Реферат: Возникновение и развитие идеи электромагнитного поля - текст реферата. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Реферат

Возникновение и развитие идеи электромагнитного поля

Банк рефератов / Физика

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Реферат
Язык реферата: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Microsoft Word, 535 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникального реферата

Узнайте стоимость написания уникальной работы

План. 1. Введение…………………………………………………………………………… ..3 2. Возникновение идеи бл изкодействия в физике Декарта………………………… .3 3. Возникновение идеи дальнодействия в физике Ньютона………………………… 4 4. Представления о приро де электричества и магнетизма в “эпоху не весомых” ; период господства концепции дальнодейст вия…………………………………………… .5 5. Установление связи эл ектричества и магнетизма как важнейший этап , п одготовивший выдвижение идеи поля…………… ………………………………………………… .8 6. Идея близкодействия в работах Фарадея………………………………………… ..12 7. Создание теории элект ромагнитного поля Максвеллом………………………… ..21 8. Утверждение теории Ма ксвелла…………………………………………………… .27 9. Заключение …………………………… ……………………………………………… 33 10. Список используемой литературы………………………………………………… ..34 Введение. Вопрос о том , как передает ся действие от одного тела к другому , приобрел особую остроту в связи с установ лением закона всемирного тяготения . Учение об эл ектричестве и магнетизме на рубеже XVI-XVII вв . только зарождалось , а в области тяготения в результате работ Ньютона был уже сформулирован в математической форме зако н тяготения . Но этот закон не давал от вета на другой вопрос , каким образом удале нные друг от друга тела действуют друг на друга . В этот период и во зникают две точки зрения на проблему пере дачи действия на расстояние. 1. Возникновени е идеи близкодействия в физике Декарта. Родоначальником одной из них является французский мыслит ель Рене Декарт . Декарт и его послед ователи (картезианцы ) пытались объяснить тяготение , не прибегая к понятию силы , и предста вить его как чисто кинематический эффект , обусловленный движением любого вещества , заполняю щего все пространство , невесомого флюида – эфира . Неко т орое представление о таком объяснении может дать хотя бы сл едующая мысль в духе Декарта . В жидкости , которая вращается в сосуде , легкие тела устремляются (как бы тяготеют ) к оси в ращения и подобно этому в вихре среды , заполняющей мировое пространство , выз в анном вращением Солнца , планеты испытываю т тяготение к Солнцу . И свет , по Декарт у , рассматривался как давление , передающееся ч астицами Среды от источника к глазу . Элект рические и магнитные явления объяснялись вихр ями тонкой материи , которая выходит , напри м ер , из одного полюса магнита и входит в другой , действуя при этом н а железные тела , находящиеся вблизи магнита. Все объяснения такого рода совершенно искусственны и не вытекают из опытных фактов . Но объяснения Декарта получили широко е распространение , по тому что были про сты и наглядны . Для нас важны не сами эти объяснения , а лежащая в их основе идея : тяготение , электрическое и магнитное действия передаются от тела к телу чер ез среду. Принцип , согласно которому действие пере дается через среду в течение не которо го времени , получил название принципа близкод ействия . Этот принцип берет свое начало от Декарта , хотя попытки объяснить передачу действия за счет существования особой среды – эфира можно найти и у древних мыслителей , справедливо полагающих , что “тел о не может действовать там , где его нет” . В том же духе объяснял электрические явления и английский ученый Вил ьям Гильберт. Однако при всей внешней простот е кинематические представления о тяготении бы ли абсолютно бесплодны – из них не в ытекало ничего новог о . Поэтому картезианс кие идеи не смогли долгое время выдержива ть конкуренцию с теорией тяготения , выдвинуто й Ньютоном. 2. Возникновени е идеи дальнодействия в физике Ньютона. Из закона тяготения Ньютона вытекало множество следствий и объяснений различных земных и не бесных явлений . Так , например , закон объяснял , почему движение планет подчиняется законам Кеплера . Ньютоновское объяснение тяготения свод илось к утверждению о том , что на кажд ое тело со стороны других действует сила , вычисляемая по установленно м у им закону . Почему эта сила действует , как передается тяготение на огромные расстояния , т.е . каков механизм тяготения , Ньютон объясн ить не смог , так как не было необходим ых фактов , на базе которых можно было бы построить обоснованную гипотезу , а надуман н ы х гипотез он не признавал . П оследователи Ньютона (ньютонианцы ), восхищенные усп ехами построенной им теории , довели до абс урда его тезис “Гипотез я не измышляю”– стали вообще отрицать необходимость отыскани я причин явлений , считая , что для объяснен ия всех я влений надо просто вво дить соответствующие силы , не задумываясь об их происхождении. Эта тенденция утвердилась в физике н а долгие годы . Ньютон был бесспорно прав , отрицая умозрительные и надуманные гипотезы картезианства и не ставя преждевременного в ту э поху вопроса “почему ?”. Таким образом , от работ Ньютона бере т начало второй принцип , связанный с пробл емой взаимодействия , – принцип дальнодействия , согласно которому действие передается от т ела к телу без участия какой-либо промежут очной среды , и притом мгновенно. Таким образом , к XVIII в . оформляются две точки зрения на проблему взаимодействия . Одна основана на принципе дальнодействия , дру гая – на принципе близкодействия . Влияние взглядов Ньютона на последующее развитие ф изики было столь велико , что и у че ние об электричестве и магнетизме строилось в духе ньютоновской концепции дальнодействия , требующей установления математических законов взаимодействия электрических и магнитных сил без выяснения их природы . Так было впло ть до эпохи Фарадея – Максвелла. Но помимо вопроса о том , как взаи модействуют магнитные и наэлектризованные тела , требовали решения другие вопросы : что такое электричество и магнетизм ? Чем магнитные и наэлектризованные тела отличаются от “обычн ых” тел и друг от друга ? И теория электромаг н итного поля не могла б ыть создана до установления взаимосвязи элект ричества и магнетизма . Обращусь теперь к р ассмотрению развития взглядов на природу элек тричества и магнетизма. 3. Представления о природе электр ичества и магнетизма в “эпоху невесомых” ; п ериод господства концепции дальнодействия. Первоначально электрические и ма гнитные явления отождествлялись , так как было известно , что наэлектризованные тела , как и магнитные , лишь притягивают другие тела . Первая серьезная работа в области электричес тва и магнетизма принадлежит В . Гильберт у (1600 г .), который , изучая магнитные явления , р езко отграничивает их от электрических (магни тные свойства “вечны” , электрические же можно возбудить и уничтожить , в отличие от электрических взаимодействий магнитные проя в ляются и как притяжения и как отт алкивания ; электрические слабее магнитных ). Исследо вание электрических явлений пошло значительно быстрее после создания первого генератора электричества – электрической машины Отто фо н Герике , бургомистра немецкого города М агдебурга , человека изобретательного ума , дипломата , общественного деятеля , инженера и т онкого экспериментатора , который на шестом де сятке лет после своих знаменитых опытов с “магдебургскими полушариями” занялся электричес твом . Вращающийся шар из серы при трении о ладонь руки позволил Герике получать большие электрические заряды . Он обнаружил притяжение и отталкивание зарядов , электрическую искру , а также проводимость л ьняных ниток. Спустя семь десятков лет голландским ученым Мушенбруком был получен новый источник больших электрических зарядов – пер вый конденсатор – лейденская банка . Желая зарядить воду в стеклянной банке , Мушенбрук опустил цепочку от генератора в сосуд с водой , а потом вынул ее . О том , что он при этом испытал , говорят слова из его сообщен и я : “Я думал , что пришел конец” и “не согласился бы подвергнуться еще раз такому испытанию даж е за королевский трон Франции” . Опыты с лейденской банкой , вызывающие физиологическое действие электрич ества и сопровождающееся искровым разрядом , с тали повтор ять очень многие и не только в лабораториях , но и при дворе , в аристократических гостиных . 700 взявшихся за р уки парижских монахов , а в другой раз 180 солдат при дворе Людовика XV, содрогающихся от электрического разряда конденсатора , – тако вы были первые цепи электрического тока , первые колебательные (в прямом смысле !) контуры. Электричество стало модным , что способст вовало возбуждению интереса к этой области явлений . Развитию исследований способствовала н адежда на практическое использование электричест ва для лечебных целей , а также стрем ление на основе изучения электричества решать проблему грозозащиты , поскольку утверждалась мысль об электрическом характере молнии. Бенджамин Франклин (1706-1790), сын ремесленника , выдающийся американский дипломат , борец за независимость Америки и равноправие негров , популярный писатель , обаятельный человек , зан имался физикой всего семь лет , но сделал очень многое – с него начинается те оретическое осмысление электричества . Впервые в его работах появляются современные тер м ины : “положительный” и “отрицательный” з аряд , “разряд” , “конденсатор” и т.