|
реферат
Тема: З історії розвитку теорії поля
Виконала: Єрьоміна Марія
учениця 11 "А" класу
Керівник: Високих
Ніна Іванівна
вчитель фізики
Новоуральськ
2002
План.
Введение ....................................................................................... ..3
Виникнення ідеї близкодействия у фізиці Декарта .............................. .3
Виникнення ідеї дальнодействия у фізиці Ньютона .............................. 4
Уявлення про природу електрики і магнетизму в "епоху невагомих"; період панування концепції дальнодействия ................................................... .5
Встановлення зв'язку електрики і магнетизму як найважливіший етап, який підготував висування ідеї поля ........................................................................ .8
Ідея близкодействия в роботах Фарадея ................................................ ..12
Створення теорії електромагнітного поля Максвеллом .............................. ..21
Затвердження теорії Максвелла ............................................................ .27
Висновок ....................................................................................... 33
Список використаної літератури ......................................................... ..34
Вступ.
Питання про те, як передається дія від одного тіла до іншого, набуло особливої гостроти в зв'язку з встановленням закону всесвітнього тяжіння. Вчення про електрику і магнетизм на рубежі XVI-XVII ст. тільки зароджувалося, а в області тяжіння в результаті робіт Ньютона був вже сформульований в математичній формі закон тяжіння. Але цей закон не давав відповіді на інше питання, яким чином віддалені один від одного тіла діють один на одного. У цей період і виникають дві точки зору на проблему передачі дії на відстань.
1. Виникнення ідеї близкодействия у фізиці Декарта.
Родоначальником однієї з них є французький мислитель Рене Декарт. Декарт і його послідовники (картезіанці) намагалися пояснити тяжіння, не вдаючись до поняття сили, і представити його як чисто кінематичний ефект, обумовлений рухом будь-якої речовини, що заповнює весь простір, невагомого флюїду - ефіру. Певне уявлення про такому поясненні може дати хоча б така думка в дусі Декарта. У рідини, яка обертається в посудині, легкі тіла спрямовуються (як би тяжіють) до осі обертання і подібно до цього в вихорі середовища, що заповнює світовий простір, викликаному обертанням Сонця, планети відчувають тяжіння до Сонця. І світло, по Декарту, розглядався як тиск, що передається частками Середовища від джерела до ока. Електричні і магнітні явища пояснювалися вихорами тонкої матерії, яка виходить, наприклад, з одного полюса магніту і входить в інший, діючи при цьому на залізні тіла, що знаходяться поблизу магніту.
Всі пояснення такого роду абсолютно штучні і не випливають з досвідчених фактів. Але пояснення Декарта набули широкого поширення, тому що були прості і наочні. Для нас важливі не самі ці пояснення, а лежить в їх основі ідея: тяжіння, електричне і магнітне дії передаються від тіла до тіла через середу.
Принцип, згідно з яким дія передається через середу протягом деякого часу, отримав назву принципу близкодействия. Цей принцип бере свій початок від Декарта, хоча спроби пояснити передачу дії за рахунок існування особливої середовища - ефіру можна знайти і у стародавніх мислителів, справедливо вважають, що "тіло не може діяти там, де його немає". У тому ж дусі пояснював електричні явища і англійський учений Вільям Гільберт.
Однак при всій зовнішній простоті кінематичні уявлення про тяжіння були абсолютно марні - з них не витікала нічого нового. Тому картезіанські ідеї не змогли довгий час витримувати конкуренцію з теорією тяжіння, висунутої Ньютоном.
2. Виникнення ідеї дальнодействия у фізиці Ньютона.
Із закону тяжіння Ньютона випливало безліч наслідків і пояснень різних земних і небесних явищ. Так, наприклад, закон пояснював, чому рух планет підкоряється законам Кеплера. Ньютонівської пояснення тяжіння зводилося до твердження про те, що на кожне тіло з боку інших діє сила, яка обчислюється за встановленим їм законом. Чому ця сила діє, як передається тяжіння на величезні відстані, тобто який механізм тяжіння, Ньютон пояснити не зміг, так як не було необхідних фактів, на базі яких можна було б побудувати обгрунтовану гіпотезу, а надуманих гіпотез він не визнавав. Послідовники Ньютона (ньютоніанци), захоплені успіхами побудованої ним теорії, довели до абсурду його тезу "гіпотез я не вигадую" - стали взагалі заперечувати необхідність відшукання причин явищ, вважаючи, що для пояснення всіх явищ треба просто вводити відповідні сили, не замислюючись про їх походження .
Ця тенденція утвердилася у фізиці на довгі роки. Ньютон був безперечно прав, заперечуючи умоглядні і надумані гіпотези картезіанства і не ставлячи передчасного в ту епоху питання "чому?".
Таким чином, від робіт Ньютона бере початок другий принцип, пов'язаний з проблемою взаємодії, - принцип дальнодействия, згідно з яким дія передається від тіла до тіла без участі будь-якої проміжної середовища, і до того ж миттєво.
Таким чином, до XVIII ст. оформляються дві точки зору на проблему взаємодії. Одна заснована на принципі дальнодействия, інша - на принципі близкодействия. Вплив поглядів Ньютона на подальший розвиток фізики було настільки велике, що і вчення про електрику і магнетизм будувалося в дусі ньютонівської концепції дальнодействия, що вимагає встановлення математичних законів взаємодії електричних і магнітних сил без з'ясування їх природи. Так було аж до епохи Фарадея - Максвелла.
Але крім питання про те, як взаємодіють магнітні і наелектризовані тіла, вимагали вирішення інших питань: що таке електрика і магнетизм? Чим магнітні і наелектризовані тіла відрізняються від "звичайних" тел і один від одного? І теорія електромагнітного поля не могла бути створена до встановлення взаємозв'язку електрики і магнетизму. Звернуся тепер до розгляду розвитку поглядів на природу електрики і магнетизму.
3. Уявлення про природу електрики і магнетизму в "епоху невагомих"; період панування концепції дальнодействия.
Спочатку електричні і магнітні явища ототожнювалися, так як було відомо, що наелектризовані тіла, як і магнітні, лише притягують інші тіла. Перша серйозна робота в області електрики і магнетизму належить В. Гільберт (1600 г.), який, вивчаючи магнітні явища, різко відмежовує їх від електричних (магнітні властивості "вічні", електричні же можна порушити і знищити, на відміну від електричних взаємодій магнітні проявляються і як тяжіння і як відштовхування; електричні слабкіше магнітних). Дослідження електричних явищ пішло значно швидше після створення першого генератора електрики - електричної машини Отто фон Геріке, бургомістра німецького міста Магдебурга, людини винахідливого розуму, дипломата, громадського діяча, інженера і тонкого експериментатора, який на шостому десятку років після своїх знаменитих дослідів з "магдебурзькими півкулями "зайнявся електрикою. Обертається куля з сірки при терті об долоню руки дозволив Геріке отримувати великі електричні заряди. Він виявив тяжіння і відштовхування зарядів, електричну іскру, а також провідність лляних ниток.
Через сім десятків років голландським вченим Мушенбрук був отриманий новий джерело великих електричних зарядів - перший конденсатор - лейденська банку. Бажаючи зарядити воду в скляній банці, Мушенбрук опустив ланцюжок від генератора в посудину з водою, а потім вийняв її. Про те, що він при цьому випробував, кажуть слова з його повідомлення: "Я думав, що прийшов кінець" і "не погодився б піддатися ще раз такого випробування навіть за королівський трон Франції". Досліди з лейденської банкою,
викликають фізіологічну дію електрики і супроводжується іскровим розрядом, стали повторювати дуже багато і не тільки в лабораторіях, але і при дворі, в аристократичних вітальнях. 700 взялися за руки паризьких ченців, а іншим разом 180 солдат при дворі Людовика XV, здригається від електричного розряду конденсатора, - такими були перші ланцюга електричного струму, перші коливальні (в прямому сенсі!) Контури.
Електрика стало модним, що сприяло порушенню інтересу до цієї області явищ. Розвитку досліджень сприяла надія на практичне використання електрики для лікувальних цілей, а також прагнення на основі вивчення електрики вирішувати проблему грозозахисту, оскільки утвердилася думка про електричний характер блискавки.
Бенджамін Франклін (1706-1790), син ремісника, видатний американський дипломат, борець за незалежність Америки і рівноправність негрів, популярний письменник, чарівна людина, займався фізикою всього сім років, але зробив дуже багато - з нього починається теоретичне осмислення електрики. Вперше в його роботах з'являються сучасні терміни: "позитивний" і "негативний" заряд, "розряд", "конденсатор" і т.д. За Франкліну, електрику - це особлива невагома субстанція (флюїд), що складається з найдрібніших отталкивающихся частинок і міститься у всіх тілах. Надлишок її означає позитивну електризацію, недолік - негативну. Це уявлення виявилося дуже плідним, тому що багато чого пояснювало: одночасну електризацію тіл, що труться - переходом флюїду від одного тіла іншому; провідність - рухом субстанції в провідниках; конденсацію в лейденської банку - накопиченням флюїду і т.д.
