открытий: наступаетвремя, когда открытие должно быть сделано, оно созрело. Так было с закономтяготения, с открытием математического анализа, так было и с законом индукции.
В последнем разделепервой серии Фарадей объясняет явление, открытое Араго. Магнитная стрелка,помещенная под плоскостью медного диска, приходит во вращение, когда дисквращается. Точно так же при вращении магнита приходит во вращение подвешенныйнад ним медный диск, фарадей объяснил это открытое Араго загадочное явлениедействием электромагнитной индукции и указал, что эффект Араго дает возможностьполучить «новый источник электричества». Между полюсами магнитавращался медный диск. Скользящие контакты у периферии и центра диска отводилигенерируемый при вращении диска ток к цепи, содержащей гальванометр. «Этимбыло показано, — пишет Фарадей, — что можно создать постоянный токэлектричества при помощи обыкновенных магнитов», Фарадей в этом опытесконструировал униполярную динамо-машину. Варьируя опыты с получениеминдукционного тока вращением проводников или магнитов, Фарадей приходит кважному выводу: «Все эти результаты,- пишет он, — доказывают, что способностьиндуцировать токи проявляется по окружности вокруг магнитной равнодействующейили силовой оси точно так, как расположенный по окружности магнетизм возникаетвокруг электрического тока и им обнаруживается». Установленную фарадеемсвязь Максвелл позднее выразил математически.
/>
Рис. 13. Электромагнитноевращение. Рисунок Фарадея
Установленный Фарадеемфакт, что электродвижущая сила индукции возникает при изменении магнитногопотока (замыкании, размыкании, изменении тока в индуцирующих проводниках,приближении и удалении магнита и т. д.), Максвелл выразил равенством:
/>
Здесь ε —электродвижущая сила индукции, Ф — магнитный поток, охватываемый проводником, вкотором индуцируется ток. Фарадей говорит о том, что способность индуцироватьтоки «проявляется по окружности вокруг магнитной равнодействующей».Это, как показал Максвелл, означает, что переменное магнитное поле окруженовихревым электрическим полем. В векторной форме закон, открытый Фарадеем,выражается уравнением:
/>
Знак минус, поставленныйв равенствах (1) и (1'), соответствует правилу, установленному петербургскимакадемиком Э. X. Ленцем.
В 1846 г. франц Нейман(1798-1895) нашел выражение закона индукции в следующем виде:
V=-δA/dt
где знак минуспоказывает, что на создание индукционного тока надо затратить энергию.
Фарадей продолжализучение электромагнитной индукции во второй серии своих «Экспериментальныхисследований» (январь 1832 г.).
В третьей серии (январь1833 г.) Фарадей кладет конец спору о различных видах электричества:обыкновенном, гальваническом, животном, индукционном.
Рядом опытов онпоказывает, что все виды электричества тождественны между собой, различаясьтолько знаком. Исследуя действия, производимые обыкновенным, гальваническим,магнитным, термическим и животным электричеством, Фарадей приходит кфундаментальному заключению: «Отдельные виды электричества тождественны посвоей природе, каков бы ни был их источник».
В июне 1833 г. появиласьпятая серия «Экспериментальных исследований», посвященная явлениямэлектролиза.
В этой серии, а также впоследующих — шестой, седьмой и восьмой — сериях Фарадей занимается изучениемхимических действий тока.
/>
Рис. 14. Опыт поэлектромагнитной индукции. Рисунок Фарадея
Химические действия токабыли открыты сразу после изобретения вольтова столба. Дэви открылэлектролитическим разложением щелочные металлы. Иоганн Риттер обнаружилполяризацию гальванического элемента. Пропуская ток через подкисленную воду, онустановил, что электроды, опущенные в электролит и отключенные от источника,снова дают после их соединения проводником электрохимическое разложение, но вобратном направлении. Так был открыт аккумулятор.
/>
Рис. 15. Униполярная машина. РисунокФарадея
Прибалтийский ученыйКристиан Гротгус (1785—1822) впервые пытался представить механизм электролизапосредством цепочек полярно заряженных молекул.
В пятой серии Фарадей формулируетточный закон электролиза: «Что бы собой ни представляло разлагаемоевещество: воду, растворы солей, кислоты, расплавленные тела и т. д., — дляодного и того же количества электричества сумма электрохимических действий естьтакже величина постоянная, т. е. она всегда эквивалентна стандартномухимическому действию, основанному на обычном химическом сродстве»
В седьмой серии Фарадейформулирует этот закон более сжато:
«Химическое действиеэлектрического тока прямо пропорционально абсолютному количеству проходящегоэлектричества».
Фарадей вводит новуютерминологию, ныне общеупотребительную. Электроды, подводящие ток кразлагаемому раствору, он называет анодом и катодом. Разложимые вещества онназывает электролитами, вещества, на которые разлагаются электролиты, — ионами,а именно анионами и катионами, смотря по тому, где отлагается вещество — уанода или катода.
«Числа,соответствующие весовым количествам, в которых они выделяются, я называюэлектрохимическими эквивалентами».
Фарадей устанавливаетважный факт, что для выделения любого вещества в количестве, равном егоэлектрохимическому эквиваленту, требуется одно и то же количествоэлектричества. Эта величина играет важную роль в современной физике, являясьодной из основных физических констант, и называется «число фарадея».Фарадей связывает этот факт с основными представлениями химии. Он пишет:
«Согласно этойтеории эквивалентные веса тел представляют собой такие количества их, которыесодержат равные количества электричества… Иначе если принять атомную теорию исоответствующие ей выражения, то атомы тел, эквивалентные друг другу вотношении их обычного химического действия, содержат равные количестваэлектричества, естественно связанного с ними».
Таким образом, Фарадейприходит к представлению о некотором элементарном заряде, связанном с атомамивещества. Он указывает, что «атомы материи каким-то образом одареныэлектрическими силами или связаны с ними и им они обязаны своими наиболеезамечательными качествами, и в том числе своим химическим сродством друг кдругу».
Все это позволяетвысказать утверждение, что Фарадей является основателем электронной теориивещества, впервые высказавшим мысль о дискретности электричества, обэлементарном электрическом заряде. Тринадцатый раздел седьмой серии, в котором содержатсяэти глубокие мысли, называется «Об абсолютном количестве электричества,связанном с частицами или атомами материи». Это название говорит само засебя.
В девятой серии,озаглавленной «Об индуктивном влиянии электрического тока на самого себя иоб индуктивном действии электрических токов вообще», Фарадей описываетявление самоиндукции. Это явление было открыто независимо друг от другаамериканцем Генри и англичанином Дженкиным. Фарадей упоминает только опоследнем, очевидно, не зная об открытии Генри. Современная физика увековечилаприоритет Генри, присвоив единице индуктивности название генри.
Фарадей описываетэкспериментальную установку, посредством которой и доныне демонстрируют налекциях явление самоиндукции. Он констатирует, что самоиндукция аналогичнаинерции в механике, указывает, что индуктивность проводника зависит от егоформы и особенно возрастает, если проводник свернуть в спираль. Все этозаставляет его еще раз вернуться к идее электротонического состояния и кисследованию связи между электрическими и магнитными силами. Мысль Фарадеянеустанно обращается к пространству, окружающему проводники, и в его умепостепенно вызревает глубокая идея поля.
В одиннадцатой серии Фарадейподробно исследует диэлектрические свойства веществ, вводя для их характеристикособое число, которое он называет удельной индукцией или удельной индуктивнойспособностью. Эту величину позже назвали диэлектрической постоянной, а ныненазывают диэлектрической проницаемостью. Исследование диэлектриков вновьподводит Фарадея к мысли о существовании роли среды в электрическихвзаимодействиях, которые как бы разливаются в окружающем пространстве по кривымлиниям. Это последнее обстоятельство особенно подчеркивает фарадей, считая, чтооно противоречит картине действия на расстоянии, принятой сторонникамимгновенного дальнодействия.
От опытов с диэлектрикамиФарадей переходит к исследованию электрического разряда в газах. Он описываетразличные формы разряда в газах при атмосферном давлении и в разреженномсостоянии. В последнем случае Фарадею удалось обнаружить темное пространство,разделяющее, области свечения у катода и у анода. Это темное пространство ныненазывается Фарадеевым. Так Фарадей положил начало детальному изучению разрядовв газах, той области физики, которую он сам считал важной и из которой вдальнейшем историческом развитии возникли электроника, рентгенофизика,радиоактивность.