д . По Фран клину , электричество – это особая невесомая субстанция (флюид ), состоящая из мельчайших отталкивающихся частиц и содержащаяся во в сех телах . Избыток ее означает положитель н ую электризацию , недостаток – от рицательную . Это представление оказалось очень плодотворным , так как многое объясняло : одно временную электризацию трущихся тел – переходом флюида от одного тела другому ; проводимость – движен ием субстанции в проводниках ; ко нденсацию в лейденской банке – накоплением флюида и т.д. Вместе с этим возникают теории , в которых фигурируют два рода флюидов – положительный и отрицательный . Франц Эпинус , д олгое время работавший в России , считал эл ектричество и магнетизм разнородными я вле ниями (ведь магнит не притягивает электризова нное тело ) и ввел в физику понятие об особом магнитном флюиде . Соответствующие уро вню науки того времени теории , основанные на представлениях об электричестве и магнетиз ме как особых жидкостях , господствовал и много десятков лет , и в рамках их сформировались многие современные понятия : “количество электричества” , “сохранение заряда” , “электроемкость” и т.д. Лишь М.В . Ломоносов настаивал на един стве электричества , магнетизма и света , считая , что все эти явления есть процессы , происходящие в эфире . Если Эпинус развив ал ньютоновское представление о дальнодействии , то Ломоносов стоял на принципах , примыкающи х к близкодействию , предвосхищая в своих д огадках на 100 лет идеи Максвелла . Высказывания Ломоносова не полу ч или широкой известности , и даже на родине они не были поняты и оценены. Итак , в XVIII в . господствовало убеждение , что электричество и магнетизм – это осо бые материальные субстанции ; взаимосвязь электрич ества и магнетизма отрицалась ; проблема перед ачи дей ствия решалась в духе дальноде йствия. Позиции дальнодействия укрепляются еще больше после открытия закона взаимодействия з арядов . Изучая проблемы кручения нитей , францу зский ученый Шарль Кулон (1736-1806) обнаруживает , что угол закручивания нити пропорцио нален моменту приложенных сил , и это наталкивает его на создание точнейших крутильных вес ов (с чувствительностью 10 -7 г /град ) для измерения сил по углу закручивания . С помощью этих весов он устанавливает закон взаимодействия зарядо в и магнитных полюсов , х арактеризуемых так называемыми “магнитными массами” m. Открытые им законы поражали тем , что повторяли “по форме” закон тяготения Ньютона : q 1 q 2 m 1 m 2 F ЭЛ. = k и F М = k ` r 2 r 2 (Как было н е уверитьс я еще раз в справедливости дальнодействия Ньютона !) Начался XIX в ., а понятия поля в физ ике еще не существовало и не только и з-за господства дальнодействия , но и из-за незнания связи электричества и магнетизма . О связи между этими явлениями не зна ли потому , что изучали фактически области электро - и магнитостатики , а ведь электромагне тизм является динамическим эффектом , связанным с движением зарядов , т.е . с током . Но электрического тока как объекта изучения в физике еще не было , так как не суще с т вовало источника постоянного длител ьного тока – конденсатор же давал лишь кратковременный разряд . Начало изучения постоян ного электрического тока связано с именами двух итальянских ученых – Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта. 4. Установление связи эл ектричества и магнетизма как важнейший этап , подготовивший выдвижение идеи поля. Луиджи Гальвани (1737-1798) – анатом по профессии . Случилось так , что при препа рировании лягушек в его лаборатории кто-то привел в действие электрическую машину . В момент про скакивания электрической искры мышцы препарированной лягушки , к которой в это время прикасались скальпелем , стали с окращаться . Как было не заинтересоваться этим – может быть электричество оживляет орг анизм ? Гальвани вывешивал препарированные лапки лягушки на открытом воздухе , чтобы проверить , будет ли возникать эффект под действием атмосферного электричества во врем я грозы . Мышцы во время грозового разряда сокращались . Но к удивлению ученого , они сокращались и при ясной погоде . Причина была в том , что лапк и подве шивались на медных крючках к железной огр аде и при контакте разнородных металлов в озникала разность потенциалов , вызывающая раздраж ение нервов и потому сокращение мышц. Гальвани же сделал вывод о существов ании “животного электричества” , считая , что мышца и нерв есть своеобразная лейден ская банка , источник электричества , замыкаемый проводником . Открытие Гальвани вызвало бурю страстей , сравнимую , по свидетельству современн иков , лишь с бурей , вызванной французской революцией . И не мудрено : если “оживаю т ” ткани лягушек , так , может быть , можно воскрешать электричеством мертвых ? От искушения повторить опыты Гальвани не устоял и сорока шестилетний профессор А . Вольта (1745-1827), известный к этому времени ученый , изобретатель электрофора , талантливейший л ек тор , в аудиторию которого собирались не только со всей Италии , но и из других европейских стран . Он обратил вниман ие на то , что содрогание лапок лягушки наблюдается лишь тогда , когда нерв и мы шцы соединяются разнородными материалами. Первые опыты Вольта очень просты . Он брал две монеты из разных металлов и одну из них клал на язык , а другую – под него ; при соединении их проволокой ощущался такой же вкус , как и при “пробовании на язык” проводов от известных в то время источников электричес тва . В результат е ряда опытов Во льта убедился в том , что ткани организма не источник , а индикатор электричества , в озникающего при контакте разнородных металлов . Так была открыта контактная разность потен циалов . Открыв контактное электричество , Вольта создает к 1800 г . пер в ый источник постоянного тока – “вольтов столб” , состоя щий из стопы чередующихся цинковых и сере бряных кружков , разделенных картонками , смоченными соленой водой . По его предложению получае мое таким образом , электричество называют гал ьваническим (в дань ува ж ения к тому , чьи опыты натолкнули Вольта на от крытия ). Эти открытия приносят Вольта необычайну ю славу . Наполеон приглашает его в Париж , где его осыпают почестями и наградами , избирают членом сената . Но к чести Воль та , почести не вскружили ему голову . Он ч уждался всей той шумихи , которая с оздавалась вокруг него , предпочитая свою лабо раторию дворцам и гостиным , и до конца своих дней сохранил честность , бескорыстие и прямоту. Создание длительно действующего источника электричества позволило начать изучение д ействий постоянного электрического тока . Прежде всего устанавливается химическое действие (сначала разложение воды на кислород и водород , а затем выделение из щелочи но вых элементов Na и K – Дэви , 1808 г .). Обнаруживае тся и тепловое действие (нагревание п р оводников током , электрическая дуга , получ енная в 1803 г . петербургским профессором В.В . Петровым , который построил самую большую в то время батарею из 2100 элементов ). А с 1820 г . начинается целая цепь открытий , знамену ющих появление новой области – элек т ромагнетизма , и вплотную подводящих физик у к понятию поля. Изучение элек тромагнетизма . Эрстед . Ампер. В 1808 г . к причалу одного из французских портов едв а добрался своим ходом полуразрушенный молние й военный корабль . На борт его поднялась комиссия , в сос тав которой входил Франсуа Араго , блестящий ученый , ставший в 23 года академиком , человек необычайного темпер амента . Араго обратил внимание , что стрелки всех компасов были перемагничены в результ ате удара молнии . Подобных фактов к этому времени у Араго на к опилось и зрядное количество . Казалось бы , вывод о с вязи электричества и магнетизма напрашивается сам собой , но Араго не сумел его сд елать : ведь электрическая природа молнии была не так давно доказана Франклином и э то еще требовало осмысления. Честь устано вления связи электричес тва с магнетизмом принадлежит датскому ученом у Гансу Христиану Эрстеду (1777-1851). Диалектическая идея о взаимосвязи явлений , воспринятая Эрсте дом из философии Гегеля , заставляла его це ленаправленно искать связь между электричество м и магнетизмом . За несколько ле т до своего открытия он пишет : “Следует испробовать , не производит ли электричество каких-либо действий на магнит” . Но , видимо , он долго не смог понять , как проверить свою догадку. 15 февраля 1820 г . Эрстед на лекции демо нст рировал нагревание проводника током . В близи установки находилась магнитная стрелка , и кто-то из наблюдательных студентов обратил внимание , что при прохождение тока стрелк а поворачивалась (правда , это не единственная версия по поводу данного открытия ). Эрс т ед тщательно изучил обнаруженный эффект и опубликовал о нем сообщение (21 июля 1820г .). Открытие Эрстеда вызвало сенсацию . В августе 1820 г ., через несколько дней после пу бликации Эрстеда , опыт производится на Женевс ком съезде естествоиспытателей , в кото ром участвует Араго . А 11 сентября на заседании Французской академии Араго уже ставит оп ыт Эрстеда . В числе других его с волне нием наблюдает и Ампер (1775-1836), которому суждено было глубже других понять суть нового открытия и заложить основы электромагн е тизма – учения , вершиной которого ста ла теория создания электромагнитного поля . Те перь счет истории создания нового направления исследований идет уже по дням . 