Разом з цим виникають теорії, в яких фігурують два роду флюїдів - позитивний і негативний. Франц Епінус, який тривалий час працював в Росії, вважав електрику і магнетизм різнорідними явищами (адже магніт не притягає електризуватися тіло) і ввів у фізику поняття про особливе магнітному флюїди. Що відповідають рівню науки того часу теорії, засновані на уявленнях про електрику і магнетизм як особливих рідинах, панували багато десятків років, і в рамках їх сформувалися багато сучасних поняття: "кількість електрики", "збереження заряду", "електроємність" і т.д.
Лише М.В. Ломоносов наполягав на єдності електрики, магнетизму і світла, вважаючи, що всі ці явища є процеси, що відбуваються в ефірі. Якщо Епінус розвивав ньютонівської уявлення про дальнодействії, то Ломоносов стояв на принципах, що примикають до близкодействии, передбачаючи в своїх здогадках на 100 років ідеї Максвелла. Висловлювання Ломоносова не отримали широкої популярності, і навіть на батьківщині вони не були зрозумілі і оцінені.
Отже, в XVIII в. панувало переконання, що електрику і магнетизм - це особливі матеріальні субстанції; взаємозв'язок електрики і магнетизму заперечувалася; проблема передачі дії вирішувалася в дусі дальнодействия.
Позиції дальнодействия зміцнюються ще більше після відкриття закону взаємодії зарядів. Вивчаючи проблеми крутіння ниток, французький вчений Шарль Кулон (1736-1806) виявляє, що кут закручування нитки пропорційний моменту прикладених сил, і це наштовхує його на створення найточніших крутильних ваг (з чутливістю 10 -7 г / град) для вимірювання сил по куту закручування . За допомогою цих ваг він встановлює закон взаємодії зарядів і магнітних полюсів, якi характеризуються так званими "магнітними масами" m. Відкриті їм закони вражали тим, що повторювали "по формі" закон тяжіння Ньютона:
q 1 q 2 m 1 m 2
F ЕЛ. = K і F М = k`
r 2 r 2
(Як було переконатися ще раз у справедливості дальнодействия Ньютона!)
Почався XIX ст., А поняття поля в фізиці ще не існувало і не тільки через панування дальнодействия, а й через незнання зв'язку електрики і магнетизму. Про зв'язок між цими явищами не знали тому, що вивчали фактично області електро- і магнітостатики, але ж електромагнетизм є динамічним ефектом, пов'язаним з рухом зарядів, тобто з струмом. Але електричного струму як об'єкта вивчення у фізиці ще не було, так як не існувало джерела постійного тривалого струму - конденсатор же давав лише короткочасний розряд. Початок вивчення постійного електричного струму пов'язано з іменами двох італійських вчених - Луїджі Гальвані і Алессандро Вольта.
4.Встановлення зв'язку електрики і магнетизму як найважливіший етап, який підготував висування ідеї поля.
Луїджі Гальвані (1737-1798) - анатом за професією. Сталося так, що при препаруванні жаб в його лабораторії хтось привів в дію електричну машину. У момент проскакування електричної іскри м'язи препарированной жаби, до якої в цей час торкалися скальпелем, стали скорочуватися. Як було зацікавитися цим - може бути електрику оживляє організм? Гальвані вивішував препаровані лапки жаби на відкритому повітрі, щоб перевірити, чи буде виникати ефект під дією атмосферної електрики під час грози. М'язи під час грозового розряду скорочувалися. Але на подив ученого, вони скорочувалися і при ясній погоді. Причина була в тому, що лапки подвешивались на мідних гачках до залізної огорожі і при контакті різнорідних металів виникала різниця потенціалів, що викликає роздратування нервів і тому скорочення м'язів.
Гальвані ж зробив висновок про існування "тваринної електрики", вважаючи, що м'яз і нерв є своєрідна лейденська банку, джерело електрики, замикає провідником. Відкриття Гальвані викликало бурю пристрастей, порівнянну, за свідченням сучасників, лише з бурею, викликаної французькою революцією. І не дивно: якщо "оживають" тканини жаб, так, може бути, можна воскрешати електрикою мертвих?
Від спокуси повторити досліди Гальвані не встояв і сорока шестирічний професор А. Вольта (1745-1827), відомий на той час вчений, винахідник електрофора, талановитий лектор, в аудиторію якого збиралися не тільки з усієї Італії, але і з інших європейських країн. Він звернув увагу на те, що здригання лапок жаби спостерігається лише тоді, коли нерв і м'язи з'єднуються різнорідними матеріалами.
До перших спроб Вольта дуже прості. Він брав дві монети з різних металів і одну з них клав на мову, а іншу - під нього; при з'єднанні їх дротом відчувався такий же смак, як і при "куштування на мову" проводів від відомих в той час джерел електрики. В результаті ряду дослідів Вольта переконався в тому, що тканини організму не джерело, а індикатор електрики, що виникає при контакті різнорідних металів. Так була відкрита контактна різниця потенціалів. Відкривши контактна електрику, Вольта створює до 1800 року перший джерело постійного струму - "вольтів стовп", що складається з стопи чергуються цинкових і срібних гуртків, розділених коробками, змоченими солоною водою. За його пропозицією одержуване таким чином, електрику називають гальванічним (в данину поваги до того, чиї досліди наштовхнули Вольта на відкриття).
Ці відкриття приносять Вольта надзвичайну славу. Наполеон запрошує його в Париж, де його обсипають почестями і нагородами, обирають членом сенату. Але до честі Вольта, почесті не закрутив йому голову. Він цурався всієї тієї галасу, яка створювалася навколо нього, вважаючи за краще свою лабораторію палацам і гостинним, і до кінця своїх днів зберіг чесність, безкорисливість і прямоту.
Створення довгостроково діючого джерела електрики дозволило почати вивчення дій постійного електричного струму. Перш за все встановлюється хімічна дія (спочатку розкладання води на кисень і водень, а потім виділення з лугу нових елементів Na і K - Деві, 1808 г.). Виявляється і теплову дію (нагрівання провідників струмом, електрична дуга, отримана в 1803 р петербурзьким професором В.В. Петровим, який побудував найбільшу в той час батарею з 2100 елементів). А з 1820 року починається цілий ланцюг відкриттів, що знаменують поява нової області - електромагнетизму, і впритул підводять фізику до поняття поля.
Вивчення електромагнетизму. Ерстед. Ампер.
У 1808 р до причалу одного з французьких портів ледь добрався своїм ходом напівзруйнований блискавкою військовий корабель. На борт його піднялася комісія, до складу якої входив Франсуа Араго, блискучий вчений, який став в 23 роки академіком, людина надзвичайного темпераменту. Араго звернув увагу, що стрілки всіх компасів були перемагнічени в результаті удару блискавки. Подібних фактів до цього часу у Араго накопичилося чимало. Здавалося б, висновок про зв'язок електрики і магнетизму напрошується сам собою, але Араго не зміг його зробити: адже електрична природа блискавки була не так давно доведена Франкліном і це ще вимагало осмислення.
Честь встановлення зв'язку електрики з магнетизмом належить датському вченому Гансу Християни Ерстед (1777-1851). Діалектична ідея про взаємозв'язок явищ, сприйнята Ерстед з філософії Гегеля, змушувала його цілеспрямовано шукати зв'язок між електрикою і магнетизмом. За кілька років до свого відкриття він пише: "Слід випробувати, не виробляє електрику будь-яких дій на магніт". Але, мабуть, він довго не зміг зрозуміти, як перевірити свою здогадку.
15 лютого 1820 р Ерстед на лекції демонстрував нагрівання провідника струмом. Поблизу установки перебувала магнітна стрілка, і хтось із спостережних студентів звернув увагу, що при проходження струму стрілка поверталася (правда, це не єдина версія з приводу даного відкриття). Ерстед ретельно вивчив виявлений ефект і опублікував про нього повідомлення (21 липня 1820г.).
