Вход

Возникновение и развитие идеи электромагнитного поля

Реферат по физике
Дата добавления: 20 апреля 2003
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 535 кб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
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.
© Рефератбанк, 2002 - 2017