11 сентября Ампер наблюдает опыт Эрстеда в исполнени и Араго , а на следующем заседании академии – 18 сентября сам выступает с докладом , в котором выдвигает мысль о том , что поскольку ток вызывает ориентацию ма гнитной стрелки , то и ориентация стрелки к омпаса под действием земного магнетизма вызва на токами , текущими в Земле с востока на запад . Но тогда логично предпол ожить , что и магнитное действие постоянного магнита обусловлено существованием круговых то ков , циркулирующих в магните в плоскостях , перпендикулярных его оси . А тогда взаимодейст вие магнитов есть , по сути дела , взаимодей ствие циркулирующих в них “молекулярн ых токов” , т.е . ток должен действовать на ток . Если выдвинутые гипотезы верны , то нет нужды в “магнитных жидкостях” , “магнитных истечениях” , с помощью которых по традици и и объяснялись магнитные взаимодействия. Ампер смело выступает против освящ енных десятилетиями традиционных взглядов . Эта смелость идет не только от оригинальности и широты мышления гения , но и в з начительной мере от мировоззрения Ампера . Он – сторонник ньютоновского метода принципов , согласно которому незачем выдумывать и з лишних гипотез . Руководствуясь идеей общности в явлениях природы и принципом “природа не излишествует в причинах” , он был против введения множества невесомых : “Разве надо для каждой новой группы явлений придумывать специальный флюид !” Ампер видит задачу физики в том , чтобы “свести к минимуму число принципов , объясняющих физические явления” . Его исходная идея о том , что все многообразие явле ний взаимодействия магнитов , магнитов и токов можно свести к взаимодействию токов , озна чала устранение излишних гип о тез и сведение многообразия к единой основе . Н о эта исходная идея нуждалась в экспериме нтальном исследовании , и вся неделя с 18 по 25 сентября была посвящена этому . 25 сентября Ампер продемонстрировал свои знаменитые опыты . Спираль с током действует на ма г нитную стрелку так же , как и полос овой магнит . Спираль ориентируется в магнитно м поле Земли подобно стрелке компаса , а две спирали взаимодействуют подобно полосовым магнитам . Позднее он осуществил и взаимод ействие прямых проводников с током . Ему во зражали : “Это взаимодействие электрическ ое” , но он показывал , что одинаково заряже нные проводники должны отталкиваться , а у него одинаковые по направлению токи притягива ются , т.е . он впервые разграничил электростатич еские и электродинамические явления (термины вв е дены Ампером ). Затем Ампер впер вые вывел формулу для расчета силы взаимо действия двух элементов тока , на основе ко торой путем суммирования взаимодействия всех элементов можно получить формулы для определе ния сил взаимодействия конечных проводников с током любой конфигурации – знаме нитый закон Ампера . Амперу принадлежит идея гальванометра (т ермин его ), основанного на действии тока н а стрелку ; Ампер вводит понятия и термины “напряжение” , “сила тока” , “направление тока” . Таким образом , Ампер является основа телем электродинамики . Не случайно Максвелл н азвал его “Ньютоном электричества”. Дарования Ампера проявились очень рано – в трин адцать лет он прочел все двадцать томов энциклопедии Дидро , хотя официального образован ия и не получил . Интересы его были чре з вычайно обширны : разные отрасли математи ки (теория игр , геометрия ), биология , геология , лингвистика , философия , химия и , конечно , физ ика . Вот те отрасли знания , которыми он занимался . Окружающим он казался человеком странным : близорукий , рассеянный , довер ч ивый , мало обращающий внимание на свой внешний вид , да к тому же имеющий не столь ценимую обычно привычку прямолине йно говорить человеку все то , что думаешь о нем. Его открытия многие коллеги не пон имали и встречали скептическими усмешками . Пр иборы он по купал и изготовлял на свои деньги , а их было мало . Приходилось выпрашивать дополнительную работу у университе тского начальства , отправляться в инспекционные поездки по провинциальным училищам , составлять отчеты о них по требованию начальства , получавшего, видимо , удовольствие от возможности унизить оригинала– ученого . А он был человеком редчайшей скромности . Немногие современники по достоинству оценили его за слуги , слава пришла к нему лишь после смерти . “Смерть Ампера – несчастье националь ное” , – сказал Ара г о . Но это , конечно , была потеря не одной Франции. Итак , был сделан еще один шаг на пути к понят ию поля – установлена связь электричества и магнетизма . Но электродинамика Ампера , рав но как и электростатика , получившая к этом у времени стройное математическо е оформле ние , была основана на дальнодействии . Тот факт , что ньютоновская программа поиска матем атических законов сил без выяснения механизма их действия успешно реализовалась в резу льтате установления законов Кулона , Ампера и Био-Савара-Лапласа , еще боле е укрепл ял принцип дальнодействия . А вихри материи , якобы циркулирующие вокруг проводника с то ком и поворачивающие стрелку , электрические и магнитные атмосферы вокруг магнитов , токов и заряженных тел , были гипотезами , без к оторых можно было обойтись , так к а к они не вытекали из фактов и не давали никаких математических выражений д ля сил . Какую оригинальность суждений , непредв зятость мнений и своеобразие видения мира нужно было проявить , чтобы в эпоху безр аздельного господства дальнодействия выдвинуть и дею по л я , чуждую духу науки то го времени и научным традициям . Этот револ юционный шаг был сделан Майклом Фарадеем (1791-1867). 5. Идея близкодействия в работах Фарадея. Не буду подробно рассматривать всего , что сделал Фарадей для физики , пе речислю лишь основные его открытия , оста новившись подробно только на работах , связанн ых с обоснованием концепции близкодействия . К числу основных открытий Фарадея относятся следующие : а открытие сжижения га зов и предвидение существования критической т емпературы ; а открытие вр ащени я проводника с током вокруг магнита , что явилось прообразом современного электродвигател я ; а открытие явления эле ктромагнитной индукции и самоиндукции , что по зволило ему создать первую действующую модель униполярной динамо-машины ; а доказательство е диной природы разного вида электричества , пол учаемого различными способами ; а установление законов электролиза и выдвижение идеи об атомарнос ти электричества ; а создание теории элек тростатической индукции и поляризации диэлектрик ов , введение понятия диэл ектрической прон ицаемости ; а изучение магнитных с войств вещества , открытие диа - и парамагнетизм а ; а изучение проводимости газов ; а открытие вращения пл оскости поляризации света под действием магне тизма ; а создание основ учени я о поле. Обращусь к тем р аботам Фарадея , которые наиболее близки к проблеме поля , и прежде всег о к открытию электромагнитной индукции . Опыты Эрстеда и работы Ампера , доказ авшие связь электричества и магнетизма , вызва ли у молодого Фарадея глубокий интерес к электромагнетизму . И э то понятно – идея взаимосвязи явлений , единства сил пр ироды была ведущей и мировоззрении Фарадея : “Я давно придерживаюсь мнения , ставшего поч ти убеждением , что различные формы , в кото рых проявляются силы материи , имеют общее происхождение или ... так взаи м освязаны , что они могут превращаться друг в др уга” . Не удивительно поэтому , что уже в 1821 г . он записывает в своем дневнике в качестве задачи : “Превратить магнетизм в эл ектричество” . После этого он все время нос ит в кармане магнит и проволоку , может быть, для того , чтобы они были пос тоянным напоминанием о поставленной цели и всегда были под руками для проверки во зникающих мыслей. Соображения симметрии невольно наталкивают на мысль : если за счет электричества создается магнетизм , то должно быть справедли вы м и обратное суждение . Мысль Фарадея 11 лет занята этой проблемой , но способ ее решения долго не давался в руки. Почему идея тех опытов , которые може т выполнить ныне каждый старшеклассник , оказа лась столь трудной для Фарадея , человека н еобычайного ума ? Пр ичин тут много . И прежде всего трудности теоретического характер а . В науке того времени только зарождались понятия электрического тока , силы тока , н апряжения , была неизвестна природа магнетизма . К этому добавлялись трудности технического х арактера . Чтоб ы ныне обнаружить ЭДС индукции , используют многовитковую катушку . В то время только что узнали о том , что магнетизм тока усилится , если провод скрутить в спираль , но еще не имели способа изолировать провод . Индукционные токи на уроках физики регистрируютс я н ыне гальванометром с чувствительностью 10 -5 А /дел , а тогд а ток измерялся по отклонению магнитной с трелки . Чтобы стрелка заметно отклонилась , над о было пропускать по проводнику большой т ок , а индукционные токи слабые . К тому же стрелка– индикатор не должн а испытыват ь влияния магнита , которым возбуждается ток . Для этого катушку удаляли от индикатора подчас в другое помещение . Вдвинув магнит в катушку , надо было идти смотреть на стрелку– индикатор , которая , естественно к этом у времени уже приходила в состоян и е покоя . Отсутствие эффекта связывали со слабостью