Відкриття Ерстеда викликало сенсацію. У серпні 1820 року, через кілька днів після публікації Ерстеда, досвід проводиться на Женевському з'їзді натуралістів, в якому бере участь Араго. А 11 вересня на засіданні Французької академії Араго вже ставить дослід Ерстеда. У числі інших його з хвилюванням спостерігає і Ампер (1775-1836), якому судилося глибше інших зрозуміти суть нового відкриття та закласти основи електромагнетизму - вчення, вершиною якого стала теорія створення електромагнітного поля. Тепер рахунок історії створення нового напрямку досліджень йде вже по днях. 11 вересня Ампер спостерігає досвід Ерстеда у виконанні Араго, а на наступному засіданні академії - 18 вересень сам виступає з доповіддю, в якому висуває думку про те, що оскільки струм викликає орієнтацію магнітної стрілки, то і орієнтація стрілки компаса під дією земного магнетизму викликана струмами, поточними в Землі зі сходу на захід. Але тоді логічно припустити, що і магнітне дію постійного магніту обумовлено існуванням кругових струмів, що циркулюють в магніті в площинах, перпендикулярних його осі. А тоді взаємодія магнітів є, по суті справи, взаємодія циркулюючих в них "молекулярних струмів", тобто ток повинен діяти на струм. Якщо висунуті гіпотези вірні, то немає потреби в "магнітних рідинах", "магнітних витіканнях", за допомогою яких за традицією і пояснювалися магнітні взаємодії.
Ампер сміливо виступає проти освячених десятиліттями традиційних поглядів. Ця сміливість йде не тільки від оригінальності і широти мислення генія, а й значною мірою від світогляду Ампера. Він - прихильник ньютоновского методу принципів, згідно з яким нема чого видумувати зайвих гіпотез. Керуючись ідеєю спільності в явищах природи і принципом "природа не излишествует в причинах", він був проти введення безлічі невагомих: "Хіба треба для кожної нової групи
явищ придумувати спеціальний флюїд! "Ампер бачить завдання фізики в тому, щоб" звести до мінімуму число принципів, що пояснюють фізичні явища ". Його вихідна ідея про те, що все різноманіття явищ взаємодії магнітів, магнітів і струмів можна звести до взаємодії струмів, означала усунення зайвих гіпотез і зведення різноманіття до єдиної основи. Але ця вихідна ідея потребувала експериментальному дослідженні, і весь тиждень з 18 по 25 вересня була присвячена цьому. 25 вересня Ампер продемонстрував свої знамениті досліди. Спіраль з струмом діє на магнітну стрілку так само, як і смуговий магніт. Спіраль орієнтується в магнітному полі Землі подібно до стрілки компаса, а дві спіралі взаємодіють подібно смуговим магнітів. Пізніше він здійснив і взаємодія прямих провідників зі струмом. Йому заперечували: "Це взаємодія електричне", але він показував, що однаково заряджені провідники повинні відштовхуватися, а у нього однакові по напрямку струми притягуються, тобто він вперше розмежував електростатичні і електродинамічні явища (терміни введені Ампером). Потім Ампер вперше вивів формулу для розрахунку сили взаємодії двох елементів струму, на основі якої шляхом підсумовування взаємодії всіх елементів можна отримати формули для визначення сил взаємодії кінцевих провідників зі струмом будь-якої конфігурації - знаменитий закон Ампера.
Амперу належить ідея гальванометра (термін його), заснованого на дії струму на стрілку; Ампер вводить поняття і терміни "напруга", "сила струму", "напрям струму". Таким чином, Ампер є засновником електродинаміки. Не випадково Максвелл назвав його "Ньютоном електрики".
Обдарування Ампера виявилися дуже рано - в тринадцять років він прочитав всі двадцять томів енциклопедії Дідро, хоча офіційного освіти і не отримав. Інтереси його були надзвичайно широкі: різні галузі математики (теорія ігор, геометрія), біологія, геологія, лінгвістика, філософія, хімія і, звичайно, фізика. Ось ті галузі знання, якими він займався. Оточуючим він здавався людиною дивним: короткозорий, розсіяний, довірливий, мало звертає увагу на свій зовнішній вигляд, та до того ж має не настільки цінується зазвичай звичку прямолінійно говорити людині все те, що думаєш про нього.
Його відкриття багато колег не розуміли і зустрічали скептичними усмішками. Прилади він купував і виготовляв на свої гроші, а їх було мало. Доводилося випрошувати додаткову роботу у університетського начальства, відправлятися в інспекційні поїздки по провінційним училищам, складати звіти про них на вимогу начальства, який одержував, мабуть, задоволення від можливості принизити оригіналу-вченого. А він був людиною рідкісної скромності. Мало хто сучасники по достоїнству оцінили його заслуги, слава прийшла до нього лише після смерті. "Смерть Ампера - нещастя національне", - сказав Араго. Але це, звичайно, була втрата не однієї Франції.
Отже, був зроблений ще один крок на шляху до поняття поля - встановлено зв'язок електрики і магнетизму. Але електродинаміка Ампера, так само як і електростатика, що отримала до цього часу струнке математичне оформлення, була заснована на дальнодействії. Той факт, що ньютонівська програма пошуку математичних законів сил без з'ясування механізму їх дії успішно реалізувалася в результаті встановлення законів Кулона, Ампера і Біо-Савара-Лапласа, ще більш зміцнював принцип дальнодействия. А вихори матерії, нібито циркулюють навколо провідника зі струмом і повертають стрілку, електричні і магнітні атмосфери навколо магнітів, струмів і заряджених тіл, були гіпотезами, без яких можна було обійтися, так як вони не витікали з фактів і не давали ніяких математичних виразів для сил . Яку оригінальність суджень, неупередженість думок і своєрідність бачення світу потрібно було проявити, щоб в епоху безроздільного панування дальнодействия висунути ідею поля, чужу духу науки того часу і науковим традиціям. Цей революційний крок був зроблений Майклом Фарадеєм (1791-1867).
5. Ідея близкодействия в роботах Фарадея.
Не буду детально розглядати все, що зробив Фарадей для фізики, перерахую лише основні його відкриття, зупинившись докладно тільки на роботах, пов'язаних з обгрунтуванням концепції близкодействия. До числа основних відкриттів Фарадея відносяться наступні:
відкриття скраплення газів і передбачення існування критичної температури;
відкриття обертання провідника зі струмом навколо магніту, що стало прообразом сучасного електродвигуна;
відкриття явища електромагнітної індукції та самоіндукції, що дозволило йому створити першу діючу модель уніполярної динамо-машини;
доказ єдиної природи різного виду електрики, одержуваного різними способами;
встановлення законів електролізу і висунення ідеї про атомарности електрики;
створення теорії електростатичного індукції і поляризації діелектриків, введення поняття діелектричної проникності;
вивчення магнітних властивостей речовини, відкриття діа- і парамагнетизму;
вивчення провідності газів;
відкриття обертання площини поляризації світла під дією магнетизму;
створення основ вчення про поле.
Звернуся до тих робіт Фарадея, які найбільш близькі до проблеми поля, і перш за все до відкриття електромагнітної індукції.
Досліди Ерстеда і роботи Ампера, які довели зв'язок електрики і магнетизму, викликали у молодого Фарадея глибокий інтерес до електромагнетизму. І це зрозуміло - ідея взаємозв'язку явищ, єдності сил природи була провідною і світогляді Фарадея: "Я давно дотримуюся думки, що став майже переконанням, що різні форми, в яких проявляються сили матерії, мають спільне походження або ... так взаємопов'язані, що вони можуть перетворюватися один в одного ". Не дивно тому, що вже в 1821 році він записує в своєму щоденнику в якості завдання: "Перетворити магнетизм в електрику". Після цього він весь час носить в кишені магніт і дріт, може бути, для того, щоб вони були постійним нагадуванням про поставлену мету і завжди були під руками для перевірки виникаючих думок.
Міркування симетрії мимоволі наштовхують на думку: якщо за рахунок електрики створюється магнетизм, то повинно бути справедливим і зворотне судження. Думка Фарадея 11 років зайнята цією проблемою, але спосіб її вирішення так важко давався в руки.
Чому ідея тих дослідів, які може виконати нині кожен старшокласник, виявилася настільки важкою для Фарадея, людини надзвичайного розуму? Причин тут багато. І перш за все труднощі теоретичного характеру. У науці того часу тільки зароджувалися поняття електричного струму, сили струму, напруги, була невідома природа магнетизму. До цього додавалися труднощі технічного характеру. Щоб нині виявити ЕРС індукції, використовують багатовитковому котушку. У той час тільки що дізналися про те, що магнетизм струму посилиться, якщо провід скрутити в спіраль, але ще не мали способу ізолювати дріт. Індукційні струми на уроках фізики реєструються нині гальванометром з чутливістю 10 -5 А / справ, а тоді струм вимірювався за відхиленням магнітної стрілки. Щоб стрілка помітно відхилилася, треба було пропускати по провіднику великий струм, а індукційні струми слабкі. До того ж стрілка-індикатор не повинна відчувати впливу магніту, якою порушується струм. Для цього котушку видаляли від індикатора часом в інше приміщення. Вдвінув магніт в котушку, треба було йти дивитися на стрілку-індикатор, яка, природно до цього часу вже приходила в стан спокою. Відсутність ефекту пов'язували зі слабкістю магніту. Так що 11 років пошуків для того часу - термін цілком зрозумілий.