/>
Рис. 16. Рисунок Фарадеяпо электролизу
В шестнадцатой исемнадцатой сериях «Экспериментальных исследований по электричеству» Фарадейрассматривает спор между сторонниками контактной теории источникаэлектрического тока и сторонниками химической теории. Контактная теория,ведущая свое происхождение от Вольты, «находит источник мощности вконтакте» разнородных проводников, а химическая — «в химической силе»,как выражается Фарадей, или в химической энергии, как бы сказали мы. Своемнение Фарадей — он является сторонником химической теории — обосновываетмногочисленными соображениями и экспериментальными фактами. В качествеокончательного вывода он прямо указывает, что «контактная теориядопускает, что сила… может будто бы возникнуть из ничего, что без всякогоизменения действующей материи и без расхода какой-либо производящей силы можетпроизводиться ток, который будет вечно идти против постоянного сопротивления...».«Это было бы поистине сотворением силы, — продолжает Фарадей, — и это непохоже ни на какую другую силу в природе».
Эти слова были написаны вянваре 1840 г., когда закон сохранения энергии еще не был открыт, но фарадейпишет так, как будто ему этот закон известен. Более того, он ясно представляеткартину превращения энергии из одного вида в другой. «Мы имеем многопроцессов, — пишет он, — при которых форма силы может претерпеть такиеизменения, что происходит явное превращение ее в другую. Так мы можемпревратить химическую силу в электрический ток или ток в химическую силу.Прекрасные опыты Зеебека и Пельтье показывают взаимную превращаемость теплоты иэлектричества, а опыты Эрстеда и мои собственные показывают взаимнуюпревращаемость электричества в магнетизм. Но ни в одном случае, даже сэлектрическим угрем и скатом, нет чистого сотворения силы; нет производствасилы без соответствующего израсходования чего-либо, что питает ее».
Этот 2071-й параграфсемнадцатой серии, датированный 29 декабря 1839 г., представляет по сути делазаконченную качественную формулировку закона сохранения и превращения энергии.Мысли, высказанные здесь Фарадеем, очень близки воззрениям Энгельса на законсохранения энергии. Энгельс подчеркивает в законе именно превращаемость формэнергии, фарадей на собственном опыте осознал эту сторону закона. Он «превратилмагнетизм в электричество», исследовал химические превращения вэлектрической цепи, он, наконец, искал превращения света в магнетизм, тяготения— в электричество и магнетизм. Читая летом 1834 года популярные лекции овзаимоотношении электрических и магнитных явлений, он последнюю, шестую лекциюпосвятил вопросу о взаимоотношении «химического сродства, электричества,теплоты, магнетизма и других сил материи».
Эта философская установкаФарадея в значительной степени способствовала его научным достижениям. Оноткрыл электромагнитную индукцию не случайно, он напряженно искал ее десятьлет. Осенью 1845 г. он открывает магнитное вращение плоскости поляризации,получившее в науке название эффекта фарадея. Этот тонкий эффект опять-таки небыл случайным открытием.
Девятнадцатую серию,посвященную эффекту Фарадея, он открывает следующим признанием: «Я давноуже придерживался мнения — и оно почти достигло степени убеждения —… чторазличные формы, в которых проявляются силы материи, имеют общее происхождение,или, другими словами, настолько близко родственны друг другу и взаимнозависимы, что они могут, как бы превращаться друг в друга, и обладают в своемдействии эквивалентами силы», фарадей сообщает, что он давно и безуспешнопытался «открыть прямую связь между светом и электричеством» и что «вконце концов мне удалось намагнитить и наэлектризовать луч света и осветитьмагнитную силовую линию». Далее он описывает свои опыты по вращениюплоскости поляризации света магнитным полем.
Фундаментальная идея овзаимосвязи, взаимопревращаемости различных сил природы дополнялась у Фарадеядругой фундаментальной идеей об активной роли среды, в том числе и пустогопространства, в физических процессах. В двадцатой серии он описывает влияниемагнитного поля на различные среды и находит диамагнетизм и парамагнетизм(термины введены Фарадеем).
Тщательное изучениеэлектрических и магнитных свойств вещества в конце концов привело Фарадея кустановлению фундаментальной новой идеи, идеи поля. Фарадей разработал экспериментальнуюметодику исследования магнитного поля с помощью пробной катушки ибаллистического гальванометра. Он ввел метод изображения магнитного поля спомощью силовых линий. Он писал в 1851 г.: «Я..., изучая отношение вакуумак магнитной силе и общий характер магнитных явлений, протекающих вне магнита,больше склоняюсь к мысли, что передача силы представляет собой именно такоеявление, протекающее вне магнита; я считаю невероятным, что эти явленияпредставляют собой простое притяжение и отталкивание на расстоянии».Следует отметить, что современники Фарадея предпочитали идею «простогопритяжения и отталкивания на расстоянии».
Слишком осязательны былиуспехи Ньютона, формула закона тяготения, которого так блестяще оправдалась внебесной механике. Напоминающие эту формулу законы Кулона дали возможностьразвить математическую теорию электростатики и магнитостатики. Амперу удалосьвключить в эту схему и электромагнетизм. Теперь оставалось так обобщить законАмпера, чтобы он включил в себя и индукционные процессы, открытые и изученныеФарадеем. Эту задачу поставил перед собой Вильгельм Вебер (1802-1891), которомув конце концов удалось найти формулу взаимодействия заряженных электрическихчастиц (1846). Однако в эту формулу входили не только заряды взаимодействующихчастиц и их положения, но также их относительная скорость и ускорение, чтоделало ее совсем непохожей на законы Ньютона и Кулона и сложной для расчетов.
Фарадей же вообщеотказался от концепции действия на расстоянии и ввел в физику совершенно новыйобъект — физическое поле. «При этой точке зрения на магнит, — писалФарадей в 1852 г.,- среда или пространство, его окружающие, играют столь жесущественную роль, как и самый магнит, будучи частью настоящей и полноймагнитной системы». Для Фарадея поле — это то, что излучается,распространяется с конечной скоростью в пространстве, взаимодействует свеществом. Примером такого поля является излучение Солнца. «В этом случаелучи (которые представляют собой силовые линии) проходят через промежуточноепространство; но здесь мы можем оказывать на эти линии действие при помощиразличных сред, расположенных на их пути. Мы можем изменить их направлениепосредством отражения или преломления; мы можем заставить их идти покриволинейным или ломаным путям. Мы можем отрезать их от их источника и затемискать их и найти, прежде чем они достигнут своей конечной цели. Они связаны свременем и требуют 8 минут, чтобы пройти от Солнца до Земли; таким образом, онимогут существовать независимо и от своего источника и от места, в которое вконце концов приходят. Таким образом, они имеют ясно различимое физическоесуществование».
Такова концепция поля, ккоторой Фарадей пришел в результате длительного научного пути и первоначальныйнабросок которой он дал в своем запечатанном письме 1832 г. С Фарадеем в физикунаряду с частицами вещества вошла и новая форма материи — поле, излучаемое ипоглощаемое частицами и распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.Математически эта идея была разработана гениальным преемником Фарадея ДжемсомКлерком Максвеллом. 2.2 Модельное представление обэлектромагнитных процессах
В развитой наукетеоретические схемы вначале строятся как гипотетические модели. Такоепостроение осуществляется за счет использования абстрактных объектов, ранеесформированных в сфере теоретического знания и применяемых в качествестроительного материала при создании новой модели.
Только на ранних стадияхнаучного исследования, когда осуществляется переход от преимущественноэмпирического изучения объектов к их теоретическому освоению, конструктытеоретических моделей создаются путем непосредственной схематизации опыта. Нозатем они используются в функции средств для построения новых теоретическихмоделей, и этот способ начинает доминировать в науке. Прежний же методсохраняется только в рудиментарной форме, а его сфера действия оказываетсярезко суженной. Он используется главным образом в тех ситуациях, когда наукасталкивается с объектами, для теоретического освоения которых еще не выработанодостаточных средств. Тогда объекты начинают изучаться экспериментальным путем,и на этой основе постепенно формируются необходимые идеализации как средствадля построения первых теоретических моделей в новой области исследования.Примером таких ситуаций могут служить ранние стадии становления теорииэлектричества, когда физика формировала исходные понятия — «проводник»,«изолятор», «электрический заряд» и т. д. — и тем самымсоздавала условия для построения первых теоретических схем, объясняющихэлектрические явления.
Большинство теоретическихсхем науки конструируются не за счет прямой схематизации опыта, а методомтрансляции уже созданных абстрактных объектов. Чтобы выявить эту спецификупостроения теоретических моделей, обратимся к конкретному материалу историифизики.
Одним из важных этаповстановления классической электродинамики было открытие Фарадеем явленияэлектромагнитной индукции.