магнита . Так что 11 лет поисков для того времени – срок вполне объя снимый. Строго говоря , явление электромагнитной индукции обнаружил раньше Фарадея Джозеф Генр и , американский физик , который одним из пе рв ых начал изолировать не магнит от голого провода , а сам провод , обматывая его полосками шелка . Но Генри не сообщил о своем открытии , увлекшись опытами по созданию электромагнитов , и к тому же у него была и другая причина – его высокая требовательность : “ х отелось свести полученные результаты в какую-то сис тему”. Фарадей же идет не на ощупь , он сознательно ищет эффект , подсказанный ему его общими взглядами на мир . Он варьиру ет ЭДС батареи , магниты , габариты и формы проводников , число витков в катушке . Очен ь общая первоначально идея постепенно к онкретизируется . Уже в 1825 г . он высказывает мысль : если ток действует на магнит , то и сам ток должен испытывать противодействи е со стороны магнита , но изменения тока в катушке при введении в нее магнита не обнаружил о сь (слабой была , ко нечно , возникшая в этом опыте ЭДС индукции ), Тогда Фарадей выдвигает другую мысль . Ток есть движение электрической жидкости , к оторая , перемещаясь по виткам соленоида , вызыв ает , по гипотезе Ампера , круговые токи в железном сердечнике , об условливая его н амагничивание . Тогда движущаяся жидкость в од ном проводнике должна заставить двигаться эле ктрическую жидкость в расположенном рядом про воднике , т.е . вызвать индукционный ток . Опыт с прямыми проводниками неудачен. Фарадей узнает об открытом Генри усилении магнетизма при использовании многосло йной обмотки и берет уже не прямые пр оводники , а катушки. 29 августа 1831 г . при замыкании цепи то ка в одной из катушек стрелка гальваномет ра , включенного в цепь другой катушки , отк лонилась , а затем вн овь вернулась в исходное положение , хотя по первой катушке ток продолжал идти . Фарадей размыкает цеп ь первой катушки и опять наблюдает отклон ение стрелки . Долгожданный эффект получился , н о он кратковременный и связан не с пр охождением тока , а с его измене н ием . Опыты продолжаются и в следующие дни . А может быть , чтобы возбудить дли тельный ток в катушке за счет тока в другой , рядом расположенной катушке , надо сблизить эти катушки ? Фарадей перемещает их относительно друг друга и обнаруживает , что ток возника е т , если катушки д вижутся . Около месяца идут дальнейшие поиски условий возникновения тока . А 24 сентября Ф арадей возбуждает ток в катушке , манипулируя постоянным магнитом . 17 октября подобные опыты приводят к выводу : “Электрическая волна ( ток ) возникает то л ько при движении магнита , а не в силу свойств , присущих ему в покое” . 28 октября Фарадей получает индукционный ток , снимаемый с оси и обо да медного диска , вращаемого между полюсами подковообразного магнита . Эта установка предста вляет собой первый генерато р электр ического тока. Такова очень приблизительная и упрощенн ая реставрация процесса установления Фарадеем явления электромагнитной индукции. Объяснение явления электромагнитной индукци и , а также рассмотрение электрических и ма гнитных процессов , которые происходят в веществе под влиянием заряженных тел и м агнитов , привели Фарадея к выдвижению идеи близкодействия , реализовавшейся в конце концов в идее существования поля. Проследить ход мыслей Фарадея , а тем более просто и доступно изложить его нелегко , поэтому ограничусь лишь упрощенн ым изложением его окончательных идей. Почему Фарадей в отличие от всех своих предшественников встает на позиции б лизкодействия ? До него все внимание исследова телей было обращено на силы , с которыми взаимодействуют заряды и токи , а не на процессы , происходящие в разделяющей сре де . Фарадей же первым тщательно изучил про цессы , происходящие в веществе под влиянием зарядов , магнитов и токов . Он рассматривал электрическую индукцию в проводниках и п оляризацию диэлектриков . До него диэле ктрик считался пассивным агентом , удерживающим электричество в проводниках . Фарадей же обр атил внимание на роль среды (он , например , обнаружил зависимость емкости конденсатора от рода диэлектрика ). Почему на поверхностях проводника и диэлектрика под в лия нием заряженного тела возникают заряды против оположного знака ? Ученый объяснил это тем , что под влиянием заряженного тела в веще стве происходит поляризация , своеобразное разделе ние зарядов в частицах , ближайших к наэлек тризованному телу (как это действ и тельно происходит в диэлектриках с неполярным и молекулами ). Поляризованные частицы подобным же образом поляризуют смежные с ними , т ак что в среде происходит процесс передач и электрического действия , распространяющийся пос тепенно от точки к точке . Подобным же образом происходит по Фарадею и процесс намагничивания . До Фарадея магнитными материалами считали лишь небольшое число веществ . Фарадей обнаружил , что все вещества могут намагничиваться и магнитное действие , подобно поляризации , постепенно передается о т одной частицы среды к другой. Итак , передача электрического и магнитно го действия в веществе есть процесс не мгновенный , а длящийся некоторое время. Вот она первоначальная концепция близко действия ! Фарадей вводит понятие о силовых лин иях . Пока речь ид ет об электродинамиче ских процессах в веществе , Фарадей рассматрив ает силовые линии как формальные линии де йствия силы , а не реальные образования . Ка к же передается действие силы в вакууме ? “Может быть , позволительно предполагать здесь , как и в других обл а стях , гипотетический эфир ?” И считая пространство заполненным особой средой – эфиром , Фара дей рассматривает силовые линии как материаль ные образования , подобные резиновым жгутам , на ходящимся в натянутом состоянии . Понятие сило вых линий позволяет ему более опре деленно сформулировать закон электромагнитной ин дукции : “Количество электричества , вовлеченное в движение , прямо пропорционально количеству пере сеченных линий” , т.е . ЭДС индукции возникает лишь тогда , когда проводник пересекает сило вые линии. Создаетс я впечатление , что Фарадей представлял себе вовлечение в движение эле ктрической жидкости в проводнике как процесс , вызванный действием реальных образований (ли ний ) на электрическую жидкость в проводнике . Взаимодействие зарядов он рассматривал как процесс, обусловленный взаимодействием находящихся в состоянии натяжения линий , кото рые в случае разноименных зарядов , стремясь выпрямиться , стягивают заряды , в случае одно именных зарядов отталкиваются друг от друга как упругие жгуты , обеспечивая отталкивание сами х зарядов (вспомним спектры соответствующих полей ). Представление о силовых линиях как р еальных образованиях имеющихся и в вакууме , и в веществе , позволяло просто и нагляд но объяснить многие явления . В частности , известный опыт Араго (вращение металлическо го диска за счет вращения рядом р асположенного магнита ) получил простое объяснение : силовые линии вращающегося магнита воздейст вуют на электрическую жидкость в диске и как упругие образования вызывают его вра щение. Впрочем , не следует переоценивать роль этих наглядных моделей-образов . Фарадей пр екрасно понимал условность этих моделей и не считал эти представления законченными и единственно возможными . В ходе последующего развития науки Фарадеевское представление о силовых линиях как реальных образованиях в эфире было отброшено , но сущ ество его идей получило полное признание . По Фарадею , электромагнитное взаимодействие заряд ов и токов обусловлено процессами , происходящ ими в окружающей их среде вне зависимости от того , вакуум это или вещество . В обоих случа я х есть некий посре дник , окружающий заряды и токи и обеспечив ающий их взаимодействие . Является ли им эф ир , в котором имеются силовые линии как реальные объекты , или это какое-то другое образование , Фарадей не предрешает и не высказывает окончательных сужде н ий , предоставляя потомкам решить этот сложный вопрос. Реальность силовых линий у Фарадея в о многом связана с тем , что эти линии (во всяком случае для магнитного поля ) не есть прямые . Ведь в концепции ньютон овского дальнодействия силы носят центральный хар актер , т.е . действуют по прямым , с оединяющим взаимодействующие тела . Обнаружение то го , что линии действия электродинамических те л есть кривые , и наводит Фарадея на мы сль , что это не просто формальные изображе ния линий действия сил , а реальные образов ания. Итак , распространение электрических и ма гнитных действий происходит как процесс , осущ ествляющийся в среде и требующий времени ; электрические и магнитные возбуждения могут с уществовать независимо от источника и приемни ка . Более того , Фарадей высказывает д о гадку , что это распространение действия осуще ствляется волнообразно . В 1832 г . в разгар исс ледований по электромагнитной индукции Фарадей подготовил письмо о своих взглядах на проблему электромагнитного взаимодействия , закрепляющ ее его приоритет . В этом п исьме , которое обнаружили через 100 лет , Фарадей п ишет : ”На распространение магнитного воздействия требуется время ... Я полагаю , что и эле ктрическая индукция распространяется таким же образом ..., что распространение магнитных сил от магнитного полюса похо ж е на колебание взволнованной водной поверхности и ли же на звуковые колебания частиц воздух а , т.