Строго кажучи, явище електромагнітної індукції виявив раніше Фарадея Джозеф Генрі, американський фізик, який одним з перших почав ізольовані не магніт від голого дроти, а сам провід, обмотуючи його смужками шовку. Але Генрі не повідомила про своє відкриття, захопившись досвідами по створенню електромагнітів, і до того ж у нього була й інша причина - його висока вимогливість: "хотілося звести отримані результати в якусь систему".
Фарадей ж йде не на дотик, він свідомо шукає ефект, підказаний йому його спільними поглядами на світ. Він варіює ЕРС батареї, магніти, габарити і форми провідників, число витків в котушці. Дуже загальна спочатку ідея поступово конкретизується. Вже в 1825 році він висловлює думку: якщо струм діє на магніт, то і сам струм повинен відчувати протидію з боку магніту, але зміни струму в котушці при введенні в неї магніту не виявилося (слабкою була, звичайно, виникла в цьому досвіді ЕРС індукції ),
Тоді Фарадей висуває іншу думку. Струм є рух електричної рідини, яка, переміщаючись по витків соленоїда, викликає, за гіпотезою Ампера, кругові струми в залізному осерді, обумовлюючи його намагнічування. Тоді рухома рідина в одному провіднику повинна змусити рухатися електричну рідину в розташованому поруч провіднику, тобто викликати індукційний струм. Досвід з прямими провідниками невдалий.
Фарадей дізнається про відкрите Генрі посилення магнетизму при використанні багатошарової обмотки і бере вже не прямі провідники, а котушки.
29 серпня 1831 р при замиканні ланцюга струму в одній з котушок стрілка гальванометра, включеного в ланцюг інший котушки, відхилилася, а потім знову повернулася у вихідне положення, хоча по першій котушці струм продовжував йти. Фарадей розмикає ланцюг першої котушки і знову спостерігає відхилення стрілки. Довгоочікуваний ефект вийшов, але він короткочасний і пов'язаний не з проходженням струму, а з його зміною. Досліди тривають і в наступні дні. А може бути, щоб порушити тривалий струм в котушці за рахунок струму в інший, поруч розташованої котушці, треба зблизити ці котушки? Фарадей переміщує їх відносно один одного і виявляє, що струм виникає, якщо котушки рухаються. Близько місяця йдуть подальші пошуки умов виникнення струму. А 24 вересня Фарадей збуджує струм в котушці, маніпулюючи постійним магнітом. 17 жовтня подібні досліди приводять до висновку: "Електрична хвиля (струм) виникає тільки при русі магніту, а не в силу властивостей, притаманних йому в спокої". 28 жовтня Фарадей отримує індукційний струм, що знімається з осі і обода мідного диска, що обертається між полюсами подковообразного магніту. Ця установка є перший генератор електричного струму.
Така дуже приблизна і спрощена реставрація процесу встановлення Фарадеем явища електромагнітної індукції.
Пояснення явища електромагнітної індукції, а також розгляд електричних і магнітних процесів, які відбуваються в речовині під впливом заряджених тіл і магнітів, призвели Фарадея до висування ідеї близкодействия, реалізованої в кінці кінців в ідеї існування поля.
Простежити хід думок Фарадея, а тим більше просто і доступно викласти його нелегко, тому обмежуся лише спрощеним викладенням його остаточних ідей.
Чому Фарадей на відміну від усіх своїх попередників встає на позиції близкодействия? До нього вся увага дослідників була звернена на сили, з якими взаємодіють заряди і струми, а не на процеси, що відбуваються в розділяє середовищі. Фарадей ж першим ретельно вивчив процеси, що відбуваються в речовині під впливом зарядів, магнітів і струмів. Він розглядав електричну індукцію в провідниках і поляризацію діелектриків. До нього діелектрик вважався пасивним агентом, що утримує електрику в провідниках. Фарадей ж звернув увагу на роль середовища (він, наприклад, виявив залежність ємності конденсатора від роду діелектрика). Чому на поверхнях провідника і діелектрика під впливом зарядженого тіла виникають заряди протилежного знака? Вчений пояснив це тим, що під впливом зарядженого тіла в речовині відбувається поляризація, своєрідний розподіл зарядів в частинках, найближчих до наелектризованої тілу (як це дійсно відбувається в діелектриках з неполярними молекулами). Поляризовані частки подібним же чином поляризують суміжні з ними, так що в середовищі відбувається процес передачі електричного дії, що поширюється поступово від точки до точки. Подібним же чином відбувається по Фарадею і процес намагнічування. До Фарадея магнітними матеріалами вважали лише невелике число речовин. Фарадей виявив, що всі речовини можуть намагнічуватися і магнітне дію, подібно поляризації, поступово передається від однієї частинки середовища до іншої.
Отже, передача електричного і магнітного дії в речовині є процес не миттєвий, а що триває деякий час.
Ось вона початкова концепція близкодействия!
Фарадей вводить поняття про силові лінії. Поки мова йде про електродинамічних процесах в речовині, Фарадей розглядає силові лінії як формальні лінії дії сили, а не реальні освіти. Як же передається дія сили в вакуумі? "Може бути, дозволено припускати тут, як і в інших областях, гіпотетичний ефір?" І вважаючи простір заповненим особливим середовищем - ефіром, Фарадей розглядає силові лінії як матеріальні освіти, подібні гумовим джгутів, що знаходяться в натягнутому стані. Поняття силових ліній дозволяє йому більш виразно сформулювати закон електромагнітної індукції: "Кількість електрики, втягнуте в рух, прямо пропорційно кількості пересічених ліній", тобто ЕРС індукції виникає лише тоді, коли провідник перетинає силові лінії.
Створюється враження, що Фарадей уявляв собі залучення в рух електричної рідини в провіднику як процес, викликаний дією реальних утворень (ліній) на електричну рідину в провіднику. Взаємодія зарядів він розглядав як процес, обумовлений взаємодією знаходяться в стані натягу ліній, які в разі різнойменних зарядів, прагнучи випрямитися, стягують заряди, в разі однойменних зарядів відштовхуються одна від одної як пружні джгути, забезпечуючи відштовхування самих зарядів (згадаємо спектри відповідних полів).
Подання про силових лініях як реальних утвореннях наявних і в вакуумі, і в речовині, дозволяло просто і наочно пояснити багато явищ. Зокрема, відомий досвід Араго (обертання металевого диска за рахунок обертання поруч розташованого магніту) отримав просте пояснення: силові лінії обертового магніту впливають на електричну рідину в диску і як пружні освіти викликають його обертання.
Втім, не слід переоцінювати роль цих наочних моделей-образів. Фарадей прекрасно розумів умовність цих моделей і не вважав ці уявлення закінченими і єдино можливими. В ході подальшого розвитку науки фарадеевского уявлення про силових лініях як реальних утвореннях в ефірі було відкинуто, але істота його ідей отримало повне визнання. За Фарадею, електромагнітна взаємодія зарядів і струмів обумовлено процесами, що відбуваються в навколишньому середовищі незалежно від того, вакуум це або речовина. В обох випадках є якийсь посередник, навколишній заряди і струми і забезпечує їх взаємодію. Чи є їм ефір, в якому є силові лінії як реальні об'єкти, або це якесь інше утворення, Фарадей не вирішує і не висловлює остаточних суджень, надаючи нащадкам вирішити це складне питання.
Реальність силових ліній у Фарадея багато в чому пов'язана з тим, що ці лінії (в усякому разі для магнітного поля) не їсти прямі. Адже в концепції ньютоновского дальнодействия сили носять центральний характер, тобто діють за прямими, що з'єднує взаємодіючі тіла. Виявлення того, що лінії дії електродинамічних тел є криві, і наводить Фарадея на думку, що це не просто формальні зображення ліній дії сил, а реальні освіти.
Отже, поширення електричних і магнітних дій відбувається як процес, який наразі триває в середовищі і вимагає часу; електричні і магнітні збудження можуть існувати незалежно від джерела і приймача. Більш того, Фарадей висловлює здогад, що це поширення дії здійснюється хвилеподібно. У 1832 р в розпал досліджень по електромагнітної індукції Фарадей підготував лист про свої погляди на проблему електромагнітної взаємодії, що закріплює його пріоритет. У цьому листі, яке виявили через 100 років, Фарадей пише: "На поширення магнітного впливу потрібен час ... Я вважаю, що і електрична індукція поширюється таким же чином ..., що поширення магнітних сил від магнітного полюса схоже на коливання схвильованої водної поверхні або ж на звукові коливання частинок повітря, тобто я маю намір докласти теорію коливань до магнітних явищ ... і до електричної індукції ".