Многочисленныеэксперименты по изучению этого явления (опыты с магнитом, который при движенииотносительно замкнутого провода порождал в нем индукционный ток; аналогичныеопыты с соленоидами и проводами различной конфигурации, опыт Араго и т. д.)были объяснены Фарадеем в рамках закона индукции. Согласно этому закону, когдапроводящее вещество, движущееся относительно потока магнитных силовых линий,пересекает его, то в проводящем веществе возникает электродвижущая сила (э. д.с.).
Данный закон выражалкорреляции между абстрактными объектами теоретической схемы, котораяхарактеризовала электромагнитную индукцию через отношение абстрактных объектов «магнитныесиловые линии» и «проводящее вещество». Эти объекты несодержались внутри эмпирических схем индукции, а были перенесены из другихобластей теоретического знания.
Фарадей заимствовалконструкт «магнитные силовые линии» из смежной области теоретическогознания, которая была введена для объяснения опытов магнитостатики (исследованиевозможных ориентаций миниатюрных магнитных стрелок в поле действия постоянныхмагнитов и токов). Другой же абстрактный объект — «проводящее вещество»— был перенесен им из области знаний о токе проводимости. Эти объекты были «погружены»в новую систему отношений, благодаря чему приобрели новые признаки.
Конструкт «магнитныесиловые линии» приобрел признак «вызывать электродвижущую силу (э. д.с.) в проводящем веществе» (тогда как раньше, в знаниях магнитостатики, онопределялся только по признаку воздействия на пробный магнит). Конструкт «проводящеевещество», который ранее репрезентировал только свойства проводников,связанные с действием тока проводимости, оказался наделенным новым признаком — «возникновениемв проводнике э. д. с. индукции». Наделение данных конструктов новымипризнаками означало перестройку прежних абстрактных объектов, поскольку каждыйиз них определялся только как носитель некоторых жестко фиксированныхпризнаков. Таким путем наука сформировала первоначальный вариант теоретическойсхемы электромагнитной индукции.
При построениифарадеевской модели индукции, которая создавалась для объяснения ужеосуществленных экспериментов, обнаруживших явление электромагнитной индукции,важнейшую роль как в выборе абстрактных объектов, так в нахождении их связейсыграла развиваемая Фарадеем картина физической реальности. В ней всеэлектрические и магнитные процессы рассматривались как проявление некоторойединой сущности, а центр тяжести анализа этих процессов переносился с зарядов имагнитов на пространство между ними, которое рассматривалось как «заполненноекривыми электрических и магнитных сил». Эти первоначальные представлениякартины мира, выработанные Эрстедом, Воллостоном и Фарадеем, основывались напредшествующих достижениях электродинамики, рассмотренных под углом зренияфилософских идей единства мира и единства материи и силы.
Опираясь на эту картинуфизической реальности, Фарадей при построении теоретической схемыэлектромагнитной индукции перенес на новую область выработанное вмагнитостатике представление о перемещениях магнитных силовых линий впространстве. Таким путем было введено одно из главных отношений междупроводящим веществом и силовыми линиями в модели индукции, а именно, что э. д.с. появляется тогда, когда число силовых линий, пересекающих проводник,меняется во времени в каждой единице его объема.
Сквозь призму этогопредставления можно было легко понять все эффекты, возникающие приотносительном движении проводников и магнитов. Но из знания самих этих эффектовпредставление о силовых линиях вывести было чрезвычайно трудно, а практически иневозможно. Достаточно вспомнить, насколько неожиданным для современниковФарадея было его объяснение явлений электромагнитной индукции, хорошо известныхиз экспериментов, чтобы убедиться, что само по себе знание таких экспериментовотнюдь не подсказывало идею связи между э.д.с. индукции и изменением числасиловых линий в проводнике. В этом отношении особенно характерно неожиданноеобъяснение Фарадеем опыта Араго.
Фарадей сумел объяснитьего: при вращении магнита в пространстве перемещаются окружающие его силовыелинии и, пересекая проводящее вещество (медный диск), порождают в нем индукционныетоки, что делает на время диск источником магнетизма (ток рождает магнетизм) иприводит его во взаимодействие с прямолинейным магнитом, вызывая вращениедиска. Таким образом, чтобы ввести такое объяснение, нужно было заранее иметькартину движения магнитных силовых линий в пространстве. Но эта картина неследовала из самих опытов по индукции. Фарадей выработал ее в магнитостатике, азатем экстраполировал на область новых явлений. Процесс такой экстраполяциистал возможен только благодаря выработанной Фарадеем картине мира, согласнокоторой все процессы электромагнетизма следовало объяснять исходя из «конфликта»электрических и магнитных сил в пространстве.
Образ изменениянаправлений силы в пространстве, как причины всех электромагнитных явлений,постоянно был перед внутренним взором Фарадея. Поэтому для него было совершенноестественно использовать модели магнитостатики, основанные на представлении омагнитных силовых линиях, в качестве аналогов при объяснении электромагнитнойиндукции.
Сам перенос моделей изодной области знаний об электричестве и магнетизме в другую был возможен толькопотому, что фарадеевская картина физического мира постулировала связь предметовисследования каждой из таких областей. Если учесть, что в этот же периодФарадею приходилось доказывать, что различные виды электричества (электричествотрения, гальваническое, магнитоэлектричество и т. д.) — суть проявления одногои того же электричества, то подобные переносы моделей выглядят отнюдь нетривиальными.
2.3 Достоинства и недостатки идей Фарадея
Как физик-теоретик МайклФарадей завоевал славу первопроходца. Фарадей в высшей степени обладалспособностью делать впечатляюще наглядными результаты своих исследований припомощи геометрическо-механических моделей.
Путем объединения явленийэлектричества и упругости он пришел к понятию «силовые линии».Фарадей с пластической ясностью представлял себе действие электрических сил отточки к точке в пространстве между ними, в их «силовом поле». «Самиэлектрические и магнитные силы, — писал Генрих Герц в 1889 году, – были длянего чем-то существующим реально, действительным, ощутимым; электричество,магнетизм были для него вещами».
Причина возникновенияэлектрических сил лежала, по мнению Фарадея, в процессах, происходящих впространстве между телами. При поисках признаков различий между намагниченнымипредметами ему удалось доказать, что все вещества, считавшиеся до тех порнемагнитными, под действием большой магнитной силы обнаруживают явные следынамагниченности. Точно так же он смог доказать, что все считавшиеся надежнымиизоляторы изменяются под действием электрических сил. Выяснилось, что междупроводниками и непроводниками различие не принципиальное, а лишьколичественное.
Эти экспериментальныеоткрытия привели к тому, что Фарадей, как физик, мыслящий строго эмпирически,признающий только факты, которые можно наблюдать, отверг представление обэлектрических силах дальнодействия.
На основе своегопредставления о силовых линиях Фарадей предполагал уже примерно в 1845 годуглубокое родство электричества и света. Эта мысль была необычайно смела длятого времени, но она была достойна исследователя, который считал, что толькотот находит великое, кто исследует маловероятное. Фарадей, таким образом,пришел к мнению, что учение об электричестве и оптика, стоявшие тогда рядом, ноеще не связанные между собой, взаимосвязаны и образуют единую область.
Фарадей, однако, необладал математическим образованием. Говорили, что он не мог даже возвести вквадрат бином. Таким образом, он был не в состоянии изложить результаты своихисследований при помощи обычных математических средств, он мог охватить их лишькачественно. Формально это являлось очевидным недостатком, но содержаниювсе-таки в данном случае не наносило ущерба. Отсутствиеакадемически-математической подготовки, по мнению Планка, спасло Фарадея отпредубеждений, порождаемых математическими и астрономическими источниками,которые в то время неблагоприятно влияли на многих значительных исследователей.
Это был " ум,который никогда не погрязал в формулах", — скажет о нём А. Эйнштейн.2.4 Использованиеидей Фарадея Максвеллом
Дело Фарадея пообоснованию понятия поля продолжил другой величайший английский физик — ДжеймсКлерк Максвелл (1831-1879).
Учение о физическихсиловых линиях является центральным пунктом воззрений Фарадея, оно подвело егок основанию физики электромагнитного поля. И хотя в его трудах нетматематических формул, Максвелл подчеркивал, что «его метод пониманияявлений был также математическим» и его легко можно выразить в обычнойматематической формуле.
Открытия, сделанныеФарадеем в области электромагнетизма, находили всё большее и большееиспользование. Однако его концепция силовых линий, занимающих всё пространство,долгое время не принималась всерьёз: она не могла конкурировать со стройнымитеориями Кулона, Ампера, Лапласа. Не владея хорошо математическим методом,Фарадей не стремился привязать его к своим исследованиям. Он считал, что самыесложные вопросы можно изложить просто, не прибегая к " языку иероглифов".Вот почему молодой Максвелл, взявшись за " атаку электричеств", имёлвсе основания заявить: " Современное состояние учения об электричествепредставляется особенно неблагоприятным для теоретической разработки". Вэто время Максвеллу было 24 года. Прежде чем говорить о его дальнейшей работе,обратимся к его биографии.