е . я намерен приложить теорию колебани й к магнитным явлениям ... и к электрической индукции”. Итак , пусть Фарадей не сформулировал четко понятие поля , но суть вс ех е го воззрений сводится к тому , что все взаимодействия осуществляются посредством особой материальной среды , передающей за конечное вр емя процесс взаимодействия зарядов и токов . А это и значит , что Фарадей , по сути дела , ввел в физику идею поля , преврат и в заряды и токи из главных действующих лиц на арене электромагнитного взаимодействия во вспомогательные и передав главные роли среде , считая , что “материя присутствует везде , и нет промежуточного пр остранства , не занятого ею” . Но лучше всег о об этом сказ а л Максвелл : “Фа радей своим мысленным взором видел линии сил , проходящие через все пространство , там , где математики видели центры сил , притягива ющихся на расстоянии . Фарадей видел среду там , где они не видели ничего , кроме ра сстояния . Фарадей видел источн и к я влений в реальных процессах , происходящих в среде . Они же были удовлетворены тем , чт о нашли его в действующей на расстоянии силе , приложенной к электрическим флюидам”. А теперь несколько слов о том , как Фарадей жил и каким он был человеком. Фарадей ро дился в семье лондонск ого кузнеца и , как пишет его биограф , “ вырос среди людей , принадлежащих к обширному классу , живущему тяжелейшим физическим трудо м , в условиях , в которых он мог получит ь лишь немного духовной пищи“ . К 13 годам он закончил свое официал ь ное о бразование в школе , так как надо было работать . Трудовой путь он начинает учеником в книжной лавке , при которой была и переплетная мастерская . Будучи выходцем из среды простых рабочих людей , он до конца жизни сохранил глубокое уважение к людям труда. Работая в книжной лавке , он много читает. Об этих годах он пишет : “Не думай те , что я был глубоким мыслителем или отличался ранним развитием . Верил столько же в “Тысячу и одну ночь” , сколько в “Энциклопедию” . Но факты были важнее всего для меня , и это меня спасло . Фак ту я мог довериться ; но каждому утверждени ю я мог всегда противопоставить возражение” . Прочитав книгу “Беседы по химии” , он проверил опытами изложенное в ней , чтобы “ убедиться , что книга соответствует фактам , нас колько я их понимал” . Уже в эти годы у него развивается критическое м ышление и глубочайшее уважение к фактам. Интерес к знаниям побуждает его посе щать публичные лекции выдающегося физика и химика Хемфри Дэви . Естественнонаучные проблемы увлекают Фарадея , и он решает связать свою судьбу с изучением природы . Он пишет Дэви письмо с просьбой предоставить ему любую работу в лаборатории и при лагает к письму отлично переплетенные собстве нные конспекты прослушанных лекций Дэви . “Я желаю совершенно оставить ремесло и поступ ить на службу науке , к о торая д елает своих поборников столь же добрыми , н асколько ремесло – злыми и себялюбивыми”. Дэви вначале отказывает Фарадею ввиду отсутствия вакансии и предупреждает его , чт о “наука – ос оба черствая , и она в денежном отношении лишь скупо вознаграждает тех, кто п освящает себя служению ей” . А администратор института , с которым советуется Дэви на счет просьбы Фарадея , отвечает : “Пусть моет посуду . Если что-нибудь стоит , то начнет работать . Ежели откажется , то значит никуда не годится” . Помог Фарадею несчастны й случай . Взрывом колбы в лаборатории были повреждены глаза Дэви , и он не мог ни читать , ни писать , а потому реш ает взять Фарадея секретарем . Через некоторое время Фарадей становится лаборантом Дэви . В будущем , когда Дэви спросят о самом главном его научно м достижении , о н ответит : “Самым важным моим открытием бы ло открытие Фарадея”. Поездка с Дэви в Европу , встречи с такими учеными , как Ампер , Гей - Люссак , Вольта , во многом способствовали научному с тановлению Фарадея , который помогал Дэви в его опытах во вр емя лекций , участво вал в беседах с учеными . Из Европы он писал : “Я научился понимать свое невежест во , стыжусь своих разнообразных недостатков и желаю воспользоваться теперь случаем исправи ть их” . Но это лишь начало его научног о пути , и столь самокритичная оцен ка вполне естественна . Пройдут годы , а Фар адей , став признанным ученым с мировой изв естностью , останется столь же строгим к се бе и столь же скромным . В последние го ды жизни он дважды отклоняет почетнейшее предложение стать президентом Королевского общ е ства – высшего научного учрежде ния Англии . Столь же категорично он отказы вается от предложения о возведении его в рыцарское звание , дающее ему ряд прав и почестей , в числе которых и такое , как превращение в “сэра Майкла Фарадея” . Простота , благожелательно с ть , доброта , скромность – вот его характернейшие черты. Фарадей не был математиком . Его науч ная работа всегда связана с экспериментом . Все свои опыты (в том числе и неуда чные ) он со скрупулезной тщательностью записы вал в особом дневнике , который потом выш ел в виде обширного труда “Эксперимен тальные исследования по электричеству” . Последний параграф дневника помечен номером 16041. Всего с 1816 по 1862 г . он опубликовал 220 работ . В д невниках Фарадея не было ни одной формулы , и тем не менее это был один из г л убочайших теоретиков , ценящий не математический аппарат , а физическую суть , механизм явлений . В записках Фарадея обнару жена “школа научных заслуг” , содержащая четыр е ступени : открытие нового факта ; сведение его к известным принципам ; открытие факта , не св о димого к известным принцип ам ; сведение всех фактов к еще более в ысоким принципам . Открытия самого Фарадея – высшая ступень по его шкале. В своих экспериментальных исследованиях Фарадей не щадил себя . Он не обращал в нимание на проливающуюся ртуть , столь ши роко использующуюся в опытах того вре мени , и это укоротило его жизнь . Не обх одилось и без взрывов приборов при исслед овании сжижения газов . В одном письме он пишет : “В прошлую субботу у меня случ ился один взрыв , который опять поранил мне глаза ... Первое в ремя глаза мои были прямо-таки набиты кусочками стекла . Из них вынули тринадцать осколков”. Его научное кредо , которым он руково дствовался всю жизнь , выражено в следующих словах : “Ученый должен быть человеком , котор ый стремится выслушать любое предположен и е , но сам определяет , справедливо ли оно . Внешние признаки явлений не должны связыва ть суждений ученого , у него не должно быть излюбленной гипотезы , он обязан быть вне школ и не иметь авторитетов . Он до лжен относиться почтительно не к личностям , а к пред м етам . Истина должна быть главной целью его исследований . Если к этим качествам добавиться еще трудолюбие , то он может надеяться приподнять завесу в храме природы”. До последних дней Фарадей сохранил в ерность своим жизненным идеалам . Ослабевали в озможности к напряженной умственной работе , но оставались высочайшая порядочность , добро та , честность . В 70 лет он , блестящий лектор , решает покинуть институт . “Здесь я прове л счастливые годы , но настало время уйти из-за потери памяти и усталости мозга” . В числе мо т ивов ухода : “тускнею т и забываются прежние представления о пр авах , чувстве собственного достоинства и само уважения . Сильная потребность поступать справедли во по отношению к другим и неспособность сделать это . Удалиться” . Последнюю лекцию он прервал , обрат и вшись к слушате лям со своими сомнениями – не слишком ли долго он находится с ними . Поднявшая ся в едином порыве аудитория овациями зас тавила его вернуться на кафедру. 25 августа 1867 г . в возрасте семидесяти пяти лет Фарадей умер. Дело Фарадея по обосно ванию поня тия поля продолжил другой величайший английск ий физик – Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879). 6. Создание теории электромагнитного поля Максвеллом. Прежде чем перейти к теории Максвелла , остановлюсь кратко на развитии электродинамики от Фарадея до Максвелла. Казалось бы , идеи Фарадея должны был и сразу дать мощный толчок развитию теоре тических исследований . Однако так не произошл о . Фарадея очень высоко ценили как экспери ментатора , но к его теоретическим идеям от носились с недоверием . По этому повод у Р.Милликен писал : “Формалисты школы Ампера – Вебера ... с тайным , а иногда и явны м презрением смотрели на “грубые материальные ” силовые линии и трубки , порожденные фант азией переплетчика и лабораторного сторожа Фа радея” . Теория поля Фарадея не удовлетво р яла идеалу физической теории , сло жившемуся к этому времени , – она не б ыла выражена на языке математики . И идея близкодействия физикам по-прежнему не импони ровала . Теории электрических и магнитных явле ний продолжали строиться на основе принципа дальнодейст в ия . Французский ученый С . Пуассон и неме цкий математик Карл Фридрих Гаусс математичес ки оформляют учение об электричестве и ма гнетизме . Вебер , исходя из теории дальнодейств ия , устанавливает обобщенный закон для силы взаимодействия электрических зарядов к ак покоящихся , так и движущихся (токов ), из которого законы Кулона и Ампера выводятся как следствия . Ему , а также немецкому уч еному Ф . Нейману удается получить и матема тическое выражение закона электромагнитной индук ции Фарадея . Четко формулируются основн ы е понятия электродинамики : “сила тока” , “потенциал” , “емкость” , “индуктивность” и т.