Отже, нехай Фарадей Незрозуміло яка чітко поняття поля, але суть всіх його поглядів зводиться до того, що все взаємодії здійснюються за допомогою особливої матеріальної середовища, що передає за кінцеве час процес взаємодії зарядів і струмів. А це і означає, що Фарадей, по суті справи, ввів у фізику ідею поля, перетворивши заряди і струми з головних дійових осіб на арені електромагнітної взаємодії у допоміжні і передавши головні ролі середовищі, вважаючи, що "матерія присутня скрізь, і немає проміжного простору , що не зайнятого нею ". Але найкраще про це сказав Максвелл: "Фарадей своїм внутрішнім зором бачив лінії сил, що проходять через весь простір, там, де математики бачили центри сил, притягуються на відстані. Фарадей бачив середу там, де вони не бачили нічого, крім відстані. Фарадей бачив джерело явищ в реальних процесах, що відбуваються в середовищі. Вони ж були задоволені тим, що знайшли його в діючій на відстані силі, яка додається до електричних флюїдам ".
А тепер кілька слів про те, як Фарадей жив і яким він був людиною.
Фарадей народився в сім'ї лондонського коваля і, як пише його біограф, "виріс серед людей, що належать до обширного класу, що живе тяжким фізичною працею, в умовах, в яких він міг отримати лише трохи духовної їжі". До 13 років він закінчив своє офіційне освіту в школі, так як треба було працювати. Трудовий шлях він починає учнем у книжковій крамниці, при якій була і палітурна майстерня. Будучи вихідцем із середовища простих робочих людей, він до кінця життя зберіг глибоку повагу до людей праці. Працюючи в книжковій крамниці, він багато читає.
Про ці роках він пише: "Не думайте, що я був глибоким мислителем або відрізнявся раннім розвитком. Вірив стільки ж в "Тисячу і одну ніч", скільки в "Енциклопедію". Але факти були найважливіше для мене, і це мене врятувало. Фактом я міг довіритися; але кожному твердженню я міг завжди протиставити заперечення ". Прочитавши книгу "Бесіди з хімії", він перевірив досвідами викладене в ній, щоб "переконатися, що книга відповідає фактам, наскільки я їх розумів". Уже в ці роки у нього розвивається критичне мислення і глибоку повагу до фактів.
Інтерес до знань спонукає його відвідувати публічні лекції видатного фізика і хіміка Гемфрі Деві. Природничо-наукові проблеми захоплюють Фарадея, і він вирішує пов'язати свою долю з вивченням природи. Він пише Деві лист з проханням надати йому будь-яку роботу в лабораторії і докладає до листа відмінно переплетені власні конспекти прослуханих лекцій Деві. "Я бажаю зовсім залишити ремесло і вступити на службу науці, яка робить своїх поборників настільки ж добрими, наскільки ремесло - злими і себелюбними".
Деві спочатку відмовляє Фарадею через відсутність вакансії і попереджає його, що "наука - особа черства, і вона в грошовому відношенні лише скупо винагороджує тих, хто присвячує себе служінню їй". А адміністратор інституту, з яким радиться Деві на рахунок прохання Фарадея, відповідає: "Нехай миє посуд. Якщо що-небудь варто, то почне працювати. Якщо відмовиться, то значить нікуди не годиться ". Допоміг Фарадею нещасний випадок. Вибухом колби в лабораторії були пошкоджені очі Деві, і він не міг ні читати, ні писати, а тому вирішує взяти Фарадея секретарем. Через деякий час Фарадей стає лаборантом Деві. У майбутньому, коли Деві поцікавляться найістотнішим його наукове досягнення, він відповість: "Найважливішим моїм відкриттям було відкриття Фарадея".
Поїздка з Деві в Європу, зустрічі з такими вченими, як Ампер, Гей Люссак, Вольта, багато в чому сприяли науковому становленню Фарадея, який допомагав Деві в його дослідах під час лекцій, брав участь в бесідах з вченими. З Європи він писав: "Я навчився розуміти своє невігластво, соромлюся своїх різноманітних недоліків і бажаю скористатися тепер випадком виправити їх". Але це лише початок його наукового шляху, і настільки самокритична оцінка цілком природна. Пройдуть роки, а Фарадей, ставши визнаним вченим зі світовою популярністю, залишиться такою ж суворим до себе і настільки ж скромним. В останні роки життя він двічі відхиляє почесне пропозицію стати президентом Королівського товариства - вищої наукової установи Англії. Настільки ж категорично він відмовляється від пропозиції про зведення його в лицарське звання, що дає йому ряд прав і почестей, в числі яких і таке, як перетворення в "сера Майкла Фарадея". Простота, доброзичливість, доброта, скромність - ось його найхарактерніші риси.
Фарадей ні математиком. Його наукова робота завжди пов'язана з експериментом. Всі свої досліди (в тому числі і невдалі) він зі скрупульозною ретельністю записував в особливому щоденнику, який потім вийшов у вигляді великого праці "Експериментальні дослідження з електрики". Останній параграф щоденника позначений номером 16041. Всього с1816 по 1862 р опублікував 220 робіт. У щоденниках Фарадея не було жодної формули, і тим не менше це був один з найглибших теоретиків, цінує НЕ математичний апарат, а фізичну суть, механізм явищ. У записках Фарадея виявлена "школа наукових заслуг", що містить чотири ступені: відкриття нового факту; зведення його до відомим принципам; відкриття факту, що не зводиться до відомим принципам; зведення всіх фактів до ще більш високим принципам. Відкриття самого Фарадея - це найвищий ступінь за його шкалою.
У своїх експериментальних дослідженнях Фарадей не щадив себе. Він не звертав увагу на проливає ртуть, настільки широко використовується в дослідах того часу, і це скоротив його життя. Не обходилося і без вибухів приладів при дослідженні скраплення газів. В одному листі він пише: "Минулої суботи у мене стався один вибух, який знову поранив мені очі ... Перший час очі мої були прямо-таки набиті шматочками скла. З них вийняли тринадцять осколків ".
Його наукове кредо, яким він керувався все життя, виражене в наступних словах: "Вчений повинен бути людиною, яка прагне вислухати будь-яке припущення, але сам визначає, чи справедлива вона. Зовнішні ознаки явищ не повинні пов'язувати суджень вченого, у нього не повинно бути улюбленою гіпотези, він зобов'язаний бути поза шкіл і не мати авторитетів. Він повинен ставитися шанобливо ні до особистостям, а до предметів. Істина повинна бути головною метою його досліджень. Якщо до цих якостей додатися ще працьовитість, то він може сподіватися підняти завісу в храмі природи ".
До останніх днів Фарадей зберіг вірність своїм життєвим ідеалам. Слабшали можливості до напруженої розумової роботи, але залишалися найвища порядність, доброта, чесність. У 70 років він, блискучий лектор, вирішує покинути інститут. "Тут я провів щасливі роки, але настав час піти через втрату пам'яті і втоми мозку". У числі мотивів догляду: "тьмяніють і забуваються старі уявлення про права, почутті власної гідності і самоповаги. Сильна потреба робити вони по відношенню до інших і нездатність зробити це. Піти ". Останню лекцію він перервав, звернувшись до слухачів зі своїми сумнівами - чи не занадто довго він знаходиться з ними. Піднялася в єдиному пориві аудиторія оваціями змусила його повернутися на кафедру.
25 серпня 1867 року в віці сімдесяти п'яти років Фарадей помер.
Справа Фарадея по обгрунтуванню поняття поля продовжив інший видатний англійський фізик - Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879).
6. Створення теорії електромагнітного поля Максвеллом.
Перш ніж перейти до теорії Максвелла, зупинюся коротко на розвитку електродинаміки від Фарадея до Максвелла.
Здавалося б, ідеї Фарадея повинні були відразу дати потужний поштовх розвитку теоретичних досліджень. Однак так не сталося. Фарадея дуже високо цінували як експериментатора, але до його теоретичним ідеям ставилися з недовірою. З цього приводу Р.Міллікен писав: "Формалісти школи Ампера - Вебера ... з таємним, а іноді і явним презирством дивилися на" грубі матеріальні "силові лінії і трубки, породжені фантазією палітурника і лабораторного сторожа Фарадея". Теорія поля Фарадея не задовольняла ідеалу фізичної теорії, що склався до цього часу, - вона не була виражена мовою математики. І ідея близкодействия фізикам як і раніше не імпонувала. Теорії електричних і магнітних явищ продовжували будуватися на основі принципу далекої дії.