В 1847 году по советупрофессоров, не закончив гимназии, Максвелл поступил в Эдинбургскийуниверситет. Здесь он увлекается опытами по оптике, химии, магнетизму,тщательно штудирует книги по механике и физике, много занимается математикой. "Я прочёл " Лекции" Юнга Диксона и " Оптику" Муаньо", —пишет он в 1850 году одному из друзей. Видя увлечение сына исследованиями, отецпомог ему образовать в Глендлэре физико-химическую лабораторию. В 1850 годуМаксвелл основательно занялся вопросами упругости и в этом же году уже самвыступил перед членами Королевского общества с докладом " О равенствеупругих тел". Девятнадцатилетний Максвелл доказал очень важную теорему о теорииупругости и строительной механике. Теперь она называется его именем в этом жегоду он разработал метод изучения напряжений в поляризованном свете.
Исчерпав возможностиЭдинбургского университета за 3 года, Максвелл в 1850 году переводится вКембридж, в Тринити-колледж, где в своё время учился Ньютон.
Максвелл, который обладалуже огромным запасом знаний, правда, находящихся пока в беспорядке, твёрдорешил посвятить себя физике. Он начинает изучать " Экспериментальныеисследования по электричеству" Фарадея. " Я решил, — писал Джеймс, —не читать ни одного математического труда из этой области, пока не изучуосновательно это сочинение".
В 1854 году Максвеллуспешно выдержал выпускной экзамен, заняв второе место, и был оставлен вТринити-колледже для подготовки к профессорскому званию. Здесь он читает лекциипо гидравлике и оптике, занимается исследованиями по теории.
В 1855 — 1856 гг.Максвелл закончил свою первую работу по электромагнетизму " О фарадеевыхсиловых линиях" и вместе с письмом отправил своему кумиру — Фарадею.Фарадей поразился силе таланта молодого учёного, его владению математикой и,глубоко тронутый вниманием, писал Максвеллу: «Ваша работа приятна мне идаёт мне большую поддержку. Сначала я даже испугался, когда увидел такуюматематическую силу, применённую к вопросу, но потом изумился, видя, что вопросвыдерживает это столь хорошо».
Максвелл берёт под защитуметод Фарадея, его идею близкодействия поля. Он опровергает версию о якобы «антиматематичностифарадеевского мышления». «Я убеждён, что его идеи могут быть выраженыв виде обычных математических формул и эти формулы вполне сравнимы с формуламипрофессиональных математиков. Он сообщил своей концепцией силовых линий такуюясность и точность, каковые математикам удалось сообщить своими формулами»,— писал Максвелл.
Сразу после открытияФарадеем закона электромагнитной индукции учёные стремились придать ему строгуюколичественную формулу. Сейчас трудно представить себе те мучительные усилия,которые потребовались для формулировки этого закона на языке концепции действияна расстоянии. И в конце концов были получены (Нейманом и Вебером) весьма ивесьма сложные формулы, неясные по своему физическому содержанию, но всё жеспособные количественно описывать опытные факты. В настоящее время их можнонайти только в книгах по истории физики.
Истинный смысл законаэлектромагнитной индукции был найден Максвеллом. Он же предал закону тупростоту и ясную математическую форму, базирующуюся на представлении о поле,которую знает сейчас весь мир.
Попробуем представитьсебе, с помощью какого рода рассуждений Максвелл смог усмотреть в явленииэлектромагнитной индукции новое фундаментальное свойство электромагнитногополя.
Допустим, перед намиобыкновенный трансформатор. Включив первичную обмотку в сеть, мы немедленнополучим ток в соседней вторичной обмотке, если только она замкнута. Электроны,находящиеся в проволоке обмотки, придут в движение.
Но ведь электронам законэлектромагнитной индукции не известен. Короче говоря, какие силы приводятэлектроны в движение?
Само поле, пронизывающеекатушку, этого сделать не может. Ведь магнитное поле действует исключительно надвижущиеся заряды (этим-то оно и отличается от электрического), а проводник снаходящимися в нём электронами неподвижен. Что же тогда действует?
Кроме магнитного, назаряды, мы знаем, действует ещё электрическое поле. Причём оно-то как раз можетдействовать и на неподвижные заряды. Это его главное свойство. Но ведь то поле,о котором шла речь (электрическое поле), создаётся непосредственно электрическимизарядами, а индукционный ток появляется под действием переменного магнитногополя. Уж не замешаны ли здесь какие-то новые физические поля, коль скоро идеяблизкодействия считается незыблемой?
Не будем спешить свыводами и при первом же затруднении искать спасения в придумывании новыхполей, как в своё время вывод из всех трудностей видели во введении новых сил.Ведь у нас нет никакой гарантии, что все главные свойства магнитного иэлектрического полей известны. В законах Кулона и Ампера, заключающих в себеосновную информацию о свойствах поля, фигурируют постоянные поля.
А что, если у переменныхполей появляются новые свойства? Будем надеяться, что идея единстваэлектрических и магнитных явлений, плодотворная до сих пор, не откажет идальше.
Тогда остаётсяединственная возможность: предположить, что электроны ускоряются во вторичнойобмотке электрическим полем, и это поле порождается переменным магнитным полемнепосредственно в пустом пространстве. Тем самым утверждается новоефундаментальное свойство магнитного поля: изменяясь во времени, оно продолжаетвокруг себя электрическое поле.
Теперь явлениеэлектромагнитной индукции предстаёт перед нами в совершенно новом свете.Главное — это процесс в пустом пространстве: рождение магнитным полемэлектрического. Есть ли проводящий контур (катушка) или нет, это не меняетсущества дела. Проводник с его запасом свободных электронов — просто индикатор(регистратор) возникающего электрического поля: оно приводит в движениеэлектроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя.
Сущность явленияэлектромагнитной индукции совсем не в появлении индукционного тока, а ввозникновении электрического поля.
В 1860 году Максвеллпокинул Абердин, получив кафедру в Кингс- колледже в ЛондоЭском университете.Здесь впервые Максвелл встретился с Фарадеем. Именно в лондонский период учёныйразвивает свою теорию поля. Ей посвящается ряд работ: «О физических линияхсилы» (1861-1862), «Динамическая теория поля» (1864-1865). Вот вэтой последней работе и дана система знаменитых уравнений.
Теория Максвелла, пословам Герца, — это уравнения Максвелла. Суть этой теории сводилась к тому, чтоизменяющееся магнитное поле создаёт не только в окружающих телах, но и ввакууме вихревое электрическое поле, а оно, в свою очередь, вызывает появлениемагнитного поля. «Теория, которую я предлагаю, — пишет Максвелл, — можетбыть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело спространством, окружающим электрические или динамические тела, и она может бытьназвана также динамической теорией, поскольку она допускает, что в этомпространстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой ипроизводится наблюдаемые электромагнитные явления».
Теория электромагнитногополя Максвелла знаменовала собой начала нового этапа в физике. Именно на этомэтапе развития физики поле стало реальностью, материальным носителемвзаимодействия. Мир постепенно стал представляться электродинамическойсистемой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующихпосредством электромагнитного поля. Большинство физиков исключительно высокооценили теорию Максвелла. Пуанкаре считал её «Вершиной математическоймысли». «Самым увлекательным предметом во время моего обучения былатеория Максвелла. Переход от сил дальнодействия к полям, как основнымвеличинам, делал эту теорию революционной», — писал А. Эйнштейн.
Анализируя своиуравнения, Максвелл пришёл к выводу, что должны существовать электромагнитныеволны, причём скорость их распространения должна равняться скорости света.Отсюда был сделан совершенно новый вывод: свет есть разновидностьэлектромагнитных волн.
Так, по словам Луи деБройля, Максвелл «сделал всю оптику частной главой электромагнетизма».На основе своей теории Максвелл предсказал существование давления, оказываемогоэлектромагнитной волной (а значит, и светом), и вычислил его. Оно оказалосьравным плотности энергии электромагнитного поля. Предсказание Максвелла позднеебыло блестяще доказано Петром Николаевичем Лебедевым в 1899 году.
В 1867 году умираетФарадей. Глубоко переживает Максвелл смерть своего кумира. Он убеждён, чтолучшим памятником Фарадею будет наибыстрейшее окончание " Трактата обэлектричестве и магнетизме". Восемь лет отдал Максвелл «Трактату».Это вершина его научного творчества, это настоящая энциклопедия электромагнетизма.
«Трактат» вышелв свет в 1873 году, когда Максвелл уже работал в Кембридже, куда он переехал в1871 году, чтобы возглавить кафедру экспериментальной физики.
Максвелл, отстаиваявыдвинутую Фарадеем идею близкодействия, доказал, что электрические и магнитныеполя взаимосвязаны и могут существовать независимо от создавшего их источника,распространяясь в пространстве в виде электромагнитных волн. В этом изаключается сущность теории Максвелла, ядром которой являются уравненияМаксвелла.
Четыре строчки уравнений,поразивших современников соей математической совершенностью и красотой, впервыепоявились в 1873 году в книге Максвелла «Трактат об электричестве имагнетизме», в которой объединены в единое целое оптика, электричество имагнетизм.
Фарадей был приверженцемидеи силовых линий, которые соединяют положительный и отрицательныйэлектрические заряды или северный и южный полюсы магнита. Силовые линиизаполняют все окружающее пространство (поле, по терминологии Фарадея) иобусловливают электрические и магнитные взаимодействия.
Следуя Фарадею, Максвеллразработал гидродинамическую модель силовых линий и выразил известные тогдасоотношения электродинамики на математическом языке, соответствующеммеханическим моделям Фарадея. Основные результаты этого исследования отражены вработе Фарадеевы силовые линии (Faraday's Lines of Force, 1857). В 1860–1865Максвелл создал теорию электромагнитного поля, которую сформулировал в видесистемы уравнений (уравнения Максвелла), описывающих основные закономерностиэлектромагнитных явлений:
1-е уравнение выражалоэлектромагнитную индукцию Фарадея;
2-е –магнитоэлектрическую индукцию, открытую Максвеллом и основанную напредставлениях о токах смещения;
3-е – закон сохраненияколичества электричества;
4-е – вихревой характермагнитного поля.
Эти уравнения имеют вид:
1) />
2) />
3) />
4) />
В современнойинтерпретации:
Уравнение 1 выражаетзакон Гаусса. Для статистических полей этот закон эквивалентен закону Кулона.Утверждается, что поток электрического поля через замкнутую поверхностьпропорционален полному заряду, сосредоточенному в объёме, ограниченной даннойповерхностью.
Уравнение 2 представляетсобой закон Гаусса для магнитного поля. Он утверждает, что поток магнитного полячерез замкнутую поверхность равен нулю. Это означает, что не существуетмагнитных аналогов электрического заряда.
Уравнение 3 выражаетзакон электромагнитной индукции Фарадея. Он утверждает, что интеграл отэлектрического поля вдоль замкнутого контура пропорционален скорости измененияпотока магнитного поля через поверхность, натянутую на этот контур. Такимобразом, изменяющееся магнитное поле сопровождается переменным электрическимполем.
Наконец, уравнение 4представляет собой модифицированный закон Ампера. Максвелл изменил этоуравнение, добавив в него второе слагаемое в правой части, названное токомсмещения, которое описывает изменение потока электрического поля.Модифицированный закон Ампера утверждает, что интеграл от магнитного поля позамкнутому контуру пропорционален сумме двух слагаемых. Первое из них содержитполный ток, протекающий сквозь поверхность, натянутую на этот замкнутый контур.Второе слагаемое (введенное Максвеллом) содержит скорость изменения потокаэлектрического поля через эту поверхность. Благодаря внесённому Максвелломдополнению к закону Ампера четвертое уравнение Максвелла есть утверждение, чтопеременное электрическое поле сопровождается переменным магнитным полем.
Продолжая развивать этиидеи, Максвелл пришел к выводу, что любые изменения электрического и магнитногополей должны вызывать изменения в силовых линиях, пронизывающих окружающеепространство, т.е. должны существовать импульсы (или волны), распространяющиесяв среде. Скорость распространения этих волн (электромагнитного возмущения)зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды и равна отношениюэлектромагнитной единицы к электростатической. По данным Максвелла и другихисследователей, это отношение составляет 3*1010 см/с, что близко кскорости света, измеренной семью годами ранее французским физиком А.Физо.
В октябре 1861 Максвеллсообщил Фарадею о своем открытии: свет — это электромагнитное возмущение,распространяющееся в непроводящей среде, т.е. разновидность электромагнитныхволн. Этот завершающий этап исследований изложен в работе Максвелла «Динамическаятеория электромагнитного поля» (Treatise on Electricity and Magnetism,1864), а итог его работ по электродинамике подвел знаменитый «Трактат обэлектричестве и магнетизме» (1873).
Максвелл развивал своиуравнения и следствия из них на основе созданной Фарадеем модели электрическихи магнитных полей. Мысленные модели описываемые его уравнениями, были сложнее,чем те, которые используют теперь. Максвелл и другие ученые того временисчитали поля и волновые движения физическими свойствами реальной всепроникающейсреды, которую они называли эфиром. И, тем не менее, в 1862 году Максвеллпредложил, что «свет состоит из поперечных волнообразных движений той жесамой среды, которая служит причиной электрических и магнитных явлений».
К тому времени на основесвоих уравнений он рассчитал скорость электромагнитных волн и нашел, что этаскорость была приблизительно такой же, как и незадолго до этого скорость света.
Более точную нагляднуюиллюстрацию уравнений Максвелла предложил английский физик Брэгг в видевоображаемой модели, известной под названием «цепочка Брэгга». «Представьтесебе цепочку, сделанную из чередующихся железных и медных колец. Замыкая намгновение ключ К, мы посылаем ток от батареи в первое медное кольцо. Следующее,сделанное из железа кольцо намагничивается. Возникновение магнитного поля в немвызывает индукционный ток в третьем кольце. Этот ток вызывает магнитное поле ит. д.»
Генрих Герц писал отеории Максвелла: «Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая повремени такого чувства, будто математические формулы живут собственной жизнью,обладают собственным разумом — кажется, что эти формулы умнее нас, умнее дажесамого автора, как будто они дают нам больше, чем в свое время в них заложено».
«Трактат поэлектричеству и магнетизму»', в котором Джеймс Кларк Максвелл подвёл итогидвухвековому развитию учения об электрических и магнитных явлениях, был издан в1873 году. Современники называли его «библией электричества»'. Книгасодержала более 1000 страниц, из которых лишь десяток относился непосредственнок знаменитым уравнениям. Сами уравнения были разбросаны по разным частям, ибыло их довольно много — 12.
По характеру изложения''Трактат'' был слишком сложным. Знаменитый голландский физик Г. А. Лоренц,которому было суждено впоследствии развить и продолжить электромагнитнуютеорию, познакомившись в молодости с уравнениями Максвелла, не смог понять ихфизического смысла.
2.5 Современныйвзгляд на электродинамику Фарадея-Максвелла
Среди физиковэлектромагнитная теория Фарадея – Максвелла не сразу завоевала признание.Отдельные выдающиеся исследователи, подобно Гельмгольцу и Больцману, признавалиее значение и выступали в ее защиту, но даже такой проницательный мыслитель-физик,как Густав Кирхгоф, до конца своей жизни – он умер в 1887 году – твердопридерживался старых представлений об электрической жидкости и в своих лекцияхзатрагивал теорию Максвелла лишь мимоходом.
Анри Пуанкаре(1854-1912г.) одним из первых разобрался в многосложном изложении Максвелла.Его правильная и стройная интерпретация идей английского ученого помогларассеять невразумительную путаницу у комментаторов этой теории. В своих лекцияхПуанкаре проводит глубокий анализ различных попыток теоретического обобщенияэкспериментально установленных законов электричества и магнетизма. Он подробноразбирает электродинамику Ампера и постепенно подводит слушателей к выводу опреимуществах уравнений Максвелла, наиболее полно охватывающих электромагнитныепроцессы и предсказывающие неизвестные ещё физике явления.
Выводы теории получаютэкспериментальное подтверждение в 1887 г., когда Генрих Герц (1857-1894)экспериментально получил электромагнитные волны. С 1887 г. Герц начинаетставить свои опыты. Прежде всего, он находит способ генерирования самыхвысокочастотных в то время колебаний, используя открытый колебательный контур(вибратор Герца). Обладая малой емкостью и индуктивностью, вибратордействительно позволял получать колебания высокой частоты, возникающие припроскакивании искр в разрядном промежутке диполя. Рядом с этим генераторомнаходился незамкнутый виток. Герц обнаружил, что в момент разряда в генераторепроисходит проскакивание искры между незамкнутыми концами витка, расположенногогенератора. Это были первые в мире передатчик и приемник.
/>
Рис. 17. Первый радиатор Герца. Герц использовал два метровыхпровода, связанных с индукционной катушкой
Далее Герц заметил, чтовлияние генератора на приемник особенно сильно в случае резонанса (частотаколебаний генератора совпадает с собственной частотой) Продолжая исследования,Герц при удалении резонатора от вибратора обнаружил, что в большом помещении сувеличением расстояния размер искр не убывает монотонно, а периодическименяется. Он объяснил это тем, что происходит интерференция прямой волны. Этотопыт наиболее убедительно доказывал, что электромагнитные волны, предсказанныеМаксвеллом, действительно существуют. Герц ставит опыты с целью проверкитождества световых и электромагнитных волн.
Почти сразу онобнаруживает ''тень''- непрозрачность металлических листов для ''электрическихлучей'', но не наблюдает огибания. Значит, диэлектрики ''прозрачны'' для волн.Но они должны вызывать преломление. И Герц обнаруживает явление преломленияволн в асфальтовой призме весом более чем в тонну, причем отклонениесоответствует тому, которое должно быть по Максвеллу. Последующие опытыпоказали существование отражения волн, а затем и и поляризацию. Герц ставитмежду генераторм и приемником решетку из параллельных проволок, от ориентациикоторой меняется интенсивность искры в приемнике. Зная период колебанийвибратора и измерив длину волны, Герц вычислил скорость распространенияэлектромагнитных волн; она оказывается равной скорости света.
Все это было изложено вработе «О лучах электрической силы», вышедшей в декабре 1888 года.Этот год считается годом открытия электромагнитных волн и экспериментальногоподтверждения теории Максвелла. В 1889 г., выступая на съезде немецкихестествоиспытателей, Герц говорил: ''Все эти опыты очень просты в принципе, темне менее, они влекут за собой важнейшие следствия. Они рушат всякую теорию,которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно.Они означают блестящую победу теории Максвелла. Насколько маловероятнымказалось ранее её воззрение на сущность света, настолько трудно теперь неразделить это воззрение''. Если Максвелл преобразовал представления Фарадея вматематические образы, то Герц превратил эти образы в видимые и слышимыеэлектромагнитные волны. Но даже после опытов Герца учение английского физика неполучило широкого распространения.
Главная причина егоневосприятия — необычность предложенных идей. В общепринятом понимании тогдапонимании теория Максвелла только описывала электромагнитные явления на строгомматематическом языке, но не давала их объяснения. Объяснить — значило, помнению физиков того времени, построить механическую модель явления. Механикапредставлялась незыблемым фундаментом всех разделов физики. Поэтому большинствоучёных считало, что для завершения электромагнитной теории необходимо ещёоткрыть механическую интерпретацию уравнений Максвелла. В плену этогопредвзятого представления находились все физики. Не избежал этого и Максвелл. Впервых своих работах по электромагнетизму он основное внШмание отводил именномеханическим моделям. Подчёркивая непривлекательность одного из предложенныхобъяснений, Пуанкаре писал: ''Можно подумать, что читаешь описание завода сцелой системой зубчатых колёс, рычагами, передающими движение и сгибающимися отусилия, центробежными регуляторами и передаточными ремням''. Однако позднееМаксвелл меняет свою точку зрения, он выражает желание ''просто направитьвнимание читателя на механические явления, которые помогут ему в пониманииэлектрических явлений. Все подобные фразы в настоящей статье должны пониматьсякак иллюстративные, а не объяснительные''.
Нарушение соответствиямежду механикой и электродинамикой стало причиной глубокого кризиса физики.Кризис физической теории, вызванный проблемой объяснения установленных на опытесвойств света, усугубился неожиданно последовавшими как из рога изобилиявеличайшими открытиями совершенно новых и удивительных явлений.
Начиная с 1895 года,когда Рентген открыл проникающие лучи, буквально каждый следующий год приносилошеломляющиее открытие:
· 1896 год — открытие явления радиоактивности,
· 1897 год — открытие электрона,
· 1898 год — открытие радия и полония,
· 1899 год — открытие сложного свойства радиоактивного излучения.
Пуанкаре пристальноследил за крутой ломкой, происходящей в физике конца XIX века. В это время голландскийфизик Г. А. Лоренц считает, что теория Максвелла нуждается в дополнении, таккак в ней не учитывается структура вещества. В ней свойства тел характеризуютсяразличными коэффициентами: диэлектрической и магнитной проницаемостью,проводимостью. ''Мы не можем удовлетвориться простым введением для каждоговещества этих коэффициентов, значения которых должны определяться из опыта; мыбудем принуждены обратиться к какой-нибудь гипотезе относительно механизма,лежащего в основе этих явлений. Эта необходимость привела к представлению обэлектронах, т. е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые вгромадном количестве присутствуют во всех весомых телах'', — писал Лоренц.
Все эти вставшие передфизикой проблемы настоятельно требовали выработки новых физических понятий ипредставлений и создания на их основе теоретического обобщения всейсовокупности недавно полученных экспериментальных данных.
В 1895 г. в работе ''Опыттеории электрических и оптических явлений в движущихся телах'' Лоренц даётсистематическое изложение электронной теории, опирающейся, с одной стороны, натеорию Максвелла, а с другой — на представление об атомарности электричества.
В начале 90-х годов XIXв. Г. Лоренц на основе своей электронной теории и гипотезы о неподвижном эфиревыводит уравнения электромагнитного поля для движущихся сред. И делает оченьважный вывод: никакие оптические и электромагнитные опыты, проведенные вравномерно и прямолинейно движущейся системе отсчёта, не в состоянии обнаружитьэтого движения.
Таким образом, Лоренцсформулировал принцип относительности для электромагнитных процессов. В 1904г., называя принцип относительности в числе основных принципов физики.
Развивая электродинамикуи стремясь объяснить опыты, Лоренц и Пуанкаре опирались на концепцию эфира.Подойдя к принципу относительности, они не смогли поставить вопрос опостоянстве и, особенно о предельном значении скорости света. Это и былосделано А. Эйнштейном (1879-1955).
Основополагающая работаЭйнштейна по теории относительности называлась ''К электродинамике движущихсясред''. Она поступила в редакцию журнала ''Анналы физики'' 30 июня 1905 г.Работа состояла из двух частей. В первой из них были изложены основы новойтеории пространства и времени, во второй — применение этой теории кэлектродинамике движущихся сред. В основу своей теории Эйнштейн кладёт двапостулата:
1. Принципотносительности — в любых инерциальных системах все физические процессы — механические, оптические, электрические и другие — протекают одинаково.
2. Принцип постоянстваскорости света — скорость света в вакууме не зависит от движения источника иприемника, она одинакова во всех направлениях, во всех инерциальных системах иравна 3 108 м/с.
На статью Эйнштейнаобратил внимание редактор журнала ''Анналы физики'', профессор Макс Планк.Работа Эйнштейна вызвала у него интерес возможностью провести ''такоеграндиозное упрощение всех проблем электродинамики движущихся тел, что вопрос одопустимости принципа относительности должен ставиться в первую очередь в любойтеоретической работе, посвященной этой области''. Вместе с тем, не найдя вработе Эйнштейна того обобщения уравнений механики, которое требовалось новымпринципам относительности, он сам приступил к решению этой задачи. Своирезультаты Планк доложил 23 марта 1906 г. на заседании Немецкого общества.Отметив, что ''принцип относительности, предложенный недавно Лоренцом и в болееобщей формулировке Эйнштейном'', требует пересмотров законов механики, онпривёл вывод новых уравнений движения. Эта работа завершала созданиерелятивистской механики.
В 1907 г. Эйнштейнзакладывает первые основы общей теории относительности. Из общей теорииотносительности был получен ряд важных выводов:
1. Свойства пространства- времени зависят от движущейся материи.
2. Луч света, обладающийинертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в полетяготения.
3. Частота света врезультате действия поля тяготения должна изменяться.
Общая теорияотносительности — ОТО — дала качественный скачок в развитии электродинамики,предложив уравнения Максвелла в гравитационных полях.
Некоторые соотношениярелятивистской электродинамики мало исследованы, в результате чего проблемныевопросы физики пытаются объяснить, строя новую электродинамику, вводя новыефизические поля — торсионные, монополь — магнитную частицу, имеющую одинмагнитный полюс, и т.д.
Максвелл вывел своиуравнения математически, исследуя модель магнитного поля в виде магнитныхсиловых линий, представляющих собой вихри, подобные смерчу, в эфире. Однакомагнитное поле может представлять собой и другие, более или менее сложныедвижения, воздействующие на магнитную стрелку. Среда такого рода, наполненнаямолекулярными вихрями с параллельными осями, отличается от обычной жидкоститем, что она имеет различные давления в различных направлениях. Если бы она несдерживалась надлежащим противодавлением, то она стремилась бы растянуться вэкваторном направлении. «Среда, имеющая такого рода структуру, может бытьспособна к другим видам движения и смещения, чем те, которые обслуживаютявления света и тепла; некоторые из них могут быть таковы, что онивоспринимаются нашими чувствами при посредстве тех явлений, которые они производят».Современная физика обходится без эфира, заменив его физическим вакуумом, вкотором постоянно возникают и исчезают электрон-позитронные и фотонные пары,появляются различного вида напряженности и моменты, обладающие энергией,передаются поперечные колебания — электромагнитные волны и т. д. Эйнштейнпишет: «Мы не можем в теоретической физике обойтись без эфира, т.е.континиума, наделенного физическими свойствами, ибо общая теорияотносительности исключает непосредственное дальнодействие; каждая же теорияблизкодействия предполагает наличие непрерывных полей, а, следовательно,существование эфира».
Математический формализмуравнений электродинамики не позволяет увидеть и предсказать ранее не известныеявления без наличия модели. Моделью магнитного поля должна быть модель,подобная модели Максвелла, математическое исследование которой привело ксозданию электродинамики.
Заключение
Если действительно, длятого, чтобы гений реализовал свой творческий потенциал, он должен родиться внужное время и в нужном месте, то судьба Майкла Фарадея полностью этоподтверждает. В год его рождения (1791 г.) был опубликован трактат Гальвани,когда Фарадею исполнилось 8 лет, был создан Лондонский Королевский институт пораспространению научных знаний. Годом позже в Лондонское Королевское общество — высший научный центр Великобритании — пришло сообщение об изобретении Вольта,когда Фарадею было 11 лет, его учитель Гемфри Деви доказал факт разложения водыс помощью вольтова столба и стал, таким образом, одним из основателей новойнауки — электрохимии.
До Фарадея физикаразвивалась, но ее развитие шло по пути механистическому. Однако все открытия вобласти электричества и магнетизма предопределили научные идеи Фарадея, а затемматематически их облекли в стройную теорию уравнениями Максвелла.
Влияние электрическоготока на магнитную стрелку обнаружил датский физик Ханс Кристиан Эрстед. Вовремя лекции об электричестве и магнетизме он заметил, что магнитная стрелкакомпаса уклоняется от своего направления. После лекции он установил, что вблизиот полюса гальванического элемента.
Как только элементзамыкался – стрелка меняла направление. Эрстед долго размышлял над этимстранным явлением: экспериментировал со стрелками и железными опилками, которыев момент замыкания располагались кругами около провода. Наконец в 1820 году онустановил связь между магнетизмом и электричеством.
Затем было установлено,что магнетизм сопутствует ток и в проводниках, и в электролитах, и в газах, аэто значит, что действие на магнитную стрелку – общий признак электрическоготока.
Французские физики Био иСавар осенью того же года установили, что каждая часть проволоки с токомдействует на магнитный полюс. Это исследование привело к закону взаимодействиятока и магнитного полюса.
Одним из основоположниковновой науки – электродинамики – является Андре Мари Ампер. Работы Ампера вобласти физики сразу привлекли к себе внимание. Узнав об опытах Эрстеда, онпродолжил их и установил, что два параллельных проводника притягиваются друг кдругу, если токи в них направлены в одну сторону и отталкиваются, если токинаправлены в противоположные стороны. Опыты Ампера позволили обнаружить закон,определяющий величину и направление сил, которые действуют на проводник стоком, если он помещён между полюсами магнита, то есть в магнитном поле.Направление силы определяют с помощью так называемого «правила правой руки».Амперу также принадлежит гипотеза о сущности намагничивания. Он предположил,что причину намагничивания следует искать в существовании круговых молекулярныхтоков. Токи эти, подобно магнитным стрелкам, имеют два полюса и поэтомуустанавливаются в направлении намагничивания.
Учёные встретили гипотезуАмпера доброжелательно, но она была недостаточна, потому что многое оставалосьв тени. Например, наблюдения Фарадея, как ведут себя между полюсами магнитастержни из различных веществ. Их поведение позволило разделить все вещества напарамагнитные и диамагнитные. Стержни первых устанавливаются между полюсамивдоль силовых линий, стержни вторых – перпендикулярно к ним. Это явлениеобъяснили позже, когда стало ясно строение атома.
Магнитные исследованияКулона помогли вывести законы взаимодействия магнитных полюсов, исследованияАмпера – закон взаимодействия проводников с тЮками, а также проводника с токоми магнита.
Некоторые из учёныхобъяснили взаимодействие магнитных полюсов, магнитного полюса и тока,проводников с током действием на расстоянии, без участия окружающей среды(теория дальнодействия). Другие придерживались мнения Майкла Фарадея: полюсавзаимодействуют благодаря особому состоянию среды, которое вызываетсяприсутствием магнитного полюса или проводника с током (теория близкодействия).
После открытия иисследования электромагнитной индукции стала очевидной возможность создать генератор,который сможет преобразовать механическую энергию в энергию электрическую.Первый генератор электрического тока, построенный в 1832, был весьманесовершенен.
К этому же времениотносится начало целой серии работ М. Фарадея (1791-1867), одно лишь толькоформальное перечисление, которых способно составить объемный каталог, поэтомуследует выделить наиболее значительное в этих исследованиях. Прежде всего,открытие явления электромагнитной индукции, во-вторых, явление вращенияплоскости поляризации света в магнитном поле — первое экспериментальноедоказательство связи между светом и магнетизмом, в-третьих, введение понятия«силового поля».
А. Эйнштейн по этому поводуотмечал: «Идея поля была самой оригинальной идеей Фарадея, самым важнымоткрытием со времен Ньютона. Надо иметь могучий дар научного предвидения, чтобыраспознать, что в описании электрических явлений не заряды и не частицыописывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами».
Примерно с середины Х1Хв. резко усиливаются теоретические изыскания, направленные на создание болееили менее всеобъемлющей физико-математической концепции в областиэлектромагнитных явлений.
Существеннымидостижениями в этом отношении отличается творческая деятельность представителейнемецкой школы физиков-теоретиков — Ф.Э. Неймана (1798-1895) и В.Э. Вебера(1804 -1891). Помимо успехов в создании первых теорий классическойэлектродинамики следовало бы заметить, что, по-видимому, именно Вебером впервыебыла высказана гипотеза о прерывности электрического заряда и о существованиисверхлегкой заряженной частицы (за пятьдесят лет до открытия электрона Дж.Дж.Томсоном в 1897 г.).
Наряду с успехамифизических наук Х1Х в. может быть отмечен не меньшими (если не большими) достижениямив области математических наук. В частности, к середине прошлого века вдостаточно совершенном виде (по крайней мере, для целей новой теоретическойфизики) сформировались такие разделы математики, как векторное исчисление (хотясама терминология — «векторный анализ»- была введена Дж. Гиббсомпозже, в 1881 г.), вариационное исчисление, математическая физика. В этой связинельзя не отметить влияние на формирование научного мировоззрения П.С. Лапласа (1749-1827),Ж.Б.Ж. Фурье (1768-1830), К.Ф. Гаусса (1777-1855), С.М. Пуассона (1781-1840), М.В.Остроградского (1801-1861), У.Р. Гамильтона (1805-1865), Ж. Лиувилля(1809-1882).
Таким образом,складывалась благоприятная ситуация для создания теоретической электродинамики,как принято говорить в таких случаях — «идеи витали в воздухе».
Роль Фарадея в человеческойцивилизации совершенно уникальна. До него ученые — естествоиспытателиисследовали круг явлений, известных из повседневного опыта и воспринимаемыхкаким-либо из пяти органов чувств человека. Фарадей же открыл новый видматерии, органами чувств не воспринимаемый — электоромагнитное поле, положивновые пути развития науки и техники.
Черту подвел Д.К.Максвелл, который в период с 1860 г. по 1865 г. обобщил всю сумму экспериментальныхданных и предложил в виде системы уравнений теорию электромагнитного поля,выражающую все основные закономерности электромагнитных явлений. Элементаминовизны в этой теории были введенное им понятие тока смещения, а такжепредсказание ряда эффектов — существование в свободном пространствеэлектромагнитного излучения (волн), распространение электромагнитных волн впространстве со скоростью света. Справедливости ради стоит отметить, что Л.В.Лоренц, не имея информации о работах Максвелла, чуть позже, в 1867 г., во многомповторил результаты последнего. Существенным достижением обоих исследователейявляется неопровержимое установление электромагнитной природы света, т.е.логическое завершение связи между оптическими и электромагнитными явлениями.
Вклад Максвелла сводитсяк следующему:
1. Теория Максвеллавводит в физику фундаментальное понятие единого электромагнитного поля. Введениепонятия поля как основного объекта, обеспечивающего все электромагнитныевзаимодействия, акцент не на заряды и токи, а на ''порожденное'' ими полеозначают окончательное утверждение в физике идеи близкодействия.
2. Теория Максвеллаисходит из признания конечности скорости распространения электромагнитныхвзаимодействий. Из этого вытекает, что сигнал, испущенный источником, но непринятый приёмником, живет самостоятельной жизнью как реальное образование,обладающее энергией, которая, по Максвеллу, сосредоточена в поле. Энергияэлектромагнитного взаимодействия зависит от параметров поля (Е и В), это естьэнергия поля, а не энергия зарядов и токов. Но энергия не может быть безматериального носителя. Следовательно, поле является объективной реальностью.
3. Теория Максвеллапо-новому поставила вопрос о взаимосвязи электричества и магнетизма. Ихединство проявляется том, что изменяющееся электрическое поле порождаетмагнитное, а изменяющееся магнитное порождает электрическое, т. е.электрические и магнитные поля есть частные проявления единогоэлектромагнитного поля.
4. Теория Максвелла наоснове понятия поля свела в единую систему все знания по электричеству имагнетизму. Она дала возможность, зная компоненты поля (Е и В) в данной точке вданный момент времени, найти их значения в любой другой точке в любой другоймомент времени, а зная характеристики поля, найти и силы, действующие на зарядыи токи. Все законы электрических и магнитных взаимодействий, все законы тока,выведенные раньше, получаются из уравнений Максвелла как следствия.
5. Из решения уравненийвытекает, что электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде волни скорость электромагнитных волн равна скорости света. Тем самымустанавливается не только существование нового объекта, но и выдвигается идеяоб электромагнитной природе света, а значит, устанавливается единство оптики иэлектромагнетизма.
Теория электромагнитногополя Максвелла знаменовала собой начало нового этапа в физике. Именно на этомэтапе развития физики электромагнитное поле стало реальностью, материальнымносителем взаимодействия. Мир постепенно стал представлятьсяэлектродинамической системой, построенной из электрически заряженных ччастиц,взаимодействующих посредством электромагнитного поля.
Большинство физиковвысоко оценили теорию Максвелла. Пуанкаре считал её ''вершиной математическоймысли''. ''Самым увлекательным предметом во время моего учения была теорияМаксвелла. Переход от сил дальнодействия к полям, как к основным величинам,делал эту теорию революционной'', — писал А.Эйнштейн. Но теории Максвелла ещёпредстояло утвердить себя.
Модель силового полярождается в электродинамике Максвелла, точнее Фарадея-Максвелла, посколькуосновы модельного слоя были заложены Фарадеем на основе модели силовых линий, аматематический слой был разработан Максвеллом. Исходя из концепцииблизкодействия, Фарадей перенес центр тяжести своих исследований сэлектрических и магнитных тел на пространство между этими телами.
«Магнитным полем, — пишет Фарадей, — можно считать любую часть пространства, через которую проходятлинии магнитной силы… Свойства поля могут изменяться от места к месту поинтенсивности силы, как вдоль линий, так и поперек последних». Эту линиюпоследовательно развил Дж. Максвелл. Он изначально исходит из новой моделиполя, суть которой составляют «электрические силовые линии, существующиевне порождающих их зарядов.». И над этой моделью надстроил математическийслой с помощью аналоговых гидродинамических моделей, жестко связанных со своимматематическим слоем. «Формирование этого языка открывало путь кпостроению основ для исследования принципиально новых законов действияэлектрических и магнитных сил, включая физические процессы их взаимопревращенияи распространения в пространстве (электромагнитных волн). … Такие физическиепроцессы, вообще говоря, были просто бессмысленны с точки зрения понимания силыкак причины ускорения материальной точки;...».
Основные новые моментымодели, унаследованные от Фарадея, — система-поле (представляющее собойзаполняющую пространство среду из силовых линий), состояния которогоопределяются значениями напряженностей электрической и магнитной составляющих — новых измеримых величин. Важнейшим шагом на этом пути было определениепроцедуры измерения характеристик поля посредством пробного заряда и пробноговитка с током.
Одно лишь толькоформальное перечисление работ М. Фарадея способно составить объемный каталог,поэтому следует выделить наиболее значительное в этих исследованиях.
Прежде всего, открытиеявления электромагнитной индукции, во-вторых, явление вращения плоскостиполяризации света в магнитном поле — первое экспериментальное доказательствосвязи между светом и магнетизмом, в-третьих, введение понятия «силовогополя». А. Эйнштейн по этому поводу отмечал: «Идея поля была самойоригинальной идеей Фарадея, самым важным открытием со времен Ньютона. Надоиметь могучий дар научного предвидения, чтобы распознать, что в описанииэлектрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скореепространство между зарядами и частицами».
К настоящему времени неустановлено ни единого экспериментального факта, который позволил бы усомнитьсяв справедливости электромагнитной теории Фарадея-Максвелла. Однако несуществует до сих пор и строгого вывода основных соотношений этой теории.Поскольку электрон был открыт значительно позже (Дж.Дж. Томсоном в 1897 г.), а дискретность же электрического заряда и его величина были установлены позднее (Р.Э.Милликеном в 1910-1914 гг.), то в основе теории Максвелла лежали представленияо «заряде-жидкости», т.е. теория Максвелла – это, прежде всего,макроскопическая электродинамика.
/>/>Литература
1. Генезистеоретических знаний в классической науке — ru.philosophy.kiev.ua/library/stepin/04.html.
2. Дягилев Ф. М., Изистории физики и истории её творцов. — М.: Просвещение, 1986.
3. Веселовский О.Н., Шнейберг Я. А., Очерки по истории электротехники. — М.: Издательство МЭИ,1993.
4. Волькенштейн М.В., Молекулярная оптика, М. – Л., 1951.
5. Вонсовский С. В.,Магнетизм, М., 1971.
6. Вонсовский С. В.,Магнетизм микрочастиц, М., 1973.
7. Калашников С. Г.,Электричество, М., 1964 (Общий курс физики, т. 2).
8. Каменецкий М. О.,Ганс Христиан Эрстед, «Наука и техника», 1957, № 18.
9. КудрявцевП.С.Курс истории физики. Электромагнетизм — М, 1959.
10. Карцев В.Л.Максвелл. М., 1974.
11. Курс физики, подред. Н. Д. Папалекси, т. 2, М. — Л., 1948;
12. Ландсберг Г. С.,Оптика, 4 изд.,. М., 1957 (Общий курс физики, т. 3).
13. Лебединский А.В., Роль Гальвани и Вольта в истории физиологии, в кн.: Гальвани А. и ВольтаА., Избр. работы о животном электричестве, М.—Л., 1937.
14. Максвелл Д. К…Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. — М.Техиздат, 1954.
15. Мощанский В. Н.,Савелова Е. В., История физики в средней школе. — М.: Просвещение, 1981.
16. Радовский М. И.,Михаил Фарадей. Биографический очерк, М. – Л., 1946.
17. Славин Фарбер. «Генийтворит то, что должен». –fizmag.narod.ru
18. Степин В.С.Становление научной теории. Минск: БГУ, 1976.
19. Менцин Ю.Л.Теория электромагнитного поля: от Фарадея к Максвеллу. В кн.: Физика IX-XX вв.в общенаучном и социокультурном контекстах. Физика XIX в. М.: Наука, 1995.
20. Столетов А.Г.Собр. соч., т. 2, 1941.
21. Тамм И. Е.,Основы теории электричества, 7 изд., М., 1957.
22. Тяпкин А. А.,Шибанов А. С., Пуанкаре. — М.: Молодая гвардия, 1982.
23. Фарадей М.,Экспериментальные исследования по электричеству, пер. с англ., т. 1, -М., 1947.
24. Фарадей М.Экспериментальные исследования по электричеству. Тт. 1-3, М.: АН СССР,1947-1959, т.3
25. Физические основыэлектротехники, под общ. ред. К. М. Поливанова, М. — Л., 1950.
26. Фриш С. Э.,Оптические спектры атомов, М. – Л., 1963.
27. Храмов Ю. А.,Физики: Биографический справочник.- М.: Наука, Главная редакцияфизико-математической литературы,1983.
28. Шнейберг Я.А.Переплетчик, ставший академиком.//«ЭЭергия» 2002, № 2.
29. Экспериментальныеисследования по электричеству, т. 1–3, — М., 1947.
30. Энциклопедическийсловарь юного физика/Сост. В. А. Чуянов.- М.: Педагогика-пресс, 1997.
31. Энциклопедическийсловарь юного математика / сост. А. П. Савин.- М.: Педагогика-Пресс, 1997.
32. Эйнштеин. А.Собрание научных трудов. Том 2, М.Наука, 1966, с.160.
33. http://www.krugosvet.ru/articles/04/1000472/1000472a1.htm
34. http://fizmag.narod.ru/pages/rus5.html
35. http://historic.ru/books/item/f00/s00/z0000027/st030.shtml