д . И тем не менее учение об электромагнет изме не представляет собой стройной теории , основанной на единых общих принципах , из которых как следствия выводились бы уравне ния электростатики , электродинамики , закон электромагнитной индукции , законы постоянного тока . Все эти разделы продолжали оставаться в известной мере обособленными . К тому же из теории Вебера не вытекало никаки х принципиально новых следствий , а задача всякой н овой теории – не столь ко систематизация и обобщение известного , ско лько предсказание новых результатов. Теоретические представления Фарадея в д ухе близкодействия по-прежнему не исследовались. Столь отнюдь не радужное положение д ел в учении об электромагн етизме лучш е всех понимал Максвелл , который познакомился с работами Фарадея и стал убежденным сторонником выдвинутой им идеи близкодействия . Максвелл поставил перед собой задачу выр азить идеи Фарадея языком математики и в конце концов блестяще решил ее . П о выражению Р . Милликена , он “облек п лебейски обнаженные представления Фарадея в а ристократические одежды математики”. Максвелл получил урав нения электромагнитного поля , которые описывали его свойства и структуру и являлись не простым математическим выра жением идей Фарадея , а содержали нечто неизмеримо бол ьшее . B D rot E = - , rot H = 4 j + , t t div D = , div B = 0 В этих ура внениях заключено все учение об электричестве и магнетизме ! Глядя на лаконичную форму этих уравнений , как не вспомнить Ньютона : “Природа проста и не роскошествует излишними причинами” . Не случайно Герц , прид авший уравнениям Максвелла тот вид , в кото ром они ныне пишутся (это же было сдел ано и Хевисайдом ), говорил : “Нельзя изучать эту удивительную теорию , не испытывая по временам т акого чувства , будто ма тематические формулы живут собственной жизнью , обладают собственным умом – кажется , что эти формулы умнее нас , умнее даже сам ого автора , как будто они дают нам бол ьше , чем в свое время в них было з аложено”. Что же нового дала физике теор ия электромагнитного поля , которую Максвелл н ачал разрабатывать с 1855 г . и в окончательно м виде оформил в работе “Трактат по э лектричеству и магнетизму” , вышедшей в 1873 г .? Вклад Максвелла сводится в общих чер тах к следующему. 1. Теория Максвелла в водит в физику фундаментальнейшее понятие еди ного электромагнитного поля . “Теория , которую я предлагаю,– пишет Максвелл,– может быть названа теорией электромагнитного поля , потому что она имеет дело с пространством , о кружающим электрические и магнитные т ела ; она может быть также названа динамиче ской теорией , поскольку она допускает , что в этом пространстве имеется материя , находяща яся в движении , посредством которой и прои зводятся наблюдаемые электромагнитные явления” . И далее : “Электромагнитное поле – э то та часть пространства , которая соде ржит и окружает тела , находящиеся в наэлек тризованном или намагниченном состоянии” . Правда , здесь с современной точки зрения есть неточность : поле – это не часть простр анства , а материальный объект , существующий в про с транстве и времени . Есть и еще одно несоответствие идей Максвелла современным взглядам : поле у Максвелла – не самостоятельный объект , а процесс , происход ящий в эфире , проявление эфира. Ли шь в дальнейшем в связи с созданием т еории относительности , когда ст ало возмож ным устранение гипотезы эфира , поле было п ризнано самостоятельно существующим видом матери и , не нуждающимся в особом материальном но сителе . Введение понятия поля как основного объекта , обеспечивающего все электромагнитные в заимодействия , акцент н е на заряды и токи , а на “порожденное” ими поле означают окончательное утверждение в физике идеи близкодействия. 2. Принципиально новой черт ой теории Максвелла , выражающей последовательное проведение идеи близкодействия , является то , что теория Максвелла исходит из пр изнания конечности скорости распространения элек тромагнитных взаимодействий . Из этого вытекает то , что сигнал , испущенный источником , но не принятый еще приемником , живет самостоят ельной жизнью как реальное образование , облад ающее энергией , к оторая по Максвеллу , сосредоточена в поле . Энергия электромагнитн ого взаимодействия у Максвелла зависит от параметров поля ( E и B ). Это есть энергия поля , а не энергия за рядов и токов . Но энергия не может быт ь без материального носителя . Следовательно , п о ле является объективной реальностью. 3. Теория Максвелла по-новом у поставила вопрос о взаимосвязи электричеств а и магнетизма . Их единство проявляется в том , что изменяющееся электрическое поле порождает магнитное , а изменяющееся магнитное порождает электр ическое , т.е . электрическое и магнитное поля не есть некие самосто ятельные сущности , а есть частные проявления единого электромагнитного поля , определяемые выбранной системой отсчета. 4. Теория Максвелла на основе понятия поля свела в единую систем у все з нания по электричеству и м агнетизму . Она дала возможность , зная компонен ты поля ( E и B ) в данной точке в данный момент времени , найти их значения в любой другой точке в лю бой другой момент времени , а зная характер истики поля , найти и силы , действующие на заряды и токи . Все законы электриче ских и магнитных взаимодействий , все законы тока , выведенные раньше , получаются из уравн ений Максвелла как следствия. Но значение теории не только в обобщении уже известного , из нее вытекает чрезвычайно много нового (кром е ранее сказанного ). 5. Из решения уравнений вытекает , что электромагнитное поле распростран яется в пространстве в виде волн и ск орость электромагнитных волн равна скорости с вета . Тем самым устанавливается не только существование нового объекта , но и выдв игается идея об электромагнитной природе света , а значит , устанавливаются единство оптики и электромагнетизма. Таково знач ение теории Максвелла . Как сказал Г . Герц : “Теория Максвелла – это уравнения Максв елла” . Естествен вопрос : как сумел он сдел ать это ? Понять творческий процесс Максв елла куда труднее , чем понять суть его теории . Поэтому я ограничусь лишь некоторым и замечаниями о методе Максвелла. Максвелл ставит вначале задачу – найти математический аппарат , который бы мог описать физические представл ения Ф арадея о поле . И ему удается обнаружить , что нарисованная Фарадеем картина поля в виде силовых линий аналогична картине расп ределения линий тока и образуемых ими тру бок тока в движущейся жидкости . Движение ж идкостей уже получило к тому времени мате м а тическое описание , и Максвелл пе реносит это описание гидродинамических явлений на электродинамические процессы . Величинам , хар актеризующим движение жидкости , он сопоставляет электродинамические характеристики (так , например , перепаду давления на единицу д л ины dp dx он приводит в соответствие перепад потенциала d dx , обусловливающий движение электричества , подоб но тому как перепад давления вызывает дви жение жидкости ). Тем самым электромагнитное поле уподобляет движению жидкости , силовые ли нии поля аналогичны трубкам тока. Максвелл использует метод аналогий и моделей . “Под физической аналогией , – пишет он , – я разумею то частное сходство двух каких-либо областей , благодаря кото рому одна является иллюстрацией другой” . И поскольку различные классы физических явлений могут иметь одинаковую математическую форму законов , то по известным решениям задач в одной области можно получить решения задач в другой. Общность и взаимосвязь явлений при роды проявляется , в частности , в том , что разнородные по природе явления описываются аналогичными математическими уравнениями (вспомним дифференциальные уравнения , описывающие разные по природе колебательные процессы ). Но анало гичность математ и ческого описания не означает тождества природы явлений . И Мак свелл это хорошо понимает , указывая неоднокра тно , что жидкость , которой он уподобляет э лектромагнитное поле , не тождественна с тем , что собой в действительности представляет электромагнитное пол е . Аналогия с жи дкостью есть лишь эвристический иллюстративный прием , но не более. В дальнейшем Максвелл выдвигает различн ые механические модели электромагнитного поля , часто весьма причудливые и необычные (подча с даже представляя поле в виде системы , подо бной сцепленным зубчатым колесам ). Стремление Максвелла наглядно представить поле в виде механического образа вполне понятно . Это безусловная дань господствующему тогда механицизму , освященная традицией классической физики , для которой понять – значит на г л ядно представить . Кроме того , по пытки такого рода связаны также еще с одной важнейшей чертой стиля мышления Макс велла – постоянным стремлением за математиче ским описанием видеть природу , придавать физи ческий смысл любому уравнению физики . Максвел л говорил полушутя , что каждый физ ик хорошо сделает , если перед тем , как напишет слово “масса” или символ “ m” , собственноручно подвесит гирю на веревке и толкнет ее , дабы убедиться в ее инертно сти. Чрезвычайно характерно также и то , ч то Максвелл не придерживался к акой-либо единственной модели поля , а заменял по мере работы над теорией одну модель друго й . Модели ему помогали найти уравнения пол я ; он считал , что они помогут и тем , кто будет читать его работы . Это неодно значность моделей , отсутствие у Максвелла при ве р женности к одной модели свидет ельствуют о необычайной гибкости ума , чуждого консерватизма и догматизма , и объясняют т о удивительнейшее явление , что Максвелл писал уравнения применительно к той или иной модели , веря в существование эфира . Современ ная физик а отбросила все эти мо дели , отбросила гипотезу эфира , а уравнения сохранились нетленными и описывают электромагн итное поле в его современном понимании. И еще об одном методе , который ис пользовал Максвелл , – методе математической гипотезы . По Максвеллу , эле ктрический ток в проводнике создает магнитное поле , что Максвелл выражает в виде уравнений rot H=4 j , т.