Французький вчений С. Пуассон і німецький математик Карл Фрідріх Гаус математично оформляють вчення про електрику і магнетизм. Вебер, виходячи з теорії дальнодействия, встановлює узагальнений закон для сили взаємодії електричних зарядів як покояться, так і рухомих (струмів), з якого закони Кулона і Ампера виводяться як наслідку. Йому, а також німецькому вченому Ф. Нейману вдається отримати і математичний вираз закону електромагнітної індукції Фарадея. Чітко формулюються основні поняття електродинаміки: "сила струму", "потенціал", "ємність", "індуктивність" і т.д. І тим не менше вчення про електромагнетизм не представляє собою стрункої теорії, заснованої на єдиних загальних принципах, з яких як слідства виводилися б рівняння електростатики, електродинаміки, закон електромагнітної індукції, закони постійного струму. Всі ці розділи продовжували залишатися певною мірою відокремленими. До того ж з теорії Вебера не витікало ніяких принципово нових наслідків, а завдання будь-якої нової теорії - не стільки систематизація та узагальнення відомого, скільки передбачення нових результатів.
Теоретичні уявлення Фарадея в дусі близкодействия як і раніше не досліджувалися.
Настільки аж ніяк не райдужний стан справ у вченні про електромагнетизм краще за всіх розумів Максвелл, який познайомився з роботами Фарадея і став переконаним прихильником висунутої ним ідеї близкодействия. Максвелл поставив перед собою завдання висловити ідеї Фарадея мовою математики і в кінці кінців блискуче вирішив її. За словами Р. Міллікена, він "одягнув плебейських оголені уявлення Фарадея в аристократичні одягу математики".
Максвелл отримав рівняння електромагнітного поля, які описували його властивості та структуру і були не простим математичним виразом ідей Фарадея, а містили щось незмірно більше.
¶ B ¶ D
rot E = -, rot H = 4 pj +,
¶ t ¶ t
div D = r, div B = 0
У цих рівняннях укладено все вчення про електрику і магнетизм! Дивлячись на лаконічну форму цих рівнянь, як не згадати Ньютона: "Природа проста і не розкошує зайвими причинами". Не випадково Герц, який додав рівнянням Максвелла той вид, в якому вони нині пишуться (це ж було зроблено і Хевісайдом), говорив: "Не можна вивчати цю дивовижну теорію, не відчуваючи за часами такого почуття, ніби математичні формули живуть власним життям, володіють власним розумом - здається, що ці формули розумніші за нас, розумніше навіть самого автора, як ніби вони дають нам більше, ніж свого часу в них було закладено ".
Що ж нового дала фізиці теорія електромагнітного поля, яку Максвелл почав розробляти з 1855 р і в остаточному вигляді оформив в роботі "Трактат з електрики і магнетизму", що вийшла в 1873 р?
Внесок Максвелла зводиться в загальних рисах до наступного.
Теорія Максвелла вводить в фізику фундаментальне поняття єдиного електромагнітного поля. "Теорія, яку я пропоную, - пише Максвелл, - може бути названа теорією електромагнітного поля, тому що вона має справу з простором, що оточує електричні і магнітні тіла; вона може бути також названа динамічною теорією, оскільки вона допускає, що в цьому просторі є матерія, яка перебуває в русі, за допомогою якої і проводяться спостерігаються електромагнітні явища ". І далі: "Електромагнітне поле - це та частина простору, яка містить і оточує тіла, що знаходяться в наелектризованої або намагніченому стані". Правда, тут з сучасної точки зору є неточність: поле - це не частина простору, а матеріальний об'єкт, що існує в просторі і часі. Є і ще одна невідповідність ідей Максвелла з сучасними поглядами: поле у Максвелла - не самостійна об'єкт, а процес, що відбувається в ефірі, прояв ефіру.
Лише в подальшому в зв'язку зі створенням теорії відносності, коли стало можливим усунення гіпотези ефіру, поле було визнано самостійно існуючим видом матерії, що не потребує особливого матеріальному носії. Введення поняття поля як основного об'єкта, що забезпечує всі електромагнітні взаємодії, акцент не на заряди і струми, а на "породжене" ними поле означають остаточне затвердження в фізиці ідеї близкодействия.
Принципово новою рисою теорії Максвелла, що виражає послідовне проведення ідеї близкодействия, є те, що теорія Максвелла виходить з визнання кінцівки швидкості поширення електромагнітних взаємодій. З цього випливає те, що сигнал, випущений джерелом, але не прийнятий ще приймачем, живе самостійним життям як реальне утворення, що має енергією, яка по Максвеллові, зосереджена в поле. Енергія електромагнітної взаємодії у Максвелла залежить від параметрів поля (E і B). Це є енергія поля, а не енергія зарядів і струмів. Але енергія не може бути без матеріального носія. Отже, поле є об'єктивною реальністю.
Теорія Максвелла по-новому поставила питання про взаємозв'язок електрики і магнетизму.Їх єдність проявляється в тому, що змінюється електричне поле породжує магнітне, а змінюється магнітне породжує електричне, тобто електричне і магнітне поля не їсти якісь самостійні сутності, а є окремі прояви єдиного електромагнітного поля, що визначаються вибраною системою відліку.
Теорія Максвелла на основі поняття поля звела в єдину систему всі знання з електрики і магнетизму. Вона дала можливість, знаючи компоненти поля (E і B) в даній точці в даний момент часу, знайти їх значення в будь-якій іншій точці в будь-який інший момент часу, а знаючи характеристики поля, знайти і сили, що діють на заряди і струми. Всі закони електричних і магнітних взаємодій, всі закони струму, виведені раніше, виходять з рівнянь Максвелла як слідства.
Але значення теорії не тільки в узагальненні вже відомого, з неї випливає надзвичайно багато нового (крім раніше сказаного).
З рішення рівнянь випливає, що електромагнітне поле поширюється в просторі у вигляді хвиль і швидкість електромагнітних хвиль дорівнює швидкості світла. Тим самим встановлюється не тільки існування нового об'єкта, а й пропонують ідею про електромагнітну природу світла, а значить, встановлюються єдність оптики і електромагнетизму.
Таке значення теорії Максвелла. Як сказав Г. Герц: "Теорія Максвелла - це рівняння Максвелла". Природний питання: як зумів він зробити це? Зрозуміти творчий процес Максвелла куди важче, ніж зрозуміти суть його теорії. Тому я обмежуся лише деякими зауваженнями про метод Максвелла.
Максвелл ставить спочатку завдання - знайти математичний апарат, який би міг описати фізичні уявлення Фарадея про поле. І йому вдається виявити, що намальована Фарадеєм картина поля у вигляді силових ліній аналогічна картині розподілу ліній струму і утворених ними трубок струму в рідині, що рухається. Рух рідин вже отримало на той час математичний опис, і Максвелл переносить це опис гідродинамічних явищ на електродинамічні процеси. Величинам, що характеризує рух рідини, він зіставляє електродинамічні характеристики (так, наприклад, перепаду тиску на одиницю довжини dp
dx
він приводить у відповідність перепад потенціалу dj
dx,
що обумовлює рух електрики, подібно до того як перепад тиску викликає рух рідини). Тим самим електромагнітне поле уподібнює руху рідини, силові лінії поля аналогічні трубках струму.
Максвелл використовує метод аналогій і моделей. "Під фізичною аналогією, - пише він, - я маю на увазі те приватна схожість двох будь-яких областей, завдяки якому одна є ілюстрацією іншого". І оскільки різні класи фізичних явищ можуть мати однакову математичну форму законів, то по відомим рішенням завдань в одній області можна отримати рішення задач в інший.
Спільність і взаємозв'язок явищ природи виявляється, зокрема, в тому, що різнорідні за своєю природою явища описуються аналогічними математичними рівняннями (згадаємо диференціальні рівняння, що описують різні за своєю природою коливальні процеси). Але аналогичность математичного опису не означає тотожності природи явищ. І Максвелл це добре розуміє, вказуючи неодноразово, що рідина, якою він уподібнює електромагнітне поле, не тотожна з тим, що собою насправді являє електромагнітне поле. Аналогія з рідиною є лише евристичний ілюстративний прийом, але не більше.
Надалі Максвелл висуває різні механічні моделі електромагнітного поля, часто вельми химерні і незвичайні (часом навіть представляючи поле в вигляді системи, подібної зчепленим зубчастих коліс). Прагнення Максвелла наочно уявити поле у вигляді механічного способу цілком зрозуміло. Це безумовна данина пануючому тоді механицизму, освячена традицією класичної фізики, для якої зрозуміти - значить наочно уявити. Крім того, спроби такого роду пов'язані також ще з однією важливою рисою стилю мислення Максвелла - постійним прагненням за математичним описом бачити природу, надавати фізичний зміст будь-якого рівняння фізики. Максвелл говорив напівжартома, що кожен фізик добре зробить, якщо перед тим, як напише слово "маса" або символ "m", власноруч підвісить гирю на мотузці і штовхне її, щоб переконатися в її інертності.
Надзвичайно характерно також і те, що Максвелл не дотримався будь-якої єдиної моделі поля, а заміняв у міру роботи над теорією одну модель інший. Моделі йому допомагали знайти рівняння поля; він вважав, що вони допоможуть і тим, хто буде читати його роботи. Це неоднозначність моделей, відсутність у Максвелла прихильності до однієї моделі свідчать про надзвичайну гнучкості розуму, чужого консерватизму і догматизму, і пояснюють те найдивовижніше явище, що Максвелл писав рівняння стосовно тієї чи іншої моделі, вірячи в існування ефіру. Сучасна фізика відкинула всі ці моделі, відкинула гіпотезу ефіру, а рівняння збереглися нетлінними і описують електромагнітне поле в його сучасному розумінні.
І ще про один метод, який використовував Максвелл, - методі математичної гіпотези. За Максвеллові, електричний струм в провіднику створює магнітне поле, що
Максвелл виражає у вигляді рівнянь rot H = 4 pj, тобто "Джерело" магнітного поля - рухомі в провіднику заряди. А в діелектрику немає руху зарядів, але можливе існування змінюється електричного поля, пов'язаного, як він вважав, зі зміщенням ефіру в діелектрику. Максвелл передбачає, що ця зміна електричного поля ( "ток зміщення") породжує теж магнітне поле, як і струм провідності (що таке струм, в той час не знали). Цю гіпотезу він висловлює математично, додаючи в рівняння член, що характеризує швидкість зміни електричного поля, яке, таким чином, як і рухомі заряди, стає "джерелом" магнітного поля. Якщо на думку про виникнення електричного поля за рахунок зміни магнітного поля наштовхувало явище електромагнітної індукції, то гіпотеза про токах зміщення не підказувати був ніякими фактами і була, мабуть, плодом інтуїції Максвелла.
І на завершення кілька слів про особу Максвелла. Максвелл - виходець із заможної родини, представник знатного і старовинного шотландського роду Клерків.
В Единбурзі Максвелл закінчує школу і університет, а потім продовжив освіту в Кембриджі. Після закінчення навчання він викладає фізику в шотландському університеті в Абердіні, а потім в Королівському коледжі в Лондоні. Кілька плідних для роботи років він проводить у своєму маєтку в Гленлере, після чого стає першим директором Кавендішської лабораторії в Кембриджі, побудованої і обладнаної за його безпосередньої участі. Цю лабораторію очолювали згодом Релей, Д. Томсон, Е. Резенфорд, У. Брегг.
Область наукових інтересів Максвелла надзвичайно широка. Крім робіт з електромагнетизму, він виконує фундаментальні дослідження з теорії кольорів і колірному зору, стійкості кілець Сатурна і по кінетичної теорії газів.
Максвелл відрізнявся великою простотою, м'якістю, щирістю в спілкуванні з людьми, ніколи не виявляв уразливості і себелюбства, не прагнув до слави, спокійно приймав критику на свою адресу, цінував і любив гумор. Самовладання і витримка були завжди його супутниками і не покинули його тоді, коли він тяжко захворів і відчував нестерпний біль. Він мужньо зустрів слова лікаря про те, що йому залишилося жити навряд чи більше місяця. Лікар пише: "Під час хвороби, віч-на-віч зі смертю він залишався таким же, як раніше. Спокій духу ніколи не покидало його. Через кілька днів після повернення в Кембридж його страждання прийняли дуже серйозний характер. Але він ніколи не скаржився. Навіть близькість смерті не позбавила його самовладання. Його розум залишався ясним до кінця. Ніхто з моїх пацієнтів не усвідомлював так тверезо свою приреченість і не зустрічав смерті спокійніше ". 5 листопада 1879 в віці сорока восьми років він помер.
Теорії Максвелла ще належало затвердити себе. Спочатку її мало хто розумів. Навіть Больцман вважав її "таємницею за сімома печатками" і як епіграф до курсу лекцій з теорії Максвелла взяв фразу з "Фауста": "Я повинен піт важкий лити, щоб пояснити вам те, чого я сам не розумію". Затвердження теорії приходить тоді, коли її висновки отримують експериментальне підтвердження, а його не було аж до 1887 року, коли Герц експериментально отримав електромагнітні хвилі.
7. Затвердження теорії Максвелла.
Генріх Герц (1857-1894) вже в ранні роки виявив блискучі здібності в найрізноманітніших галузях знань. Він з однаковим інтересом і успіхом вивчав і фізику, і арабську мову; до того ж мав хороші ремісничі навички, так що, коли Герц став знаменитим ученим, майстер, що вчив його токарному справі, з жалем сказав, дізнавшись про наукову славу свого учня: "Шкода, з нього міг би вийти чудовий токар!" Але він в протягом всього свого життя був надзвичайно скромний в оцінці своїх здібностей і досягнень і спочатку навіть вважав, що заняття наукою - не його доля і в кращому випадку він може стати інженером. Однак інтерес до науки бере свій, і вже будучи студентом вищої технічної школи, він змінює своє рішення. Він надходить в Берлінський університет, і з тих пір його науковим керівником стає Г. Гельмгольц, один з найвидатніших фізиків того часу. Закінчивши університет з відзнакою, Герц працює в різних навчальних закладах Німеччини.
То були роки, коли теорія Максвелла ще не знайшла беззастережного визнання серед фізиків і багато віддавали перевагу (особливо в Німеччині) теоріям, побудованим в дусі дальнодействия - теоріям Вебера, Неймана і самого Гельмгольца, який створив теорію, яка була компроміс між близкодействии Максвелла і дальнодействия Вебера. В результаті існування різноманітних теорій "область електродинаміки, - за словами Гельмгольца, - перетворилася на той час в бездорожную пустелю". Теорії Максвелла явно не вистачало експериментального підтвердження. Лише один її висновок узгоджувався з досвідом. За Максвеллові, показник заломлення для діелектриків n = Ö e. Больцман підтвердив це. Але цього було, звичайно, недостатньо, щоб зробити впевнений вибір між теоріями, тим більше що для дії замкнутих струмів обидві теорії приводили до однакових результатів і різні висновки виходили лише для дії на діелектрик струмів в незамкнутих ланцюгах. У незамкнутих ланцюгах, як уже було відомо, можна порушити електромагнітні коливання, і Гельмгольц запропонував Герцу вивчити дію цих коливань на діелектрик. За Максвеллові, в ньому повинен виникнути "ток зміщення", тобто коливання електричного поля, що породжують так само, як і в провідниках, магнітне поле.
Струм зміщення - це щось принципово нове, що перш за все відрізняло теорію Максвелла від інших теорій. Герц правильно зауважив, що ефект магнітного дії струму зміщення може бути суттєвим лише при високих частотах коливань в контурі, які ще не вміли порушувати в той час. Тому Герц відмовляється виконати це дослідження і лише через кілька років повертається до задачі Гельмгольца. "Справою мого честолюбства, - писав Герц пізніше, - залишалося все ж знайти рішення заданої завдання будь-яким новим шляхом". І протягом ряду років Герц наполегливо продовжував думати над шляхами її вирішення, проявляючи винахідливість в області конструювання експериментальних установок.
З 1887 р Герц починає ставити свої чудові досліди. Перш за все він знаходить спосіб генерування самих високочастотних в той час коливань, використовуючи відкритий коливальний контур - вібратор Герца. Володіючи малою ємністю і індуктивністю, вібратор дійсно дозволяв отримувати коливання високої частоти, що виникають при проскакування іскор в розрядному проміжку диполя. Поруч з цим генератором знаходився незамкнений виток. Герц виявив, що в момент розряду в генераторі відбувається проскакування іскри і між незамкнутими кінцями витка, розташованого недалеко від генератора. Вже сама по собі це було надзвичайне явище - передача електродинамічного дії на відстань. Це були перші в світі передавач і приймач. А
з В d
ab
Схема досвіду Герца
Продовжуючи досліди, Герц виявив, що іскра в другому контурі має максимальну інтенсивність, якщо контури налаштовані в резонанс, т.е. мають однакові власні частоти коливань. Такий ще один найважливіший крок, зроблений Герцем в дослідженні електромагнітних хвиль, або, як казав сам Герц, "електричних променів" (він не відразу зрозумів, що отримав передбачені Максвеллом хвилі). Герц видозмінив приймальний контур і врешті-решт надав йому вигляд, який тепер називається диполем Герца, - це прямий провід з іскровим проміжком посередині.
Герц розташував близько вібратора спочатку металевий лист, а потім паралелепіпед з діелектрика і виявив, що іскра в резонаторі тепер проскакує при більшому зазорі іскрового проміжку. Це він пояснив тим, що в провіднику під дією коливань вібратора виникають струми провідності, а в діелектрику - струми зміщення, які і показують електромагнітний вплив на резонатор. Це підтвердження про еквівалентність струмів зміщення і провідності.