е . “источник” маг нитного поля – движущиеся в проводнике з аряды . А в диэлектрике нет движения зарядо в , но возможно суще ствование изменяющегос я электрического поля , связанного , как он считал , со смещением эфира в диэлектрике . Максвелл предполагает , что это изменение элек трического поля (“ток смещения” ) порождает тож е магнитное поле , как и ток проводимости (что такое ток , в то время не знали ). Эту гипотезу он выражает матема тически , добавляя в уравнение член , характериз ующий быстроту изменения электрического поля , которое , таким образом , как и движущиеся з аряды , становится “источником” магнитного поля . Если на мысль о возник н овении электрического поля за счет изменения ма гнитного поля наталкивало явление электромагнитн ой индукции , то гипотеза о токах смещения не подсказывалась никакими фактами и явл ялась , видимо , плодом интуиции Максвелла. И в з аключении несколько слов о личн ости М аксвелла . Максвелл – выходец из состоятельно й семьи , представитель знатного и старинного шотландского рода Клерков. В Эдинбурге Максвелл оканчивает школу и университет , а затем продолжает образован ие в Кембридже . После окончания обучения о н преподае т физику в шотландском унив ерситете в Абердине , а затем в Королевском колледже в Лондоне . Несколько плодотворных для работы лет он проводит в своем имении в Гленлере , после чего становится п ервым директором Кавендишской лаборатории в К ембридже , построенно й и оборудованной при его непосредственном участии . Эту лабор аторию возглавляли впоследствии Релей , Д . Томс он , Э . Резенфорд , У . Брегг. Область научных интересов Максвелла нео бычайно широка . Помимо работ по электромагнет изму , он выполняет фундаментальные ис след ования по теории цветов и цветовому зрени ю , устойчивости колец Сатурна и по кинетич еской теории газов . Максвелл отличался большой простотой , мягкостью , искренностью в общении с людьми , никогда не проявлял обидчивости и себялюбия , не стремился к с лаве , спокойно принимал критику в свой адрес , ценил и любил юмор . Самообладание и выд ержка были всегда его спутниками и не покинули его тогда , когда он тяжело заб олел и испытывал мучительные боли . Он муже ственно встретил слова врача о том , что ему осталос ь жить вряд ли бол ее месяца . Врач пишет : “Во время болезни , лицом к лицу со смертью он оставался таким же , как прежде . Спокойствие духа н икогда не покидало его . Через несколько дн ей после возвращения в Кембридж его страд ания приняли очень серьезный характе р . Но он никогда не жаловался . Даже близость смерти не лишила его самообладани я . Его ум оставался ясным до конца . Ник то из моих пациентов не сознавал так трезво свою обреченность и не встречал см ерти более спокойно” . 5 ноября 1879 г . в возраст е сорока вось м и лет он умер. Теории Максвелла еще предстояло утвердить себя . Поначалу ее мало кто по нимал . Даже Больцман считал ее “тайной за семью печатями” и в качестве эпиграфа к курсу лекций по теории Максвелла взя л фразу из “Фауста” : “Я должен пот тяж елый лить , ч тоб объяснить вам то , ч его я сам не понимаю” . Утверждение теории приходит тогда , когда ее выводы получают экспериментальное подтверждение , а его не было вплоть до 1887 г ., когда Герц экспериме нтально получил электромагнитные волны. 7. Утверждение теории Максвелла. Генрих Герц (1857 – 1894) уже в ранние годы проявил блестящие спо собности в самых разнообразных отраслях знани й . Он с одинаковым интересом и успехом изучал и физику , и арабский язык ; к тому же имел хорошие ремесленные навыки , т ак что , когда Герц стал знаменитым у ченым , мастер , учивший его токарному делу , с сожалением сказал , узнав о научной славе своего ученика : “Жаль , из него мог бы получиться отличный токарь !” Но он в течение всей своей жизни был чрезвычайно скромен в оценке своих способностей и достижений и поначалу даже сч итал , что занятия наукой – не его уде л и в лучшем случае он может стать инженером . Однако интерес к науке берет свое , и уже будучи студентом высшей тех нической школы , он меняет свое решение . Он поступает в Берлинский универси т ет , и с тех пор его научным руководите лем становится Г . Гельмгольц , один из самы х выдающихся физиков того времени . Окончив университет с отличием , Герц работает в разных учебных заведениях Германии. То были годы , когда теория М аксвелла еще не нашла безог оворочного признания среди физиков и многие отдавали предпочтение (в особенности в Германии ) т еориям , построенным в духе дальнодействия – теориям Вебера , Неймана и самого Гельмгол ьца , создавшего теорию , представляющую собой к омпромисс между близкодействие м Максвел ла и дальнодействия Вебера . В результате с уществования разнообразных теорий “область элект родинамики , – по словам Гельмгольца , – п ревратилась в то время в бездорожную пуст ыню” . Теории Максвелла явно не хватало экс периментального подтверждения . Лиш ь один ее вывод согласовывался с опытом . По Максвеллу , показатель преломления для диэлектрико в n = . Больцман подтвердил это . Но этого было , конечно , недостаточно , чтобы сделать уверенный выбор между теориями , тем б олее что для действия замкнутых токов обе теории приводили к одинаковым результатам и различные выводы получались лишь для действия на диэлектрик токов в незамкнутых цепях . В незамкнутых цепях , как уже было известно , можно возбудить э лектрома гнитные колебания , и Гельмгольц предложил Гер цу изучить действие этих колебаний на диэ лектрик . По Максвеллу , в нем должен возник нуть “ток смещения” , т.е . колебания электрическ ого поля , порождающие так же , как и в проводниках , магнитное поле. Ток смещения – это то принципиально новое , что прежде всего отлич ало теорию Максвелла от других теорий . Гер ц правильно заметил , что эффект магнитного действия тока смещения может быть существе нным лишь при высоких частотах колебаний в контуре , которые еще не у мели возбуждать в то время . Поэтому Герц о тказывается выполнить это исследование и лишь спустя несколько лет возвращается к зада че Гельмгольца . “Делом моего честолюбия , – писал Герц позднее , – оставалось все ж е найти решение заданной задачи каким-либо нов ы м путем” . И на протяжении ряда лет Герц упорно продолжал думать над путями ее решения , проявляя изобретательн ость в области конструирования экспериментальных установок. С 1887 г . Герц начинает ставить свои замечательные опыты . Прежде всего он находит спос об генерирования самых высокочастотн ых в то время колебаний , используя открыты й колебательный контур – вибратор Герца . Обладая малой емкостью и индуктивностью , вибр атор действительно позволял получать колебания высокой частоты , возникающие при проскакиван и и искр в разрядном промежутке диполя . Рядом с этим генератором находился незамкнутый виток . Герц обнаружил , что в момент разряда в генераторе происходит п роскакивание искры и между незамкнутыми конца ми витка , расположенного недалеко от генерато ра . Уже сам о по себе это был о необычайное явление – передача электродина мического действия на расстояние . Это были первые в мире передатчик и приемник. А с В d a b Схема о пыта Герца Продолжая о пыты , Герц обнаружил , что искра во втором контуре имеет максимальную интенсивность , ес ли контуры настроены в резонанс , т.