Герц видаляв резонатор від вібратора - іскровий розряд в резонаторі відбувався і при відстанях близько півтора метрів, а потім виявлявся і на великих відстанях. Особливо вразило Герца наявність помітного дії на великих відстанях. До тих пір звикли вважати, що електричні сили зменшуються за законом зворотного квадрата і, отже, зі збільшенням відстані швидко стають непомітними. Герц же відкрив поле, відбрунькувалася від джерела, напруженість якого спадала поблизу випромінює джерела пропорційно першої, а не другого ступеня відстані.
Продовжуючи дослідження, Герц при видаленні резонатора від вібратора виявив, що у великому приміщенні зі збільшенням відстані розмір іскор не убуває монотонно, а періодично змінюється. Він справедливо пояснив це тим, що відбувається інтерференція прямий хвилі і відбитої від стіни, в результаті чого утворюється стояча хвиля, в пучностях якої іскра максимальна. Цей досвід найбільш переконливо доводив, що електромагнітні хвилі, передбачені Максвеллом, дійсно існують.
За Максвеллові, світло - це електромагнітні хвилі, отже, їм повинні бути притаманні ті ж явища, що і світла. І Герц ставить досліди з метою перевірки тотожності світлових і електромагнітних хвиль. Майже відразу він виявляє "тінь" - непрозорість металевих листів для "електричних променів", але не спостерігає огибания. "Не без подиву спостерігав я іскри в закритій кімнаті", - пише Герц про досліди, в яких генератор і приймач перебували в сусідніх приміщеннях. Значить, діелектрики "прозорі" для хвиль. Але вони повинні викликати переломлення. І Герц виявляє явище заломлення хвиль в асфальтової призмі вагою більш ніж в тонну, причому відхилення відповідає тому, яке має бути по Максвеллові. Наступні досліди показують існування відбиття хвиль, а потім і їх поляризацію.
Герц ставить досліди між генератором і приймачем грати з паралельних дротів, від орієнтації якої змінюється інтенсивність іскри в приймальнику (подібно до того, як аналогічний ефект виявляється в демонстраційних дослідах з генератором сантиметрових хвиль). Знаючи період коливань вібратора і вимірюючи довжину хвилі, Герц обчислює швидкість поширення електромагнітних хвиль; вона виявляється рівною швидкості світла. "Мені видається цілком ймовірним, що описані досліди доводять ідентичність світла, теплових променів і електродинамічного хвильового руху", - писав Герц. І врешті-решт він стверджує: "Метою цих дослідів була перевірка основних гіпотез теорії Фарадея-Максвелла, а результат дослідів є підтвердження основних гіпотез цієї теорії". І в іншому місці: "Всі ці досліди дуже прості в принципі, але тим не менше вони тягнуть за собою найважливіші слідства. Вони руйнують будь-яку теорію, яка вважає, що електричні сили перестрибують простір миттєво. Вони означають блискучу перемогу теорії Максвелла ". Так поле, цей гіпотетичний об'єкт теорії Максвелла, перетворилося в фізичну реальність. В реальності поля після дослідів Герца 1887-1888 рр. більше сумніватися не доводилося.
Герц надав рівнянням Максвелла сучасний вигляд, переконливо довівши своєю творчістю справедливість його оцінки Гельмгольцом: "Він однаково здатний як до оволодіння абстрактними математичними теоріями, так і до вирішення випливають питань експериментального порядку з великою спритністю і великою винахідливістю в тому, що стосується методів".
"Генріх Герц забезпечив собі своїми відкриттями довгу славу в науці. Але пам'ять про нього буде жити не тільки завдяки його роботам, але і завдяки його особистим достоїнств: його постійної скромності, радісною готовності визнати чужі заслуги, незмірну подяки, яку він зберіг по відношенню до вчителів ... Він сам прагнув тільки істини, якої він слідував дуже поважно і з повною віддачею сил. Ніколи не було в його душі і тіні марнославства або особистого інтересу. Навіть там, де він мав безперечне право скористатися відкриттями, він був схильний мовчки відійти в сторону ".
Досліди Герца затвердили теорію Максвелла в середовищі вчених. Але кращими доказами істинності теорії були не тільки досвідчені факти, а й практичне втілення наукових ідей.
Не минуло й десятка років з дня дослідів Герца, як відкриті їм експериментально електромагнітні хвилі почали застосовуватися на практиці. Цікаво, що сам Герц не міг собі уявити практично багато важать відкритих їм радіохвиль і навіть написав в дрезденську палату комерції лист про те, що дослідження радіохвиль треба заборонити як марне. Те, що не вдалося зрозуміти Герцу, з усією повнотою оцінив А.С. Попов, вперше в світі застосував електромагнітні хвилі для радіозв'язку і тим самим заснував сучасну радіофізику.
А.С. Попов (1859-1906), син священика, що не задовольнившись освітою, отриманим в духовному училищі, надходить вчитися на фізико-математичний факультет Петербурзького університету. Після закінчення університету А.С. Попов працює викладачем електротехніки мінного офіцерського класу в Кронштадті, потім викладає фізику, а в кінці життя стає директором Петербурзького електротехнічного інституту.
Отримавши повідомлення про досліди Герца, А.С. Попов відразу ж відтворює їх і здогадується про можливість практичного використання електромагнітних хвиль. Дізнавшись про відкриття Лоджем зміни опору металевих тирси під дією електромагнітних хвиль (когерера), А.С. Попов створює свій знаменитий "грозоотметчик" - приймає радіохвилі, вперше використовуючи для збільшення чутливості приймача антену.
7 травня 1895 р А.С. Попов робить доповідь на засіданні Російського фізико-хімічного товариства про свій винахід, трохи пізніше виходить його публікація в журналі. В кінці своєї статті А.С. Попов пише: "Мій прилад при подальшому удосконаленні його може бути застосований до передачі сигналів на відстані за допомогою швидких електричних коливань, як тільки буде знайдено джерело таких коливань, що володіють достатньою енергією". Приймач першої конструкції, продемонстрований 7 травня, брав випромінюються вібратором Герца радіохвилі на відстані 60 м. 24 березня 1896 року на засіданні фізико-хімічного товариства А.С. Попов здійснює першу в світі радіопередачу і прийом осмисленого тексту на відстані 250 м. У 1897 р апаратура Попова вже використовувалася в рятувальних роботах зі зняття судна, що сіло на камені корабля і під час рятування рибалок, що опинилися в Фінській затоці на крижині, що відірвалася від берега.
Таким чином, є всі підстави стверджувати, що радіо - це дітище генія російської людини.
1905 рік - останній рік в житті А.С. Попова. Це був важкий для нього час, коли студенти ввіреного йому електротехнічного інституту у відповідь на розстріл робітників на барикадах Красної Пресні і інші репресії царського уряду відкрито виступили на боці прогресивних сил. Його неодноразово запрошують до градоначальника Петербурга і до царського міністра Дурново, вимагаючи навести порядок в інституті. Він відмовляється виконати вимогу ввести в інститут поліцію та впровадити таємних агентів. Міністр у люті, але А.С. Попов йде з кабінету міністра, не відступивши від своїх переконань. Додому він повернувся в важкому стані. Донька Олександра Степановича згадує: "Навіть ми, діти, помітили щось недобре. Він був блідий, губи його тремтіли ". Через день, коли Петербург готувався зустріти новий рік, за
кілька годин до 1906 р А.С. Попов вмирає від крововиливу в мозок. Прогресивна громадськість смерть А.С. Попова оцінила як нову жертву "сучасних нестерпно важких умов в Росії".
Відкриття А.С. Попова разом з дослідами Герца стало найпереконливішим доказом того, що передбачене в роботах Фарадея і Максвелла електромагнітне поле є суб'єктивна реальність, а не гіпотетичний об'єкт. Як же можна не вірити в існування того, що людина не тільки відтворив в експерименті, але і поставив собі на службу!
8. Висновок
Так після тривалої боротьби теорія близкодействия здобула остаточну перемогу. Електромагнітне поле виявляє себе як щось реально існуюче, це особлива форма матерії, що здійснює взаємодію між зарядженими частинками, яка існує незалежно від наших уявлень про нього. Доказом його реальності є і кінцева швидкість поширення електромагнітних взаємодій.
Список використаної літератури:
Дягілєв Ф.М. З історії фізики і життя її творців: Кн. Для учнів. - М .: Просвещение, 1986. - 255с., Мул.
Кабардин О.Ф. Фізика: Справ. Матеріали: Учеб. Посібник для учнів. - 3-е изд. - М .: Просвещение, 1991. - 367с .: іл.
Мілковская Л.Б. Повторимо фізику. Видавництво "Вища школа"
Збірник завдань з фізики: Для 9 - 11 кл. загальноосвіт. установ / Упоряд. Г.Н. Степанова. - 2-е вид. - М .: Просвещение, 1996ю - 256с. мул.
Фізика: Навчальний посібник для вступників до вузів /
Овчинников В.А., Валішев М.Г. Єкатеринбург: Изд-во УМЦ УПІ,
1999. - 192с.
|