е . имеют одинаковые собственные частоты колебаний . Та ков еще один важнейший шаг , сделанный Герц ем в исследовани и электромагнитных волн , или , как говорил сам Герц , “электрических лучей” (он не сразу понял , что получил предсказанные Максвеллом волны ). Герц видоизм енил приемный контур и в конце концов придал ему вид , который теперь называется диполем Герца , – это пря м ой провод с искровым промежутком посередине. Герц располо жил около вибратора сначала металлический лис т , а затем параллелепипед из диэлектрика и обнаружил , что искра в резонаторе теперь проскакивает при большем зазоре искрового промежутка . Это он объяснил тем , что в проводнике под действием колебаний вибра тора возникают токи проводимости , а в диэл ектрике – токи смещения , которые и показы вают электромагнитное воздействие на резонатор . Это подтверждение об эквивалентности токов смещения и проводимости. Герц у далял резонатор от вибратора – искровой разряд в резонаторе происходил и при расс тояниях порядка полутора метров , а затем о бнаруживался и на больших расстояниях . Особен но поразило Герца наличие заметного действия на больших расстояниях . До тех пор пр ивык л и считать , что электрические силы убывают по закону обратного квадрата и , следовательно , с увеличением расстояния б ыстро становятся незаметными . Герц же открыл поле , отпочковавшееся от источника , напряженн ость которого убывала вблизи излучающего исто чника пропорционально первой , а не второй степени расстояния. Продолжая исследования , Герц при удалени и резонатора от вибратора обнаружил , что в большом помещении с увеличением расстояния размер искр не убывает монотонно , а п ериодически меняется . Он справедливо объясни л это тем , что происходит интерференция пр ямой волны и отраженной от стены , в ре зультате чего образуется стоячая волна , в пучностях которой искра максимальна . Этот опы т наиболее убедительно доказывал , что электро магнитные волны , предсказанные Макс в е ллом , действительно существуют. По Максвеллу , свет – это электромаг нитные волны , следовательно , им должны быть присущи те же явления , что и свету . И Герц ставит опыты с целью проверки тождества световых и электромагнитных волн . П очти сразу он обнаруживае т “тень” – непрозрачность металлических листов для “эле ктрических лучей” , но не наблюдает огибания . “Не без удивления наблюдал я искры в закрытой комнате” , – пишет Герц об опы тах , в которых генератор и приемник находи лись в соседних помещениях . Значит , ди э лектрики “прозрачны” для волн . Но они должны вызывать преломление . И Герц обнар уживает явление преломления волн в асфальтово й призме весом более чем в тонну , прич ем отклонение соответствует тому , которое дол жно быть по Максвеллу . Последующие опыты п оказыв а ют существование отражения вол н , а затем и их поляризацию. Герц ставит опыты между генератором и приемником решетку из параллельных проволок , от ориентации которой меняется интенсивност ь искры в приемнике (подобно тому , как аналогичный эффект обнаруживает ся в демон страционных опытах с генератором сантиметровых волн ). Зная период колебаний вибратора и измеряя длину волны , Герц вычисляет скорост ь распространения электромагнитных волн ; она оказывается равной скорости света . “Мне предс тавляется вполне вероятн ы м , что оп исанные опыты доказывают идентичность света , тепловых лучей и электродинамического волнового движения” , – писал Герц . И в конце концов он утверждает : “Целью этих опытов была проверка основных гипотез теории Фара дея– Максвелла , а результат опытов е с ть подтверждение основных гипотез этой теории” . И в другом месте : “Все эти опыты очень просты в принципе , но тем не менее они влекут за собой важнейшие следствия . Они рушат всякую теорию , которая считает , что электрические силы перепрыгиваю т пространство м гновенно . Они означа ют блестящую победу теории Максвелла” . Так поле , этот гипотетический объект теории Мак свелла , превратилось в физическую реальность . В реальности поля после опытов Герца 1887 – 1888 гг . больше сомневаться не приходилось. Герц придал уравн ениям Максвелла современный вид , убедительно доказав своим творчеством справедливость его оценки Гельмгольц ем : “Он одинаково способен как к овладению абстрактными математическими теориями , так и к решению вытекающих вопросов эксперименталь ного порядка с б о льшой ловкостью и большой изобретательностью в том , что касается методов”. “Генрих Герц обеспечил себе своими о ткрытиями долгую славу в науке . Но память о нем будет жить не только благодаря его работам , но и благодаря его личны м достоинствам : его постоянн ой скромности , радостной готовности признать чужие заслуги , неизмеримой благодарности , которую он сохран ил по отношению к учителям ... Он сам жа ждал только истины , которой он следовал с величайшей серьезностью и с полной отдач ей сил . Никогда не было в его д уше и тени тщеславия или личного интереса . Даже там , где он имел бесспорное право воспользоваться открытиями , он был склонен молча отойти в сторону”. Опыты Герца утвердили теорию Максвелла в среде ученых . Но лучшими доказательств ами истинности теории явл ялись не тол ько опытные факты , но и практическое вопло щение научных идей. Не прошло и десятка лет со дня опытов Герца , как открытые им экспериментал ьно электромагнитные волны начали применяться на практике . Любопытно , что сам Герц не мог себе представить практическую знач имость открытых им радиоволн и даже напис ал в дрезденскую палату коммерции письмо о том , что исследование радиоволн надо зап ретить как бесполезное . То , что не удалось понять Герцу , со всей полнотой оценил А.С . Попов , впервые в мире примен и вший электромагнитные волны для радиосвяз и и тем самым основавший современную ради офизику. А.С . Попов (1859 – 1906), сын священника , не удовлетворившись образованием , полученным в духов ном училище , поступает учиться на физико-матем атический факультет Петерб ургского университ ета . По окончании университета А.С . Попов р аботает преподавателем электротехники минного оф ицерского класса в Кронштадте , затем преподае т физику , а в конце жизни становится д иректором Петербургского электротехнического институ та. Получив сообщение об опытах Герца , А.С . Попов сразу же воспроизводит их и догадывается о возможности практического ис пользования электромагнитных волн . Узнав об о ткрытии Лоджем изменения сопротивления металличе ских опилок под действием электромагнитных во лн (ког е рера ), А.С . Попов создает свой знаменитый “грозоотметчик” – приемник радиосигналов , впервые используя для увеличения чувствительности приемника антенну. 7 мая 1895 г . А.С . Попов делает доклад на заседании Русского физико-химического общества о своем изобр етении , чуть позже выходит его пу бликация в журнале . В конце своей статьи А.С . Попов пишет : “Мой прибор при даль нейшем усовершенствовании его может быть прим енен к передаче сигналов на расстоянии пр и помощи быстрых электрических колебаний , как только буде т найден источник т аких колебаний , обладающих достаточной энергией” . Приемник первой конструкции , продемонстрированны й 7 мая , принимал излучаемые вибратором Герца радиоволны на расстоянии 60 м . 24 марта 1896 г . на заседании физико-химического общества А.С. Попов осуществляет первую в мире радиопередачу и прием осмысленного текста на расстоянии 250 м . В 1897 г . аппаратура Попов а уже использовалась в спасательных работах по снятию севшего на камни корабля и при спасении рыбаков , оказавшихся в Финск ом заливе н а льдине , оторвавшейся от берега. Таким образом , есть полное основание утверждать , что радио – это детище гения русского человека. 1905 год – последний год в жизни А.С . Попова . Это было трудное для него время , когда студенты вверенного ему электрот ехничес кого института в ответ на расс трел рабочих на баррикадах Красной Пресни и другие репрессии царского правительства открыто выступили на стороне прогрессивных си л . Его неоднократно приглашают к градоначальн ику Петербурга и к царскому министру Дурн ово , требу я навести порядок в ин ституте . Он отказывается выполнить требование ввести в институт полицию и внедрить тайн ых агентов . Министр в ярости , но А.С . По пов уходит из кабинета министра , не отступ ив от своих убеждений . Домой он вернулся в тяжелом состоянии . Доч ь Алекс андра Степановича вспоминает : “Даже мы , дети , заметили что-то неладное . Он был бледен , губы его дрожали” . Через день , когда Петер бург готовился встретить новый год , за несколько часов до 1906 г . А.С . Попов у мирает от кровоизлияния в мозг . Прогрес сивная общественность смерть А.С . Попова оценила как новую жертву “современных невы носимо тяжелых условий в России”. Отк рытие А.С . Попова вместе с опытами Герца явилось убедительнейшим доказательством того , ч то предсказанное в работах Фарадея и Макс велла электромагнитное поле есть субъективн ая реальность , а не гипотетический объект . Как же можно не верить в существование того , что человек не только воспроизвел в эксперименте , но и поставил себе на службу ! 8. Заключение Так после длительной борьбы т еория близкодействия одержала окончательную победу . Электромагнитное поле обнаруживает себя как нечто реально существующее , это особа я форма материи , осуществляющая взаимодействие между заряженными частицами , существующая незав исимо от наших представлений о нем. Доказательством его реальности является и кон ечная скорость распространения электромагнитных взаимодействий . Список используемой литературы : 1. Дягилев Ф.М . Из истории физики и жизни ее творцов : Кн . Для учащихся . – М .: Просвещение , 1986. – 255с ., ил. 2. Кабардин О.Ф . Физика : Справ . Материалы : Учеб . Пособие для учащихся . – 3-е изд . – М .: Просвещение , 1991. – 367с .: ил . 3. Милковская Л.Б . Повтори м физику . Издательство «Высшая школа» 4. Сборник задач по физике : Для 9 – 11 кл . общеобр азоват . учре ждений / Сост . Г.Н . Степанова . – 2-е изд . – М .: Просвещение , 1996ю – 256с . ил . 5. Физика : Учебное пособи е для поступающих в вузы / Овчинников В.А ., Валишев М.Г . Екатеринбург : Изд-во УМЦ УПИ , 1999. – 192 с.
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
Оперировать Кобзона в Италии будет специально приглашенный ведущий российский хирург Александр Сергеевич Залдостанов.
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Обратите внимание, реферат по физике "Возникновение и развитие идеи электромагнитного поля", также как и все другие рефераты, курсовые, дипломные и другие работы вы можете скачать бесплатно.

Смотрите также:


Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru