close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

3147.Лекция 3 Электромагнитная картина мира

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1
Дисциплина
«Концепции современного естествознания»
Лекция 3 - Электромагнитная картина мира
Автор – д.в.н., профессор
Дудь Александр Петрович
Электрические и магнитные явления были известны человечеству с древности.
Античность. Открытие электрических явлений легенда приписывает Фалесу.
Еще в те времена в окрестностях древнегреческого города Магнезия люди находили на
берегу моря камешки, притягивавшие легкие железные предметы. По имени этого
города их назвали магнитами.
Фалес же находил и другие, не менее таинственные камешки, к тому же красивые
и легкие. Эти привлекательные дары моря не притягивали, как магниты, железных
предметов, но обладали не менее любопытным свойством: если их натирали
шерстяной тряпочкой, то к ним прилипали пушинки, легкие кусочки дерева, травы.
Такие камешки, выбрасываемые приливами и волнами морей, мы сейчас называем
янтарем. Древние же греки янтарь называли «электроном». Отсюда и образовалось
слово «электричество».
Считается, что греческий философ Фалес Милетский первым изучал странное
притяжение магнитным железняком обычного железа. Это происходило около 600 года до
н. э., и прошли века, прежде чем магнетизм нашел практическое применение в виде
магнитного компаса. С магнитом издавна связано немало легенд.
Фалес Милетский наделял магнит душой. Платон сравнивал его с поэтом.
Орфей находил его подобным жениху. В эпоху Возрождения его считали
отображением неба и приписывали ему способность искривлять пространство.
Японцы считали, что магнит - это сила, которая поможет повернуть к вам
фортуну.
А Галилей думал, что Земля вертится оттого, что похожа на магнит.
Уже много веков тому назад люди посвящали жизнь на изучение магнита, и
несмотря на это еще много фактов остаются покрытыми загадочными тайными…
Свойство свободного магнита устанавливаться в направлении «Север-Юг» уже во
II в. до н.э. использовалось в Древнем Китае во время путешествий.
Первое же в Европе опытное исследование магнита было проведено во Франции в
13 в. В результате было установлено наличие у магнита двух полюсов.
На протяжении многих столетий никто не мог разгадать тайну, почему кусок
природного магнитного железняка (если он мог свободно перемещаться) всегда указывал
одно и то же направление.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2
В 1600 г. Гильбертом была выдвинута гипотеза о том, что Земля представляет
собой большой магнит: эти и обусловлена возможность определения направления с
помощью компаса.
Все магниты такого рода имеют одну общую черту: их намагниченность
сконцентрирована на двух участках, которые называются северный и южный полюсы
магнита. Они получили такое название в связи с тем, что, когда магнит может свободно
вращаться (в подвешенном или плавучем состоянии), эти части магнита поворачиваются в
направлении Северного и Южного полюсов Земли, которая сама по себе является
гигантским магнитом. В этом заключается принцип действия магнитного компаса. Оба
полюса магнита притягивают не намагниченное железо. Но если приблизить два магнита,
северный полюс одного из них будет притягивать южный полюс другого. Другими
словами, разноименные полюса притягиваются. И наоборот - два северных полюса будут
отталкивать друг друга так же, как и два южных. Поэтому говорят, что одноименные
полюса взаимно отталкиваются. В таком случае, однако, может показаться странным, что
северный полюс магнита склонен поворачиваться в сторону Северного полюса Земли. Это
происходит потому, что магнитный север (магнитный полюс вблизи области, которую мы
называем Северным полюсом) фактически является южным магнитным полюсом.
В те времена, когда алхимия начала сдавать свои позиции под натиском научных
воззрений, внезапно появилось новое заблуждение, основанное на непонимании или
недооценке силы внушения и нашедшее поборников в лице алхимиков, многие из
которых, оставив былые устремления, заделалось магнетизерами. Именно тогда
появилось учение о минеральном, а затем о животном магнетизме (учение о
флюидах). Приверженцы минерального магнетизма заслуживают внимания, прежде
всего, как достойные предшественники сегодняшних шарлатанов.
Известный алхимик и врач Филипп фон Гогенхейм (1493–1541), более известный
как Парацельс, был искренне убежден в том, что магнит — это философский камень,
который может облегчать людские страдания и останавливать старение, лечить от
эпилепсии, истерии и спазматических заболеваний. Парацельс хвалился способностью
«пересаживать» болезнь из человеческого тела в землю посредством магнита.
Сторонники магнетической доктрины расширяли сферу применения магнитов в
лечебных целях, пускаясь с разнообразные по своей абсурдности рассуждения. Так
алхимики утверждали, что раны, нанесенные любым металлическим предметом,
можно лечить магнитом.
В 1784 году по приказу короля Франции Людовика ХVI было проведено исследование по
изучению животного магнетизма. Его проводили Бенджамин Франклин (1706–1790), американский
ученый и политический деятель, и Антуан Лавуазье (743–1794), выдающийся французский химик и
один из создателей современной химии.
Они решили на практике проверить, насколько верны утверждения немецкого врача Франца
Антона Месмера, первооткрывателя «животного магнетизма». Месмер утверждал, что подобно тому,
как невидимая сила притягивает железную стружку к куску руды, так и неведомая мощь животного
магнетизма пронизывает живые существа. Экспериментаторы пытались намагнитить самих себя.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3
Ничего не получилось. Для проверки нуль-гипотезы (магнетизм — плод воображения) исследователи
внушали подопытным, что они подверглись воздействию животного магнетизма. Результаты
однозначны — действует сила убеждения.
В другом эксперименте (всего их было 16) Франклин заставил представителя Месмера
намагнитить дерево в саду, которое, по идее, должно так сильно воздействовать на человека, что он
может даже потерять сознание. Несчастный обнимал деревья до тех пор, пока не свалился в
изнеможении у четвертого, а «намагниченным» было пятое. Одна женщина утверждала, что может
определять «намагниченную» воду. Лавуазье наполнил несколько чашек, «намагнитив» лишь одну.
Выпив обычную воду, она торжественно заявила, что ей гораздо лучше. Комиссия заключила, что
доказательств существования флюидов «животного магнетизма» нет. Групповые опыты доказали,
что чудесные исцеления — плод воображения.
Но традиции средневековых врачевателей живы и поныне. Сегодня пользуется успехом
убеждение в целебных свойствах магнитного поля. Представители альтернативной медицины
утверждают, что магнитотерапия ускоряет процесс восстановления костей при переломах, уменьшает
боль и т.п. А на самом деле как обстоят дела? Можно сказать — отлично! Не смотря на то, что спецы
по магнитотерапии никогда не пытались доказать научными методами свои технологии врачевания, а
действовали всегда силой убеждения, производство магнитных браслетов, обручей, обувных стелек,
поясов, подтяжек, матрацев и прочих магнитных аксессуаров по-прежнему возрастает, а рекламисты
продолжают информировать доверчивых обывателей о чудодейственных возможностях этих
изделий. И в результате доход индустрии магнитотерапии в наши дни составляет порядка 150
миллиардов долларов ежегодно. Возможно, так проявляется свойство магнита притягивать… деньги.
Кроме изучения магнетизма осуществлялись
электрических явлений.
История исследований электричества
исследования,
касающиеся
Термин «электричество» введѐн английским естествоиспытателем, Уильямом Гилбертом в его
сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» (1600 год), в котором
объясняется действие магнитного компаса и описываются некоторые опыты с наэлектризованными
телами. Он установил, что свойством наэлектризовываться обладают и другие вещества. Название
«электричество» происходит от др.-греч. ἤλεκτρον — «янтарь»..
В середине XVII века Отто фон Герике разработал электростатическую машину трения. Кроме
того, им было обнаружено свойство электрического отталкивания однополярно заряженных
предметов.
В 1729 г. английский учѐный Стивен Грей обнаружил разделение тел на проводники
электрического тока и изоляторы.
Его коллега Роберт Симмер, наблюдая за электризацией своих шѐлковых чулок, пришѐл к
выводу, что электрические явления обусловлены тем, что электричество представлено двумя
взаимодополняющими субстанциями, свойства которых стали обозначать понятием «заряд»,
различая положительный и отрицательный заряд тел. Данные субстанции разделяются при трении
тел друг о друга, что и вызывает электризацию этих тел, то есть электризация — это накопление на
теле заряда одного типа, причѐм заряды одного знака отталкиваются, а заряды разного знака
притягиваются друг к другу и компенсируются при соединении, делая тело нейтральным
(незаряженным).
Пытаясь разобраться в своих наблюдениях, Р. Симмер выдвинул гипотезу о
существовании в порах тел природы двух невесомых типов электрических частиц,
заряженных разноименно, но нейтрализующих одна другую. Наэлектризованным тело
становится тогда, когда в нем имеется только один вид электрического флюида или по
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4
крайней мере избыток одного вида частиц. Гипотеза получила название
дуалистической (от латинского дуалис – двойственный), а ее автор – прозвище
«разутого философа».
Симмер сделал заключение о том, что в обычном состоянии любое тело содержит
равное количество разноименных зарядов, взаимно нейтрализующих друг друга. При
электризации происходит их перераспределение.
К тем же выводам пришѐл в Шарль Дюфе. Он установил, что существует два рода зарядов.
Опыты, проведѐнные Дюфе, говорили, что один из зарядов образуется при трении стекла о шѐлк, а
другой — при трении смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным».
В 1745 г. был создан первый электрический конденсатор — Лейденская банка. Он был
изобретен голландским учѐным Питером ван Мушенбруком и его учеником Кюнеусом в Лейдене.
Параллельно и независимо от них сходный аппарат, под названием «медицинская банка» изобрѐл
немецкий учѐный Клейст.
Существует много версий того, как возникла «мушенброкова машина» (такое название дал
М.В.Ломоносов . Вот одна из них: «Немецкий каноник Эвальд Юрген фон Клейст, пытаясь, повидимому, изготовить себе электризованную воду, которая считалась полезной для здоровья, и
независимо от него лейденский физик Мушенбрук, продев в горлышко банки с водой гвоздь,
дотронулись им до проводников электрической машины; затем, прервав контакт, они притронулись
другой рукой к гвоздю и испытали очень сильный удар, вызвавший онемение руки и плеча, а у
Мушенбрука даже ―все тело содрогнулось, как от молнии‖» (рис.).
Опыт Мушенбрука
Изобретение лейденской банки стимулировало изучение электричества, в частности скорости
его распространения и электропроводящих свойств некоторых материалов. Выяснилось, что металлы
и вода (кроме дистиллированной) — лучшие проводники. Благодаря Лейденской банке удалось
впервые искусственным путѐм получить электрическую искру.
Опыты с лейденской банкой, вызывающие физиологическое действие электричества и
сопровождающееся искровым разрядом, стали повторять очень многие и не только в лабораториях,
но и при дворе, в аристократических гостиных. 700 взявшихся за руки парижских монахов, а в
другой раз 180 солдат при дворе Людовика XV, содрогающихся от электрического разряда
конденсатора, – таковы были первые цепи электрического тока, первые колебательные (в прямом
смысле!) контуры.
Электричество стало модным, что способствовало возбуждению интереса к этой области
явлений. Развитию исследований способствовала надежда на практическое использование
электричества для лечебных целей, а также стремление на основе изучения электричества решать
проблему грозозащиты, поскольку утверждалась мысль об электрическом характере молнии.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5
Понятие о положительном и отрицательном заряде ввѐл (по версии США)
Бенджамин Франклин, который также обнаружил электрическую природу молний
(атмосферное электричество) и изобрѐл молниеотвод.
Первая теоретическая работа с попыткой теоретически объяснить электрические явления, была
написана американским физиком Б. Франклином в 1747 г. Он предположил существование
электрической жидкости (флюида), которая входит в качестве составной части во всякую материю.
Наличие двух видов электричества он связывал с существованием двух типов жидкостей —
«положительной» и «отрицательной». Обнаружив, что при трении друг о друга стекло и шелк
электризуются по-разному, Франклин сделал вывод, что положительные и отрицательные заряды
появляются одновременно и в равных количествах. Теория Франклина предполагала одновременное
существование трех физических сущностей — материи, положительной и отрицательной
электрических жидкостей. Электричество у Франклина существовало независимо от материи.
Именно Франклин первым высказал важнейшее предположение об атомарной, зернистой природе
электричества: «Электрическая материя состоит из частичек, которые должны быть чрезвычайно
мелкими».
По Франклину, электричество – это особая невесомая субстанция (флюид), состоящая из
мельчайших отталкивающихся частиц и содержащаяся во всех телах. Избыток ее означает
положительную электризацию, недостаток – отрицательную. Это представление оказалось очень
плодотворным, так как многое объясняло: одновременную электризацию трущихся тел – переходом
флюида от одного тела другому; проводимость – движением субстанции в проводниках;
конденсацию в лейденской банке – накоплением флюида и т.д.
Вместе с этим возникают теории, в которых фигурируют два рода флюидов –
положительный и отрицательный. Франц Эпинус, долгое время работавший в России,
считал электричество и магнетизм разнородными явлениями (ведь магнит не
притягивает электризованное тело) и ввел в физику понятие об особом магнитном
флюиде. Соответствующие уровню науки того времени теории, основанные на
представлениях об электричестве и магнетизме как особых жидкостях, господствовали
много десятков лет, и в рамках их сформировались многие современные понятия:
―количество электричества‖, ―сохранение заряда‖, ―электроемкость‖ и т.д.
М. В. Ломоносов предположил существование «нечувствительной материи вне
электризованного тела, которая и производит это действие», предугадав тем самым
современное понятие электрического поля.
Лишь М.В. Ломоносов настаивал на единстве электричества, магнетизма и света,
считая, что все эти явления есть процессы, происходящие в эфире. Если Эпинус
развивал ньютоновское представление о дальнодействии, то Ломоносов стоял на
принципах, примыкающих к близкодействию, предвосхищая в своих догадках на 100
лет идеи Максвелла. Высказывания Ломоносова не получили широкой известности, и
даже на родине они не были поняты и оценены.
Напомним, что принцип дальнодействия (вытекающий из работ Ньютона) согласно которому действие передается от тела к телу без участия какой-либо
промежуточной среды, и притом мгновенно.
Итак, в XVIII в. господствовало убеждение, что электричество и магнетизм – это
особые материальные субстанции; взаимосвязь электричества и магнетизма
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6
отрицалась; проблема передачи действия решалась в духе дальнодействия.
Таким образом, к XVIII в. оформляются две точки зрения на проблему
взаимодействия. Одна основана на принципе дальнодействия, другая – на принципе
близкодействия. Влияние взглядов Ньютона на последующее развитие физики было
столь велико, что и учение 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 вплоть до эпохи Фарадея – Максвелла.
Позиции дальнодействия укрепляются еще больше после открытия закона
взаимодействия зарядов. Изучая проблемы кручения нитей, французский ученый
Шарль Кулон (1736-1806) обнаруживает, что угол закручивания нити
пропорционален моменту приложенных сил, и это наталкивает его на создание
точнейших крутильных весов (с чувствительностью 10-7 г/град) для измерения сил по
углу закручивания. С помощью этих весов он устанавливает закон взаимодействия
зарядов и магнитных полюсов, характеризуемых так называемыми ―магнитными
массами‖ m. Открытые им законы поражали тем, что повторяли ―по форме‖ закон
тяготения Ньютона
где q1 и q2 электрические заряды, r — расстояние между ними, F — сила взаимодействия между
зарядами, k — коэффициент пропорциональности. Это открытие поставило науку об электричестве в
ранг точных дисциплин, в которых можно применять математические методы.
Начался XIX в., а понятия поля в физике еще не существовало и не только из-за
господства дальнодействия, но и из-за незнания связи электричества и магнетизма. О
связи между этими явлениями не знали потому, что изучали фактически области
электро- и магнитостатики, а ведь электромагнетизм 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 существовало источника
постоянного длительного тока – конденсатор же давал лишь кратковременный разряд.
Начало изучения постоянного электрического тока связано с именами двух
итальянских ученых – Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта.
В 1780-91 гг. Луиджи Гальвани открыл биологические эффекты электричества.
Хирург- анатом по профессии. Случилось так, что при препарировании лягушек в
его лаборатории кто-то привел в действие электрическую машину. В момент
проскакивания электрической искры мышцы препарированной лягушки, к которой в
это время прикасались скальпелем, стали сокращаться. Как было не заинтересоваться
этим – может быть электричество оживляет организм?
Гальвани вывешивал препарированные лапки лягушки на открытом воздухе,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7
чтобы проверить, будет ли возникать эффект под действием атмосферного
электричества во время грозы. Мышцы во время грозового разряда сокращались. Но к
удивлению ученого, они сокращались и при ясной погоде. Причина была в том, что
лапки подвешивались на медных крючках к железной ограде и при контакте
разнородных металлов возникала разность потенциалов, вызывающая
раздражение нервов и потому сокращение мышц.
Гальвани же сделал вывод о существовании ―животного электричества‖, считая,
что мышца и нерв есть своеобразная лейденская банка, источник электричества,
замыкаемый проводником.
Теперь о "ложной гипотезе о животном электричестве". Начнем с того, что ко времени
написания трактата Гальвани существование животного электричества было уже не гипотезой, а
фактом: в 1773 году Уолш с помощью Кавендиша окончательно доказал электрическую природу
разрядов электрических рыб. По мнению Гальвани, разряды электрических органов рыб отличаются
от электрических сокращений мышц лягушек только количественно, но не качественно. Весь мир
пронизан электричеством, в каждой лягушачьей лапке, в каждом живом органе текут слабые
гальванические токи, вызывающие поразительные физиологические эффекты. Представлялась более
чем очевидной гипотеза о том, что мозг экстрагирует электрический флюид из крови, а легкие
всасывают электричество из атмосферы (не зря в грозу так легко дышится). Тонкая электрическая
жидкость, неразличимая ни в какие микроскопы, распространяется по нервам, питает все члены и
обеспечивает функционирование всех чувств. Если научиться отворять и затворять электричество,
как кровь, заменять тухлое электричество свежим, то в медицине состоится большой скачок.
Казалось бы, опыты Гальвани убедительно подтверждали такую упрощенную схему. Главным
становился вопрос о том, где брать свежее электричество.
Было модным в те времена лечиться электроразрядом. Для этого применялись электрические
рыбы. Но было не совсем удобно врачу к больному нести живую рыбу.
Открытие Гальвани вызвало бурю страстей, сравнимую, по свидетельству
современников, лишь с бурей, вызванной французской революцией. И не мудрено:
если ―оживают‖ ткани лягушек, так, может быть, можно воскрешать электричеством
мертвых?
От искушения повторить опыты Гальвани не устоял и сорока шестилетний
профессор Алессандро Вольта (1745-1827), известный к этому времени ученый,
изобретатель электрофора, талантливейший лектор, в аудиторию которого собирались
не только со всей Италии, но и из других европейских стран.
В 30 лет он уже знаменит, он изобрел электрофор – прибор для опытов со статическим
электричеством (в том и только в том смысле изобрел, в каком это можно говорить в науке. Вольта,
например, прямо указывал, что многим в этом изобретении он обязан русскому академику Эпинусу).
Прибор Вольта был очень прост – он состоял из сургучной подушки, металлического диска со
стеклянной ручкой, собственного пальца и... кошки (или кошачьей шкуры, однако кошка
предпочтительнее, потому что для хорошей электризации шерсть должна быть теплой). Принцип
действия электрофора, по сути дела, тот же, что и у современных школьных электрофорных машин,
и состоит в том, что заряд, сообщенный сургучу при трении его кошкой, может быть увеличен в
произвольное число раз при повторении цикла опускания металлической плиты на сургуч и
отведения ее назад. При этом палец экспериментатора служит тем мостиком, по которому из диска
убегает при каждом цикле очередная порция зарядов «ненужного» противоположного знака.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8
Профессору попадается на глаза только что вышедший трактат Гальвани «Об
электрических силах в мускуле». Трактат потрясает его. Потрясают Вольта и слухи об
опытах над мертвыми животными и людьми, проводимые Гальвани и его
последователями. Он перечитывает трактат и находит в нем то, что ускользнуло от
внимания самого автора, – упоминание о том, что эффект содрогания лапок
наблюдался лишь тогда, когда лапок касались двумя различными металлами.
Вольта решает поставить видоизмененный опыт, но не на лягушке, а на самом
себе. «Признаюсь, – писал он, – я с неверием и очень малой надеждой на успех приступил к первым
опытам: такими невероятными казались они мне, такими далекими от всего, что нам доселе известно
было об электричестве... Ныне я обратился, сам был очевидцем, сам производил чудное действие и
от неверия перешел, может быть, к фанатизму!»
Теперь Вольта можно было увидеть за странным занятием: он брал две монеты –
обязательно из разных металлов и... клал их себе в рот – одну на язык, другую – под
язык. Если после этого монеты или кружочки Вольта соединял проволочкой, он
чувствовал солоноватый вкус, тот самый вкус, но гораздо слабее, что мы можем
чувствовать, лизнув одновременно два контакта батарейки. Из опытов, проведенных
раньше с машиной Герике и электрофором, Вольта знал, что такой вкус вызывается
электричеством.
В результате ряда опытов Вольта убедился в том, что ткани организма не
источник, а индикатор электричества, возникающего при контакте разнородных
металлов. Так была открыта контактная разность потенциалов.
Открыв контактное электричество, Вольта создает к 1800 г. первый источник
постоянного тока – ―вольтов столб‖, состоящий из стопы чередующихся цинковых и
серебряных кружков, разделенных картонками, смоченными соленой водой.
Присоединив к верхнему и нижнему концам столба проводнички и взяв их в рот, Вольта
убедился, что его источник, в противовес машине Герике и электрофору, действует не одно краткое
мгновение разряда статического электричества, а постоянно.
Сразу вслед за этим Вольта сделал еще одно изобретение – он изобрел
электрическую батарею, пышно названную «короной сосудов» и состоявшую из
многих последовательно соединенных цинковых и медных пластин, опущенных
попарно в сосуды с разбавленной кислотой, – уже довольно солидный источник
электрической энергии. Солидный, конечно, по тем временам: сейчас с помощью
«короны сосудов» можно было бы привести в действие разве что электрический
звонок.
Между медной и цинковой пластинками, согласно гипотезе об электрической
жидкости, должна возникнуть разность потенциалов, которая в случае двух заряженных тел,
соединенных проволокой, быстро исчезает, а в батарее продолжает сохраняться. Это заставило
Вольту предположить, что пластинки «поставляют неограниченный заряд или производят
непрерывное действие, или импульс электрической жидкости». Обратите внимание, Вольта
еще рассматривает электричество как жидкость. Он не раскрывает и не анализирует причину
возникновения разности потенциалов на пластинках в результате возникновения химических
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9
процессов в растворе, а тем самым не рассматривает его как процесс превращения
химической энергии в электрическую.
По предложению Вольта получаемое таким образом, электричество называют
гальваническим (в дань уважения к тому, чьи опыты натолкнули Вольта на открытия).
Эти открытия приносят Вольта необычайную славу. Наполеон приглашает его в
Париж, где его осыпают почестями и наградами, избирают членом сената.
В Парижской академии наук организовали специальную комиссию по изучению гальванизма. В
нее вошли самые известные ученые. Они соорудили по описаниям вольтов столб и повторили все
эксперименты итальянского исследователя перед его приездом. Погрузив один из концов
"электродвигательного прибора" в воду и присоединив к другому его концу металлическую
проволоку, академики засовывали руку в чашку с водой и одновременно прикладывали второй
электрод к языку, к веку, к кончику носа или на лоб. В момент замыкания цепи следовал такой удар,
что некоторые чуть не лишались языка. Но... наука требует жертв. Ощущения были настолько
неожиданными! При наложении проволоки на веко создавалось ощущение вспышки. А когда два
электрода от противоположных полюсов батареи вставляли в уши, в голове раздавался шум... "Это
было нечто вроде треска или лопанья, как если бы кипело какое-то масло или вязкое вещество", писал сам Вольта. Он полагал, что в дальнейшем его прибор сможет послужить медикам для
излечения болезней. Другого применения гальваническому электричеству он не представлял.
Вольта вечен в вольте – единице электрического напряжения.
Создание длительно действующего источника электричества позволило начать
изучение действий постоянного электрического тока. Прежде всего устанавливается
химическое действие (сначала разложение воды на кислород и водород, а затем
выделение из щелочи новых элементов Na и K – Дэви, 1808 г.). Обнаруживается и
тепловое действие (нагревание проводников током, электрическая дуга «вольтова
дуга»), полученная 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, знаменующих появление новой области –
электромагнетизма, и вплотную подводящих физику к понятию поля.
Такие ученые как
Джоуль, Ленц, Ом проводят работы по изучению
электрического тока, и выводят законы, которые известны по настоящее время.
Работы Георг Сиона Ома (1789-1854) по изучению электрического
сопротивления.
Что такое электрическое сопротивление? Проще всего объяснить это по аналогии с
водопроводной трубой. Представьте себе, что вода — некое подобие электрического тока,
образуемого направленным движением электронов в проводнике, а напряжение — аналог давления
(напора) воды. Сопротивление — это та сила противодействия среды их движению, которую
электронам или воде приходится преодолевать, в результате чего производится работа и выделяется
теплота. Именно такая модель представлялась в 1820-е годы Георгу Ому, когда он занялся
исследованием природы происходящего в электрических цепях.
В водопроводной трубе всѐ обстоит так, что чем выше давление воды, тем относительно
большая доля энергии расходуется на преодоление сопротивления в трубах, поскольку в них
усиливается турбулентность потока. Из этого исходил Ом, приступая к опытам по измерению
зависимости силы тока от напряжения. И очень скоро выяснилось, что ничего подобного в
электрических проводниках не происходит: сопротивление вещества электрическому току вовсе не
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10
зависит от приложенного напряжения. В этом, по сути, и заключается закон Ома, который (для
отдельного участка цепи) записывается очень просто:
U = IR
где U — напряжение, приложенное к участку цепи, I — сила тока, а R — электрическое
сопротивление участка цепи.
Сегодня мы понимаем, что электрическая проводимость обусловлена движением свободных
электронов, а сопротивление — столкновением этих электронов с атомами кристаллической
решетки. При каждом таком столкновении часть энергии свободного электрона передается атому,
который, в результате, начинает колебаться более интенсивно, и в результате мы наблюдаем
нагревание проводника под действием электрического тока. Повышение напряжения в цепи никак не
сказывается на доле тепловых потерь такого рода, и соотношение напряжения и электрического тока
остается постоянным.
Однако, когда Георг Ом экспериментально открыл свой закон, атомная теория строения
вещества находилась в зачаточном состоянии, а до открытия электрона оставалось несколько
десятилетий. Таким образом, для него формула U = IR была чисто экспериментальным результатом.
Сегодня мы имеем достаточно стройную и, одновременно, сложную теорию
электропроводности и понимаем, что закон Ома в его первозданном виде — всего лишь грубое
приближение. Однако это не мешает нам с успехом использовать его для расчета самых сложных
электрических цепей, использующихся в промышленности и быту. Единица электрического
сопротивления системы СИ называется Ом в честь этого выдающегося ученого.
Закон Джоуля-Ленца.
Закон в 1831-1842 гг. был получен экспериментально двумя учеными Джоулем и
Ленцем независимо друг от друга.
Определить количественную зависимость между током и выделяемой им
теплотой было невозможно, так как не было ни точных приборов для измерения тока,
ни источника постоянной электродвижущей силы, ни надежного метода измерения
сопротивления. Ленц использовал свои собственные или усовершенствованные им
измерительные приборы. По мнению биографов ученого, его «схема была собрана по
последнему слову техники того времени». Ленц предложил «свои» единицы тока и
напряжения. Он же сконструировал прибор-сосуд для измерения
количества,
выделяемого в проволоке тепла. В сосуд заливался разбавленный спирт, обладающий
значительно меньшей электропроводностью, чем вода, использованная в опытах
Джоуля. Через платиновую проволоку пропускался ток. Ученый провел большую
серию опытов, при которых измерялось время, необходимое для нагревания жидкости
на 100С. В 1842 г. Ленц опубликовал закон, сформулированный в современной
трактовке следующим образом: «Количество теплоты, выделяемое проводником с
током равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и
времени».
Джоуль опубликовал открытый им аналогичный закон в 1841 г. Реакция Ленца
была по-научному корректной. Он подчеркнул, что, хотя его результаты «в основном
совпадают с результатами Джоуля, они свободны от тех обоснованных возражений,
которые вызывают работы Джоуля». Джоуль выполнил значительно меньше
измерений и пользовался прибором, дававшим ряд погрешностей. Поэтому закон о
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
11
тепловом действии тока благодаря исключительной точности и обстоятельности
измерений Ленца вошел в историю науки под названием «закон Джоуля–Ленца».
Изучение электромагнетизма. Эрстед. Ампер.
Исследования ученых в XVIII веке все в большей степени склоняли их к
предположению о том, что существует некая связь между магнетизмом и
электричеством. И все же, несмотря на интересные результаты экспериментов, до
важного открытия путь был неоднозначен. Причину этого следует искать в научных
представлениях, господствующих в те времена.
Все силы понимались только в ньютоновском смысле, т.е. как силы, которые
действуют между материальными частицами в направлении соединяющей их
прямой. Поэтому исследователи старались обнаруживать силы именно этого рода,
создавая приспособления, с помощью которых они надеялись обнаружить
предполагаемое притяжение или отталкивание между магнитным полюсом и
электрическим током, или, как говорили в те времена, между гальваническим и
магнитным флюидами.
В 1808 г. к причалу одного из французских портов едва добрался своим ходом
полуразрушенный молнией военный корабль. На борт его поднялась комиссия, в состав которой
входил Франсуа Араго, блестящий ученый, ставший в 23 года академиком, человек необычайного
темперамента. Араго обратил внимание, что стрелки всех компасов были перемагничены в
результате удара молнии. Подобных фактов к этому времени у Араго накопилось изрядное
количество – он длительное время работал на военных судах (в т.ч. толмачем-переводчиком).
Казалось бы, вывод о связи электричества и магнетизма напрашивается сам
собой, но Араго не сумел его сделать: ведь электрическая природа молнии была не так
давно доказана Франклином и это еще требовало осмысления.
Честь установления связи электричества с магнетизмом принадлежит датскому
ученому Гансу Христиану Эрстеду (1777-1851). Диалектическая идея о взаимосвязи
явлений, воспринятая Эрстедом из философии Гегеля, заставляла его целенаправленно
искать связь между электричеством и магнетизмом. За несколько лет до своего
открытия он пишет: ―Следует испробовать, не производит ли электричество какихлибо действий на магнит‖. Но, видимо, он долго не смог понять, как проверить свою
догадку.
15 февраля 1820 г. Эрстед на лекции демонстрировал нагревание проводника
током. Вблизи установки находилась магнитная стрелка, и кто-то из наблюдательных
студентов обратил внимание, что при прохождение тока стрелка поворачивалась
(правда, это не единственная версия по поводу данного открытия). Эрстед тщательно
изучил обнаруженный эффект и опубликовал о нем сообщение (21 июля 1820г.).
Открытие Эрстеда вызвало сенсацию.
Интерес и удивление ученого мира были велики не только потому, что Эрстед
получил столь долго разыскивавшееся разрешение проблемы, но и потому, что новый
опыт, как сразу же стало ясно, указывал на силу неньютоновского типа. В самом
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12
деле, из опыта Эрстеда ясно было видно, что сила, действующая между магнитным
полюсом и элементом тока, направлена не по соединяющей их прямой, а по
перпендикуляру (нормали) к этой прямой, т.е. она, как тогда говорили, является
силой поворачивающей. Значение этого акта почувствовалось уже тогда, хотя
полностью оно было осознано лишь много лет спустя. Опыт Эрстеда вызвал первую
трещину в ньютоновской модели мира.
В августе 1820 г., через несколько дней после публикации Эрстеда, опыт
производится на Женевском съезде естествоиспытателей, в котором участвует Араго.
А 11 сентября на заседании Французской академии Араго уже ставит опыт Эрстеда.
В числе других его с волнением наблюдает и Андре Ампер (1775-1836), которому
суждено было глубже других понять суть нового открытия и заложить основы
электромагнетизма – учения, вершиной которого стала теория создания
электромагнитного поля. Теперь счет истории создания нового направления
исследований идет уже по дням.
11 сентября Ампер наблюдает опыт Эрстеда в исполнении Араго, а на
следующем заседании академии – 18 сентября сам выступает с докладом, в котором
выдвигает мысль о том, что поскольку ток вызывает ориентацию магнитной стрелки,
то и ориентация стрелки компаса под действием земного магнетизма вызвана токами,
текущими в Земле с востока на запад. Но тогда логично предположить, что и
магнитное действие постоянного магнита обусловлено существованием круговых
токов, циркулирующих в магните в плоскостях, перпендикулярных его оси. А тогда
взаимодействие магнитов есть, по сути дела, взаимодействие циркулирующих в них
―молекулярных токов‖, т.е. ток должен действовать на ток. Если выдвинутые гипотезы
верны, то нет нужды в ―магнитных жидкостях‖, ―магнитных истечениях‖, с помощью
которых по традиции и объяснялись магнитные взаимодействия.
Ампер смело выступает против освященных десятилетиями традиционных
взглядов. Эта смелость идет не только от оригинальности и широты мышления гения,
но и в значительной мере от мировоззрения Ампера.
Он – сторонник ньютоновского метода принципов, согласно которому незачем
выдумывать излишних 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
явлений взаимодействия магнитов, магнитов и токов можно свести к взаимодействию
токов, означала устранение излишних гипотез и сведение многообразия к единой
основе. Но эта исходная идея нуждалась в экспериментальном исследовании.
25 сентября Ампер продемонстрировал свои знаменитые опыты. Спираль с током действует на
магнитную стрелку так же, как и полосовой магнит. Спираль ориентируется в магнитном поле Земли
подобно стрелке компаса, а две спирали взаимодействуют подобно полосовым магнитам.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13
Позднее он осуществил и взаимодействие прямых проводников с током. Ему возражали: ―Это
взаимодействие электрическое‖, но он показывал, что одинаково заряженные проводники должны
отталкиваться, а у него одинаковые по направлению токи притягиваются, т.е. он впервые
разграничил электростатические и электродинамические явления (термины введены Ампером). Затем
Ампер впервые вывел формулу для расчета силы взаимодействия двух элементов тока, на основе
которой путем суммирования взаимодействия всех элементов можно получить формулы для
определения сил взаимодействия конечных проводников с током любой конфигурации – знаменитый
закон Ампера.
Амперу принадлежит идея гальванометра (термин его), основанного на действии тока на
стрелку; Ампер вводит понятия и термины ―напряжение‖, ―сила тока‖, ―направление тока‖. Таким
образом, Ампер является основателем электродинамики. Не случайно Максвелл назвал его
―Ньютоном электричества‖.
Итак, был сделан еще один шаг на пути к понятию поля – установлена связь
электричества и магнетизма. Но электродинамика Ампера, равно как и электростатика,
получившая к этому времени стройное математическое оформление, была основана на
дальнодействии.
Именем Апмера названа единица измеряющая силу тока - ампер.
Тот факт, что ньютоновская программа поиска математических законов сил без
выяснения механизма их действия успешно реализовалась в результате установления
законов Кулона, Ампера и Био-Савара-Лапласа, еще более укреплял принцип
дальнодействия.
А вихри материи, якобы циркулирующие вокруг проводника с током и
поворачивающие стрелку, электрические и магнитные атмосферы вокруг магнитов,
токов и заряженных тел, были гипотезами, без которых можно было обойтись, так как
они не вытекали из фактов и не давали никаких математических выражений для сил.
Какую оригинальность суждений, непредвзятость мнений и своеобразие видения
мира нужно было проявить, чтобы в эпоху безраздельного господства дальнодействия
выдвинуть идею поля, чуждую духу науки того времени и научным традициям. Этот
революционный шаг был сделан Майклом Фарадеем (1791-1867).
Фарадей открывает электромагнитную индукцию (1831) и законы электролиза (1834), вводит
понятие электрического и магнитного полей. Анализ явления электролиза привел Фарадея к мысли,
что носителем электрических сил являются не какие-либо электрические жидкости, а атомы —
частицы материи. «Атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами» —
утверждает он. Фарадеевские исследования электролиза сыграли принципиальную роль в
становлении электронной теории.
Фарадей, вращая замкнутый контур в магнитном поле, открыл, что в нем возникает
электрический ток.
Первоначально в исследованиях М. Фарадея понятие электромагнитного поля играло
вспомогательную роль и служило в качестве наглядной иллюстрации для демонстрации
сил поля. Однако впоследствии оно стало таким же фундаментальным понятием, как и
понятие вещества. В его основе, как мы отметили, лежат два важнейших открытия,
связавшие в одно целое электрические и магнитные явления.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14
Как мы уже знаем, Эрстед установил, что вокруг проводника, по которому течет
электрический ток, возникает магнитное поле. В последующих исследованиях физиков
было установлено, что новая сила, возникающая под воздействием тока, зависит от
скорости движения электрического заряда и направлена перпендикулярно к плоскости
этого движения.
Кроме взаимосвязи электрического тока и магнетизма, эксперименты,
поставленные после открытия Эрстеда, показали, что электрический ток сильно
изменяет намагниченность магнита. В связи с этим Фарадей ожидал, что и магнит
должен влиять на силу тока.
В дальнейшем Фарадей в 1831 году сделал свое самое великое открытие — открыл
совершенно противоположное явление электромагнитной индукции, которое
свидетельствовало о том, что изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле и,
следовательно, вызывает электрический ток.
Наиболее наглядное проявление электромагнитной индукции было получено
физиком с помощью нехитрого прибора. На железное кольцо наматывались две
отдельные спирали, из которых одна соединялась с батареей, а другая — с
гальванометром. При замыкании первой цепи наблюдалось резкое отклонение стрелки
гальванометра, а при размыкании цепи — отклонение в противоположном
направлении. Этот важный опыт, всячески видоизменявшийся, позволил Фарадею
«получить электричество из магнетизма» простейшим, сейчас хорошо известным
способом: достаточно вводить магнит в спиральный проводник, соединенный с
гальванометром, чтобы получить отклонение стрелки в одну сторону, а при выводе
магнита из спирали стрелка отклоняется в противоположную сторону.
Фарадей был очень дотошным ученым и провел огромное количество опытов.
О Майкле Фарадее говорят, что он отличался не только блестящим умом, но и поразительной
работоспособностью, умением затратить большие усилия на стадии именно чернового труда. Ведь в
самых успешных случаях, говорил Фарадей, оправдывается едва ли десятая доля гипотез, желаний,
предварительных догадок. И ученый с потрясающей настойчивостью провел огромное количество
экспериментов. Одна серия опытов следовала за другой, а поиски не давали положительного
результата. Но не таков был этот человек, чтобы скоро отступить. Давно приучив себя к
аккуратности, он завел тетрадь, где каждую из попыток записывает особым параграфом. Из этих
записей, которые были изданы в 1931 году под названием «Дневник Фарадея», стало известно, что в
течение 7 лет ученый исследовал явление электромагнитной индукции. В конце концов, он настиг
удачу. Заключительный параграф этой изнуряющей охоты за неуловимым спутником магнетизма
имел номер 16041. Так рождалась новая наука, лежащая в основе всех современных технологий, —
теория электромагнетизма.
Вот сколько времени и сил понадобилось, чтобы превратить магнетизм в электричество. Но ни
один день не потрачен напрасно. Ни для человечества, ни для себя.
С открытием Фарадея в жизнь вошли не только генераторы тока и
электромоторы, с ним прежде всего в науку вошло представление об
электромагнитном поле как о материальной среде, как о непрерывной материи,
заполняющей пространство.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
15
Почему открытие явления электромагнитной индукции привело к изменению
взглядов на мир? Мысленно еще раз повторим опыт по электромагнитной индукции,
который вы видели на уроках физики: магнит вдвигается в катушку, в катушке
возникает ток. Изменение магнитного поля порождает электрическое поле, которое
существует в пространстве, где находится катушка. А если катушку убрать?
Электрическое поле не исчезает.
Переменное магнитное поле порождает в пространстве изменяющееся
электрическое поле и наоборот. Эти поля существуют в пространстве независимо от
того, есть ли там электрические заряды и магниты или их нет. До Фарадея никто не
говорил о том, что силовое поле - это не результат механических перемещений тел, не
формальная схема, которая необходима для объяснения явлений, что оно само по себе
является материальной субстанцией.
Таким образом, электрическое и магнитное поля являются не изолированными
объектами, а образуют взаимосвязанное, единое электромагнитное поле. Там, где
существует электрическое поле, обязательно возникает и магнитное поле, а магнитное
поле создает электрическое поле.
Однако этот важнейший вывод относится только к изменяющимся полям.
Действительно электрический заряд, движущийся по проводнику, или ток, представляет
собой изменяющееся, переменное поле. Именно оно создает магнитное поле вокруг
проводника. Если не будет движения электрических зарядов, тогда не возникнет и
магнитное поле. Например, вокруг неподвижного, заряженного электричеством шара
существует статическое электрическое поле, но поскольку шар остается неподвижным, то
никакого магнитного поля вокруг него не образуется. Стоит только привести шар в
движение, как вокруг него возникнет магнитное поле.
Аналогично этому неподвижный магнит, вокруг которого существует статическое
магнитное поле, не создает в замкнутом проводнике, находящемся поблизости,
электрического поля, а тем самым и электрического тока. Следовательно, статические, не
изменяющиеся в пространстве и со временем электрические и магнитные поля не создают
единого электромагнитного поля. Только когда мы имеем дело с движущимися
электрическими и магнитными зарядами, т.е. с переменными полями, между ними
возникает взаимодействие и появляется единое электромагнитное поле.
Установление глубокой внутренней связи и единства между ранее изолированными
электрическими и магнитными явлениями, которые прежде рассматривались как особого
рода невесомые жидкости, было выдающимся достижением в физике. Возникшее на этой
основе понятие электромагнитного поля покончило с многочисленными попытками
механической интерпретации электромагнитных явлений.
Объяснение явления электромагнитной индукции, а также рассмотрение
электрических и магнитных процессов, которые происходят в веществе под влиянием
заряженных тел и магнитов, привели Фарадея к выдвижению идеи близкодействия,
реализовавшейся в конце концов в идее существования поля.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16
Проследить ход мыслей Фарадея, а тем более просто и доступно изложить его
нелегко, поэтому ограничусь лишь упрощенным изложением его окончательных идей.
Почему Фарадей в отличие от всех своих предшественников встает на позиции
близкодействия? До него все внимание исследователей было обращено на силы, с
которыми взаимодействуют заряды и токи, а не на процессы, происходящие в
разделяющей среде. Фарадей же первым тщательно изучил процессы, происходящие в
веществе под влиянием зарядов, магнитов и токов. Он рассматривал электрическую
индукцию в проводниках и поляризацию диэлектриков. До него диэлектрик считался
пассивным агентом, удерживающим электричество в проводниках. Фарадей же
обратил внимание на роль среды (он, например, обнаружил зависимость емкости
конденсатора от рода диэлектрика). Почему на поверхностях проводника и
диэлектрика под влиянием заряженного тела возникают заряды противоположного
знака?
Ученый объяснил это тем, что под влиянием заряженного тела в веществе
происходит поляризация, своеобразное разделение зарядов в частицах, ближайших к
наэлектризованному телу (как это действительно происходит в диэлектриках с
неполярными молекулами). Поляризованные частицы подобным же образом
поляризуют смежные с ними, так что в среде происходит процесс передачи
электрического действия, распространяющийся постепенно 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 от одной частицы среды к
другой.
Итак, передача электрического и магнитного действия в веществе есть процесс
не мгновенный, а длящийся некоторое время.
Вот она первоначальная концепция близкодействия!
Фарадей вводит понятие о силовых линиях. Пока речь идет об
электродинамических процессах в веществе, Фарадей рассматривает силовые линии
как формальные линии действия силы, а не реальные образования. Как же передается
действие силы в вакууме? ―Может быть, позволительно предполагать здесь, как и в
других областях, гипотетический эфир?‖ И считая пространство заполненным особой
средой – эфиром, Фарадей рассматривает силовые линии как материальные
образования, подобные резиновым жгутам, находящимся в натянутом состоянии.
Понятие силовых линий позволяет ему более определенно сформулировать закон
электромагнитной индукции: ―Количество электричества, вовлеченное в движение,
прямо пропорционально количеству пересеченных линий‖, т.е. ЭДС индукции
возникает лишь тогда, когда проводник пересекает силовые линии.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
17
Создается впечатление, что Фарадей представлял себе вовлечение в движение
электрической жидкости в проводнике как процесс, вызванный действием реальных
образований (линий) на электрическую жидкость в проводнике. Взаимодействие
зарядов он рассматривал как процесс, обусловленный взаимодействием находящихся в
состоянии натяжения линий, которые в случае разноименных зарядов, стремясь
выпрямиться, стягивают заряды, в случае одноименных зарядов отталкиваются друг от
друга как упругие жгуты, обеспечивая отталкивание самих зарядов (вспомним спектры
соответствующих полей).
Представление о силовых линиях как реальных образованиях имеющихся и в
вакууме, и в веществе, позволяло просто и наглядно объяснить многие явления. В
частности, известный опыт Араго (вращение металлического диска за счет вращения
рядом расположенного магнита) получил простое объяснение: силовые линии
вращающегося магнита воздействуют на электрическую жидкость в диске и как
упругие образования вызывают его вращение.
Впрочем, не следует переоценивать роль этих наглядных моделей-образов.
Фарадей прекрасно 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 существо его идей получило полное признание. По Фарадею,
электромагнитное взаимодействие зарядов и токов обусловлено процессами,
происходящими в окружающей их среде вне зависимости от того, вакуум это или
вещество. В обоих случаях есть некий посредник, окружающий заряды и токи и
обеспечивающий их взаимодействие. Является ли им эфир, в котором имеются
силовые линии как реальные объекты, или это какое-то другое образование, Фарадей
не предрешает и не высказывает окончательных суждений, предоставляя потомкам
решить этот сложный вопрос.
Реальность силовых линий у Фарадея во многом связана с тем, что эти линии (во
всяком случае для магнитного поля) не есть прямые. Ведь в концепции ньютоновского
дальнодействия силы носят центральный характер, т.е. действуют по прямым,
соединяющим взаимодействующие тела. Обнаружение того, что линии действия
электродинамических тел есть кривые, и наводит Фарадея на мысль, что это не просто
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
18
формальные изображения линий действия сил, а реальные образования.
Итак, распространение электрических и магнитных действий происходит как
процесс, осуществляющийся в среде и требующий времени; электрические и
магнитные возбуждения могут существовать независимо от источника и приемника.
Более того, Фарадей высказывает догадку, что это распространение действия
осуществляется волнообразно.
В 1832 г. в разгар исследований по электромагнитной индукции Фарадей
подготовил письмо о своих взглядах на проблему электромагнитного взаимодействия,
закрепляющее его приоритет. В этом письме, которое обнаружили через 100 лет,
Фарадей пишет: ‖На распространение магнитного воздействия требуется время... Я
полагаю, что и электрическая индукция распространяется таким же образом..., что
распространение магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебание
взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха, т.е.
я намерен приложить теорию колебаний к магнитным явлениям... и к электрической
индукции‖.
Итак, пусть Фарадей не сформулировал четко понятие поля, но суть всех его
воззрений сводится к тому, что все взаимодействия осуществляются посредством
особой материальной среды, передающей за конечное время процесс взаимодействия
зарядов и токов. А это и значит, что Фарадей, по сути дела, ввел в физику идею поля,
превратив 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 пространства, не занятого ею‖. Но
лучше всего об этом сказал Максвелл: ―Фарадей своим мысленным взором видел
линии сил, проходящие через все пространство, там, где математики видели центры
сил, притягивающихся на расстоянии. Фарадей видел среду там, где они не видели
ничего, кроме расстояния. Фарадей видел источник явлений в реальных процессах,
происходящих в среде. Они же были удовлетворены тем, что нашли его в
действующей на расстоянии силе, приложенной к электрическим флюидам‖.
В честь Фарадея названа единица электрической емкости - фарада.
Значение открытий Фарадея
Попытаемся оценить и сформулировать наиболее важные особенности открытий
Фарадея в области электромагнетизма.
Во-первых, оказалось возможным осуществить приспособление, создающее
электрический ток непрерывно так долго, как это нам необходимо. Основу такого
приспособления составляет определенным образом намотанная катушка,
перемещающаяся в сфере действия (говорят «в поле») постоянного магнита. Именно
на этом принципе основано действие роторного электрического генератора или
динамо-машины. Фактически все наши современные электростанции, питающие
обширные сети электропередач, независимо от того, работают они на угле, нефти или
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
19
за счет энергии воды, вырабатывают электроэнергию в соответствии с этим основным
принципом.
Во-вторых, Фарадей дал удовлетворительный ответ на поставленный им же
вопрос: «Коль скоро электричество может создавать магнетизм, может ли магнетизм
создать электричество?». Вообще, весь материальный мир, как правило, симметричен,
и нам всегда страстно хочется найти обратное соотношение между явлениями, считая,
что если А может создавать В, то В должно создавать А.
В-третьих, открытие Фарадеем электромагнитной индукции, подтвердившее
общие соображения о симметрии, или обратимости, применительно к электрическим и
магнитным
явлениям,
помогло
Максвеллу
доказать
существование
самоподдерживающихся
электромагнитных
волн,
обладающих
свойством
самостоятельно распространяться в пространстве.
Казалось бы, идеи Фарадея должны были сразу дать мощный толчок развитию
теоретических исследований. Однако так не произошло. Фарадея очень высоко ценили
как экспериментатора, но к его теоретическим идеям относились с недоверием. По
этому поводу Р.Милликен писал: ―Формалисты школы Ампера – Вебера... с тайным, а
иногда и явным презрением смотрели на ―грубые материальные‖ силовые линии и
трубки, порожденные фантазией переплетчика и лабораторного сторожа Фарадея‖.
Теория поля Фарадея не удовлетворяла идеалу физической теории, сложившемуся
к этому времени, – она не была выражена на языке математики. И идея
близкодействия физикам по-прежнему не импонировала. Теории электрических и
магнитных явлений продолжали строиться на основе принципа дальнодействия.
Французский ученый С. Пуассон и немецкий математик Карл Фридрих Гаусс
математически оформляют учение об электричестве и магнетизме. Вебер, исходя из
теории дальнодействия, устанавливает обобщенный закон для силы взаимодействия
электрических зарядов как покоящихся, так и движущихся (токов), из которого законы
Кулона и Ампера выводятся как следствия. Ему, а также немецкому ученому Ф.
Нейману удается получить и математическое выражение закона электромагнитной
индукции Фарадея.
Четко формулируются основные понятия электродинамики: ―сила тока‖,
―потенциал‖, ―емкость‖, ―индуктивность‖ и т.д. И тем не менее учение об
электромагнетизме не представляет собой стройной теории, основанной на единых
общих принципах, из которых как следствия выводились бы уравнения
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 никаких принципиально
новых следствий, а задача всякой новой теории – не столько систематизация и
обобщение известного, сколько предсказание новых результатов.
Теоретические представления Фарадея в духе близкодействия по-прежнему не
исследовались.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
20
Столь отнюдь не радужное положение дел в учении об электромагнетизме
лучше всех понимал Максвелл, который познакомился с работами Фарадея и стал
убежденным сторонником выдвинутой им идеи близкодействия. Максвелл поставил
перед собой задачу выразить идеи Фарадея языком математики и в конце концов
блестяще решил ее. По выражению Р. Милликена, он ―облек плебейски обнаженные
представления Фарадея в аристократические одежды математики‖.
Даже истолкование силовых линий как механических натяжений поля, которыми
пользовался еще Фарадей, потеряло смысл после того, как великим английским физиком
Дж. Максвеллом была построена математическая теория электромагнитного поля.
Теория Максвелла представляет собой обобщение всех эмпирических зависимостей,
установленных Эрстедом, Фарадеем и другими учеными при исследовании электрических
и магнитных явлений. Но это обобщение отнюдь не сводится к суммированию их
результатов, а предполагает идеализацию изучаемых процессов.
Максвелл получил уравнения электромагнитного поля, которые описывали его свойства и
структуру и являлись не простым математическим выражением идей Фарадея, а содержали нечто
неизмеримо большее.
В этих уравнениях 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, придавший уравнениям Максвелла тот вид, в котором они ныне
пишутся (это же было сделано и Хевисайдом), говорил: ―Нельзя изучать эту удивительную теорию,
не испытывая по временам такого чувства, будто математические формулы живут собственной
жизнью, обладают собственным умом – кажется, что эти формулы умнее нас, умнее даже самого
автора, как будто они дают нам больше, чем в свое время в них было заложено‖.
Система уравнений для электрических и магнитных полей, разработанная
Максвеллом, состоит из 4-х уравнений, которые эквивалентны четырем утверждениям:
Уравнения Максвелла в Гауссовой системе единиц (СГС):
Уравнение
Физический смысл
div E = 4πρ
Электрическое поле, соответствующее какому-либо распределению
заряда, определяется из закона Кулона
div H = 0
rot E = –
rot H =
1 H
с t
1 E 4

j
с t
c
Магнитные заряды не существуют
Переменное магнитное поле возбуждает электрический ток
Магнитное поле возбуждается токами и переменными
электрическими полями
Е – вектор напряженности электрического поля;
Н – вектор напряженности магнитного поля;
j – вектор плотности тока;
ρ – плотность электрического заряда.
Ротор и дивергенция представляют собой комбинации частных производных по
пространственным координатам.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
21
;
Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу, что должны
существовать электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна
равняться скорости света. Отсюда вытекал вывод, что свет – разновидность
электромагнитных волн. На основе своей теории Максвелл предсказал существование
давления, оказываемого электромагнитной волной, а, следовательно, и светом, что
было блестяще доказано экспериментально в 1906 г. П.Н. Лебедевым.
Восхищенный внутренней и внешней красотой математической формы уравнений Джеймса
Максвелла, немецкий физик Людвиг Больцман выразил свой восторг стихами, начинавшимися
фразой:«War es ein Gott der diese Zeichen schrieb?»
(«Не бог ли эти знаки начертал?..»)
Что же нового дала физике теория электромагнитного поля, которую Максвелл начал
разрабатывать с 1855 г. и в окончательном виде оформил в работе ―Трактат по электричеству и
магнетизму‖, вышедшей в 1873 г.?
Вклад Максвелла сводится в общих чертах к следующему.
1. Теория Максвелла вводит в физику фундаментальнейшее понятие единого
электромагнитного поля. ―Теория, которую я предлагаю,– пишет Максвелл,– может
быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с
пространством, окружающим электрические и магнитные тела; она может быть также
названа динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве
имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой и производятся
наблюдаемые электромагнитные явления‖. И далее: ―Электромагнитное поле – это та
часть пространства, которая содержит и окружает тела, находящиеся в
наэлектризованном или намагниченном состоянии‖.
Правда, здесь с современной точки зрения есть неточность: поле – это не часть
пространства, а материальный объект, существующий в пространстве и времени. Есть
и еще одно несоответствие идей Максвелла современным взглядам: поле у Максвелла
– не самостоятельный объект, а процесс, происходящий в эфире, проявление эфира.
Лишь в дальнейшем в связи с созданием теории относительности, когда стало
возможным устранение гипотезы эфира, поле было признано самостоятельно
существующим видом материи, не нуждающимся в особом материальном носителе.
Введение понятия поля как основного объекта, обеспечивающего все
электромагнитные взаимодействия, акцент не на заряды и токи, а на ―порожденное‖
ими поле означают окончательное утверждение в физике идеи близкодействия.
2. Принципиально
новой
чертой
теории
Максвелла,
выражающей
последовательное проведение идеи близкодействия, является то, что теория Максвелла
исходит из признания конечности скорости распространения электромагнитных
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
22
взаимодействий. Из этого вытекает то, что сигнал, испущенный источником, но не
принятый еще приемником, живет самостоятельной жизнью как реальное образование,
обладающее энергией, которая по Максвеллу, сосредоточена в поле. Энергия
электромагнитного взаимодействия у Максвелла зависит от параметров поля (E и B).
Это есть энергия поля, а не энергия зарядов и токов. Но энергия не может быть без
материального носителя. Следовательно, поле является объективной реальностью.
3. Теория Максвелла по-новому поставила вопрос о взаимосвязи электричества и
магнетизма. Их единство проявляется в том, что изменяющееся электрическое поле
порождает магнитное, а изменяющееся магнитное порождает электрическое, т.е.
электрическое и магнитное поля не есть некие самостоятельные сущности, а есть
частные проявления единого электромагнитного поля, определяемые выбранной
системой отсчета.
4. Теория Максвелла на основе понятия поля свела в единую систему все знания
по электричеству и магнетизму. Она дала возможность, зная компоненты поля (E и B)
в данной точке в данный момент времени, найти их значения в любой другой точке в
любой другой момент времени, а зная характеристики поля, найти и силы,
действующие на заряды и токи. Все законы электрических и магнитных
взаимодействий, все законы тока, выведенные раньше, получаются из уравнений
Максвелла как следствия.
Но значение теории не только в обобщении уже известного, из нее вытекает
чрезвычайно много нового (кроме ранее сказанного).
5. Из решения уравнений вытекает, что электромагнитное поле распространяется
в пространстве в виде волн и скорость электромагнитных волн равна скорости света.
Тем самым устанавливается не только существование нового объекта, но и
выдвигается идея об электромагнитной природе света, а значит, устанавливаются
единство оптики и электромагнетизма.
Таково значение теории Максвелла. Как сказал Г. Герц: ―Теория Максвелла – это
уравнения Максвелла‖. Естествен вопрос: как сумел он сделать это? Понять
творческий процесс Максвелла куда труднее, чем понять суть его теории. Поэтому я
ограничусь лишь некоторыми замечаниями о методе Максвелла.
Максвелл ставит вначале задачу – найти математический аппарат, который бы
мог описать физические представления Фарадея о поле. И ему удается обнаружить,
что нарисованная Фарадеем картина поля в виде силовых линий аналогична картине
распределения линий тока и образуемых ими трубок тока в движущейся жидкости.
Движение жидкостей уже получило к тому времени математическое описание, и
Максвелл
переносит
это
описание
гидродинамических
явлений
на
электродинамические процессы.
Максвелл в своем воображении представил идеальный случай опыта Фарадея, когда
замкнутая кривая, которую пересекают магнитные линии, стягивается в некоторую точку
пространства. В этом предельном случае величина и форма замкнутой кривой не играют
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
23
никакой существенной роли, и поэтому становится возможным рассматривать законы,
связывающие изменения магнитного и электрического поля, в любой точке пространства и
в любой момент времени. Такой же воображаемый случай можно проделать с опытом
Эрстеда и рассматривать законы, связывающие изменения электрического и магнитного
поля, в любой момент времени и в любой точке пространства.
Величинам, характеризующим движение жидкости, он сопоставляет
электродинамические характеристики (так, например, перепаду давления на единицу
длины dp/dx он приводит в соответствие перепад потенциала
d/dx ,
обусловливающий движение электричества, подобно тому как перепад давления
вызывает движение жидкости).
Тем самым электромагнитное поле уподобляет движению жидкости, силовые
линии поля аналогичны трубкам тока.
Рис. 38. Силовое поле. Силовые линии электрических полей направлены: а - от
положительного заряда, б - к отрицательному заряду
Рис. 39. Силовые линии электрического поля направлены от положительного
заряда к отрицательному
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
24
Рис. 40. Силовые линии поля простого стержневого магнита
Таким образом, как только электрический проводник пересечет силовую линию
магнитного поля, в нем тотчас же возникает электродвижущая сила, и, наоборот,
движение силовых линий электрического поля порождает магнитное поле.
Максвелл использует метод аналогий и моделей. ―Под физической аналогией, –
пишет он, – я разумею то частное сходство двух каких-либо областей, благодаря
которому 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 природы проявляется, в частности, в том, что
разнородные по природе явления описываются аналогичными математическими
уравнениями (вспомним дифференциальные уравнения, описывающие разные по
природе колебательные процессы). Но аналогичность математического описания не
означает тождества природы явлений. И Максвелл это хорошо понимает, указывая
неоднократно, что жидкость, которой он уподобляет электромагнитное поле, не
тождественна с тем, что собой в действительности представляет электромагнитное
поле. Аналогия с жидкостью есть лишь эвристический иллюстративный прием, но не
более.
В дальнейшем Максвелл выдвигает различные механические модели
электромагнитного поля, часто весьма причудливые и необычные (подчас даже
представляя поле в виде системы, подобной 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 наглядно
представить. Кроме того, попытки такого рода связаны также еще с одной важнейшей
чертой стиля мышления Максвелла – постоянным стремлением за математическим
описанием видеть природу, придавать физический смысл любому уравнению физики.
Максвелл говорил полушутя, что каждый физик хорошо сделает, если перед тем, как
напишет слово ―масса‖ или символ ―m‖, собственноручно подвесит гирю на веревке и
толкнет ее, дабы убедиться в ее инертности.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
25
Чрезвычайно характерно также и то, что Максвелл не придерживался какой-либо
единственной модели поля, а заменял по мере работы над теорией одну модель другой.
Модели ему помогали найти уравнения поля; он считал, что они помогут и тем, кто
будет читать его работы. Это неоднозначность моделей, отсутствие у Максвелла
приверженности к одной модели свидетельствуют о необычайной гибкости ума,
чуждого консерватизма и догматизма, и объясняют то удивительнейшее явление, что
Максвелл писал уравнения применительно к той или иной модели, веря в
существование эфира. Современная физика отбросила все эти модели, отбросила
гипотезу эфира, а уравнения сохранились нетленными и описывают электромагнитное
поле в его современном понимании.
И еще об одном методе, который использовал Максвелл, – методе
математической гипотезы. По Максвеллу, электрический ток в проводнике создает
магнитное поле, что
Максвелл выражает в виде уравнений rot H=4j, т.е. ―источник‖ магнитного поля
– движущиеся в проводнике заряды.
А в диэлектрике нет движения зарядов, но возможно существование
изменяющегося электрического поля, связанного, как он считал, со смещением эфира
в диэлектрике. Максвелл предполагает, что это изменение электрического поля (―ток
смещения‖) порождает тоже магнитное поле, как и ток проводимости (что такое ток, в
то время не знали). Эту гипотезу он выражает математически, добавляя в уравнение
член, характеризующий быстроту изменения электрического поля, которое, таким
образом, как и движущиеся заряды, становится ―источником‖ магнитного поля. Если
на мысль о возникновении электрического поля за счет изменения магнитного поля
наталкивало явление электромагнитной индукции, то гипотеза о токах смещения не
подсказывалась никакими фактами и являлась, видимо, плодом интуиции Максвелла.
И в заключении несколько слов о личности Максвелла.
Область научных интересов Максвелла необычайно широка. Помимо работ по
электромагнетизму, он выполняет фундаментальные исследования по теории цветов
и цветовому зрению, устойчивости колец Сатурна и по кинетической теории газов.
Теории Максвелла еще предстояло утвердить себя. Поначалу ее мало кто
понимал. Даже Больцман считал ее ―тайной за семью печатями‖ и в качестве эпиграфа
к курсу лекций по теории Максвелла взял фразу из ―Фауста‖: ―Я должен пот тяжелый
лить, чтоб объяснить вам то, чего я сам не понимаю‖. Утверждение теории приходит
тогда, когда ее выводы получают экспериментальное подтверждение, а его не было
вплоть до 1887 г., когда Герц экспериментально получил электромагнитные волны.
Между законами электромагнитного поля, выраженными в уравнениях Максвелла, и
законами механики Ньютона существует определенная связь. При изучении механических
законов мы выяснили, что, зная координаты тела, его скорость и уравнение движения,
можно точно определить его положение и скорость в любой точке пространства в каждый
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
26
момент времени в будущем или прошлом. Для этого, как известно, используются
обыкновенные дифференциальные уравнения.
Уравнения Максвелла дают возможность, зная состояние поля в какой-либо момент
времени, определить, как оно будет изменяться с течением времени. Но между законами
механики и электромагнетизма имеется и существенное отличие.
Если при заданном состоянии движения материальной точки законы механики
позволяют определить его траекторию и положение в любой произвольный момент времени
в любом месте, то законы Максвелла дают возможность определить состояние
электромагнитного поля в непосредственной близости с предыдущим его состоянием.
Условно говоря, в механике при определении состояния движения системы опираются
на представление о дальнодействии. Согласно принципу дальнодействия, автором
которого был французский ученый и философ Р. Декарт, силовое воздействие можно
передать мгновенно на любое расстояние через пустое пространство. В теории
электромагнитного поля такая возможность отрицается, и поэтому она опирается на принцип
близкодействия. Это позволяет шаг за шагом проследить изменение электромагнитного
поля с течением времени.
При изучении движения материальных частиц или систем, образованных из них,
историю изменения их состояний можно изучать по их траекториям. В электромагнитной
теории приходится обращаться уже к изменениям, происходящим с полем в пространстве.
Поэтому для математического описания электромагнитного поля обращаются к
дифференциальным уравнениям с частными производными. Если в механике изменение и
движение всегда рассматривается с учетом взаимодействия самих тел, являющихся
источником движения, т.е. внешней силой, вызывающей это движение, то в теории
электромагнитного поля абстрагируются от подобных источников и рассматривают лишь
изменение поля в пространстве с течением времени в целом. Более того, источник,
создающий поле, со временем может перестать действовать, хотя порожденное им поле
продолжает существовать.
Наконец, из уравнений Максвелла вытекает следствие о существовании
электромагнитных волн и скорости их распространения. Действительно, колеблющийся
электрический заряд создает изменяющееся электрическое поле, которое сопровождается
изменяющимся магнитным полем. Если поблизости от него находится замкнутый
проводник, то в нем возникает электрический ток, который создает магнитное поле и т.д. В
результате колебаний электрических зарядов в окружающее пространство излучается
определенная энергия в виде электромагнитных волн, которые распространяются с
определенной скоростью. Поскольку направление распространения энергии
перпендикулярно направлению силовых линий поля, постольку электромагнитные волны
являются поперечными.
Экспериментальными исследованиями было установлено, что скорость
распространения электромагнитных волн равна 300 000 км/с. Поскольку с такой же
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
27
скоростью распространяется свет, постольку было логично предположить, что между
электромагнитными и световыми явлениями существует определенная общность.
Т.о. на основе опытов Эрстеда, Фарадея и других ученых английский физик Дж.
Максвелл (1831—1879) создал свою электромагнитную теорию, т.е. теорию о
существовании единого электромагнитного поля. Таким путем было показано, что в
мире существует не только вещество в виде тел, но и физические поля.
После того как объектом изучения физиков наряду с веществом стали разнообразные
поля, картина мира приобрела более сложный характер. Тем не менее в первое время ученые
пытались объяснить электромагнитные процессы, в том числе и световые явления, с помощью
механических моделей, основанных на понятиях и принципах механистической картины
мира. В этом можно убедиться, обратившись к краткой истории появления первых гипотез о
природе электричества и магнетизма.
Теории Максвелла явно не хватало экспериментального подтверждения.
Лишь один ее вывод согласовывался с опытом. По Максвеллу, показатель
преломления для диэлектриков n=  . Больцман подтвердил это.
С 1887 г. Герц начинает ставить свои замечательные опыты по изучению
воздействия электромагнитных колебаний на диэлектрик.
Прежде всего он находит способ генерирования самых высокочастотных в то
время колебаний, используя открытый колебательный контур – вибратор Герца.
Обладая малой емкостью и индуктивностью, вибратор действительно позволял
получать колебания высокой частоты, возникающие при проскакивании искр в
разрядном промежутке диполя. Рядом с этим генератором находился незамкнутый
виток. Герц обнаружил, что в момент разряда в генераторе происходит проскакивание
искры и между незамкнутыми концами витка, расположенного недалеко от
генератора. Уже само по себе это было необычайное явление – передача
электродинамического действия на расстояние. Это были первые в мире передатчик и
приемник.
Схема вибратора Герца
Продолжая опыты, Герц обнаружил, что искра во втором контуре имеет
максимальную интенсивность, если контуры настроены в резонанс, т.е. имеют
одинаковые собственные частоты колебаний. Таков еще один важнейший шаг,
сделанный Герцем в исследовании электромагнитных волн, или, как говорил сам Герц,
―электрических лучей‖ (он не сразу понял, что получил предсказанные Максвеллом
волны).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
28
Герц расположил около вибратора сначала металлический лист, 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 вибратора возникают токи проводимости, а в
диэлектрике – токи смещения, которые и показывают электромагнитное воздействие
на резонатор. Это подтверждение об эквивалентности токов смещения и
проводимости.
Герц удалял резонатор от вибратора – искровой разряд в резонаторе происходил
и при расстояниях порядка полутора метров, а затем обнаруживался и на больших
расстояниях. Особенно поразило Герца наличие заметного действия на больших
расстояниях. До тех пор привыкли считать, что электрические силы убывают по
закону обратного квадрата и, следовательно, с увеличением расстояния быстро
становятся незаметными. Герц же открыл поле, отпочковавшееся от источника,
напряженность которого убывала вблизи излучающего источника пропорционально
первой, а не второй степени расстояния.
Продолжая исследования, Герц при удалении резонатора от вибратора
обнаружил, что в большом помещении с увеличением расстояния размер искр не
убывает монотонно, а периодически меняется. Он справедливо объяснил это тем, что
происходит интерференция прямой волны и отраженной от стены, в результате чего
образуется стоячая волна, в пучностях которой искра максимальна. Этот опыт
наиболее убедительно доказывал, что электромагнитные волны, предсказанные
Максвеллом, действительно существуют.
По Максвеллу, свет – это электромагнитные волны, следовательно, им должны
быть присущи те же явления, что и свету. И Герц ставит опыты с целью проверки
тождества световых и электромагнитных волн. Почти сразу он обнаруживает ―тень‖ –
непрозрачность металлических листов для ―электрических лучей‖, но не наблюдает
огибания. ―Не без удивления наблюдал я искры в закрытой комнате‖, – пишет Герц об
опытах, в которых генератор и приемник находились в соседних помещениях. Значит,
диэлектрики ―прозрачны‖ для волн. Но они должны вызывать преломление. И Герц
обнаруживает явление преломления волн в асфальтовой призме весом более чем в
тонну, причем отклонение соответствует тому, которое должно быть по Максвеллу.
Последующие опыты показывают существование отражения волн, а затем и их
поляризацию.
Герц ставит опыты между генератором и приемником решетку из параллельных
проволок, от ориентации которой меняется интенсивность искры в приемнике
(подобно тому, как аналогичный эффект обнаруживается в демонстрационных опытах
с генератором сантиметровых волн). Зная период колебаний вибратора и измеряя
длину волны, Герц вычисляет скорость распространения электромагнитных волн; она
оказывается равной скорости света.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
29
―Мне представляется вполне вероятным, что описанные 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 Фарадея–Максвелла, а результат опытов есть 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 перепрыгивают
пространство мгновенно. Они означают блестящую победу теории Максвелла‖. Так
поле, этот гипотетический объект теории Максвелла, превратилось в физическую
реальность. В реальности поля после опытов Герца 1887–1888 гг. больше сомневаться
не приходилось.
Герц придал уравнениям Максвелла современный вид, убедительно доказав
своим творчеством справедливость его оценки Гельмгольцем: ―Он одинаково
способен как к овладению абстрактными математическими теориями, так и к решению
вытекающих вопросов экспериментального порядка с большой ловкостью и большой
изобретательностью в том, что касается методов‖.
Опыты Герца утвердили теорию Максвелла в среде ученых. Но лучшими
доказательствами истинности теории являлись не только опытные факты, но и
практическое воплощение научных идей.
Следовательно, уже в XIX в. физики дополнили механистическую картину мира
электромагнитной. Электрические и магнитные явления были известны давно, но
изучались они обособленно друг от друга. Дальнейшее их исследование показало, что
между ними существует глубокая взаимосвязь, что заставило ученых создать единую
электромагнитную теорию.
В конце XIX в. место гипотетических электрических и магнитных жидкостей заняла
новая концепция единого электромагнитного поля. Если в механике изменения и движение
материальных частиц совершаются с помощью внешних сил, приложенных к частицам или
образованному из них телу, то в электродинамике изменения совершаются под
воздействием сил поля.
Не прошло и десятка лет со дня опытов Герца, как открытые им
экспериментально электромагнитные волны начали применяться на практике.
Любопытно, что сам Герц не мог себе представить практическую значимость
открытых им радиоволн и даже написал в дрезденскую палату коммерции письмо о
том, что исследование радиоволн надо запретить как бесполезное. То, что не удалось
понять Герцу, со всей полнотой оценил А.С. Попов, впервые в мире применивший
электромагнитные волны для радиосвязи и тем самым основавший современную
радиофизику.
Но ни Фарадей ни Максвелл не опровергали наличия эфира. (дать выше)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
30
Дать выше
Гипотезы о невесомых электрических и магнитных жидкостях
Рудименты старых представлений об электричестве до сих пор сохранились в научном
языке. Мы постоянно слышим, как физики говорят, что электрический ток течет по
проводнику от высокого потенциала к низшему, как будто электричество подобно
жидкости.
В самом начале исследований электрические и магнитные явления на самом деле
рассматривались как невесомые, положительно и отрицательно заряженные жидкости,
поскольку с помощью таких гипотез можно было объяснить известные к тому времени
эксперименты. Такие опыты проводят обычно при изучении курса физики в средней
школе.
Если натереть эбонитовую палочку кусочком шерстяной ткани и поднести потом к
металлической головке электроскопа, то его листочки расходятся. Отсюда делается вывод,
что в результате трения эбонитовая палочка зарядилась отрицательно и этот заряд передала
электроскопу. Листочки электроскопа, заряженные одноименным электричеством,
отталкиваются друг от друга и поэтому расходятся. Аналогично этому, если натереть
стеклянную палочку кошачьим мехом, она зарядится положительно. При прикосновении к
электроскопу листочки, заряженные положительным одноименным электричеством, также
разойдутся.
Гипотеза о существовании невесомых электрических жидкостей основывается на
следующих предположениях:
1. Электричество представляет собой определенную субстанцию, подобную
веществу, а именно жидкость.
2. В каждом незаряженном теле находится одинаковое количество
положительного и отрицательного электричества, и поэтому они взаимно
нейтрализуют друг друга. При этом какое электричество называть положительным или
отрицательным — вопрос чисто условный.
3. В результате определенных действий, например трения, один вид
электричества можно отделить от другого.
4. Имеется два вида тел, в одних из них электрические жидкости могут двигаться
свободно, и поэтому они называются проводниками электричества. В других — не могут
двигаться, и поэтому они называются изоляторами. К проводникам относят металлы,
землю, человеческое тело. К изоляторам — фарфор, стекло, резину и т.п.
Все эти предположения, хотя и объясняют простейшие опыты с электрическими
явлениями, связаны с попытками распространения механистической концепции о невесомых
жидкостях на явления, принципиально отличные от механических явлений. Поскольку
течение жидкости происходит при разных ее уровнях, постольку пришлось и для
электричества ввести понятия разности потенциалов. Возникает, однако, вопрос: отличается
ли вес заряженного тела от электрически нейтрального тела?
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
31
Опыт показывает, что их вес является одинаковым. Чтобы согласовать этот факт с
допущением о существовании электрических жидкостей, пришлось объявить их
невесомыми субстанциями, а тем самым отойти от механистической концепции.
Невесомые субстанции раньше в большом числе придумывались для объяснения целого
ряда новых явлений немеханической природы. Так, например, теплоту рассматривали тоже
как невесомую субстанцию, подобную жидкости, которая течет от горячего тела к
холодному, если привести их в соприкосновение. В результате их температура станет
одинаковой. Однако совсем иначе происходит с электричеством, ибо при взаимодействии
разноименно заряженные тела становятся электрически нейтральными.
При дальнейшем развертывании исследований явлений электричества попытки их
объяснения с помощью механистических представлений наталкивались на более серьезные
трудности.
Связь электромагнетизма и оптики
О том, что с электромагнитными волнами люди сталкиваются каждый день,
наблюдая мир – что лучи света, попадающие на сетчатку наших глаз – это
электромагнитные волны, никто в то время не догадывался.
Установление равенства между скоростью света и скоростью распространения
электромагнитных волн явилось новым крупным шагом в выявлении единства между
внешне различными явлениями природы.
По вопросу о природе света до открытия электромагнитной теории Максвелла
существовали две конкурирующие гипотезы: корпускулярная и волновая.
Сторонники корпускулярной гипотезы, начиная с Ньютона, рассматривали свет как
поток световых корпускул, или дискретных частиц. Такая гипотеза хорошо
согласовывалась с принципами механистического мировоззрения, сторонники которого
достаточно убедительно объяснили прямолинейное распространение света, его
рефракцию, или преломление при переходе из одной среды в другую, и даже дисперсию,
или разложение белого света на составляющие его цвета, и др. Однако корпускулярная
гипотеза оказалась не в состоянии объяснить более сложные явления, такие, как
интерференция и дифракция света.
Под интерференцией волн понимают наложение когерентных световых волн. Когда
при этом совпадают гребни волн, тогда их амплитуды складываются и свет усиливается.
Если же гребень одной волны совпадает с впадиной другой, тогда амплитуда одной волны
вычитается из другой и вместо света в этом месте появится ослабление света или даже
темнота. Этот опыт в самом начале XIX в. произвел английский врач Т. Юнг. Если
пропустить через два близко расположенных булавочных отверстия световые лучи, то за
темным экраном можно наблюдать чередование светлых и темных колец. Светлые кольца
появляются в тех местах, где совпадают гребни волн, темные — в местах совмещения
гребней и впадин волн. Таким образом, под интерференцией понимают усиление или
ослабление света при наложении световых волн. Ясно, что с помощью корпускулярных
представлений о свете явление интерференции объяснить не удается.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
32
То же самое следует сказать о другом явлении, которое называют дифракцией,
возникающей при отклонении света от прямолинейного направления. Такое явление
наблюдается при прохождении света через узкие щели или огибании препятствий. На
экране, поставленном за ними, можно наблюдать чередующиеся светлые и темные круги,
которых не должно быть согласно корпускулярной теории.
Защитники волновой гипотезы рассматривают свет как процесс распространения волн,
подобный движению волн на поверхности жидкости. С помощью этой гипотезы они сумели
объяснить не только все явления, которые объяснила корпускулярная гипотеза, но также и
те, которые с трудом или совсем не поддавались объяснению с помощью прежней гипотезы
(интерференция и дифракция). Именно поэтому в XIX в. волновая гипотеза света вытеснила
из оптики корпускулярную гипотезу.
Световые волны, как и волны на поверхности жидкости, распространяются
перпендикулярно колебательному процессу и, следовательно, относятся к поперечным
волнам. В отличие от них звуковые волны называют продольными волнами, так как
направление их распространения совпадает с направлением движения воздуха.
Поскольку световые волны, как и волны на поверхности жидкости, возникают в
результате колебания по вертикали их частиц, то неизбежно возникает вопрос: какая
среда служит источником световых колебаний? В качестве ответа на него была
выдвинута гипотеза о существовании светового эфира, заполняющего все мировое
пространство и обладающего свойствами упругости. В результате этого передача света
ассоциировалась с колебаниями эфира. Однако никакими экспериментами
существование такого эфира не было обнаружено, и поэтому в дальнейшем от него
полностью отказались.
После открытия электромагнитных волн, скорость распространения которых равнялась
скорости света, ученые пришли к выводу, что свет представляет собой особый вид
электромагнитных волн. Он отличается от обычных электромагнитных волн крайне малой
величиной длины волны, которая равна 4,7 10-5 см для видимого и 10-6 см для невидимого,
ультрафиолетового света. Длинные электромагнитные волны, например в виде радиоволн,
могут распространяться на тысячи километров.
Таким образом, первым важнейшим результатом электромагнитной концепции стал
отказ от гипотезы существования светового эфира как особой среды для распространения
света. Такую роль стало играть само пространство, в котором происходит
распространение электромагнитных волн.
Второй результат заключается в объединении световых явлений с
электромагнитными процессами, благодаря чему оптика стала частью теории
электромагнетизма. Однако в начале XX в. было открыто явление фотоэлектрического
эффекта, заключающееся в испускании электронов веществом под воздействием света.
Электромагнитная теория света была не в состоянии объяснить независимость энергии
фотоэффекта от интенсивности освещения. Еще в конце XIX в. русский физик А.Г.
Столетов установил, что энергия фотоэффекта возрастает с частотой света, но не зависит
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
33
от его интенсивности. Этот результат явно противоречил предсказаниям
электромагнитной теории.
Чтобы объяснить фотоэффект, А. Эйнштейну пришлось отказаться от волновых
представлений о свете и обратиться к квантовой его природе, т.е. в видоизмененной
форме вновь возродить корпускулярную точку зрения на свет. Впервые о квантах
заговорили в 1900 г., когда известный немецкий физик М. Планк доказал, что энергия
излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями, или квантами. В
1905 г. Эйнштейн показал, что свет распространяется в виде потока световых квантов,
которые были названы фотонами.
Энергия фотонов зависит от их частоты, т.е. Е = hv, где h — постоянная Планка, v —
частота.
Квантовый взгляд на природу света не мог полностью опровергнуть представлений
о волновом его характере, о чем свидетельствовали явления интерференции и дифракции.
Как можно было объединить в единой картине квантовые и волновые представления? Об
этом мы узнаем позже, когда познакомимся с квантовой механикой и теорией
элементарных частиц.
Поле и вещество
Введение понятия электромагнитного поля расширило научное представление о
формах материи, изучаемых в физике.
Классическая, ньютоновская физика имела дело только с одной-единственной
формой физической материи — веществом, которое было построено из материальных
частиц и представляло собой систему таких частиц, в качестве которых рассматривались
либо материальные точки (механика), либо атомы (учение о теплоте).
Если главной характеристикой вещества является масса, так как именно она
фигурирует в основном законе механики F = та, то в электродинамике основным
является понятие энергии поля. Другими словами, при изучении движения в механике в
первую очередь обращают внимание на перемещение тел, обладающих массой, а при
исследовании электромагнитного поля — на распространение электромагнитных волн в
пространстве с течением времени.
Другим отличием вещества от поля является также характер передачи воздействий. В
механике такое воздействие передается с помощью силы, причем оно может быть
осуществлено в принципе на какое угодно расстояние, в то время как в электродинамике
энергетическое воздействие поля передается от одной точки к другой.
Наконец, нельзя не отметить также тот немаловажный факт, что, после того как
источник электромагнитных волн прекращает свое действие, возникшие
электромагнитные волны продолжают распространяться в пространстве. Выходит, что
электромагнитные волны могут существовать автономно, без непосредственной связи с
источником энергии.
Исторически подход к изучению природы с точки зрения вещества и связанной с
ним массы нашел отчетливое выражение в механистической картине мира, которая
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
34
пыталась объяснить другие, немеханические явления с помощью понятий и принципов
механики. В его основе лежит представление о дискретной природе вещества, которое в
механике рассматривалось как система материальных частиц, а в других науках —
совокупность атомов или молекул. Таким образом, дискретность можно рассматривать
как конечную делимость материи на отдельные, все уменьшающиеся части. Еще
античные греки поняли, что такая делимость не может продолжаться бесконечно, ибо
тогда исчезнет сама материя. Поэтому они выдвинули предположение, что последними
неделимыми частицами материи являются атомы.
С дискретной точки зрения строение материи можно представить в виде такой
структуры, которая предполагает возможность ее конечного деления на все
уменьшающиеся отдельные части, начиная от молекул и атомов и кончая элементарными
частицами и кварками.
С точки зрения непрерывности материя представляется в виде определенной
целостности и единства. Наглядным образом такой непрерывности является любая
сплошная среда, которая заполняет определенное пространство. Свойства такой среды,
например жидкости, изменяются от одной точки к другой непрерывно, без перерыва
постепенности и скачков. На примере электромагнитного поля мы убедились, что силовое
воздействие такого поля передается от близлежащей предшествующей точки к
последующей, т.е. непрерывно.
В классической теории существовало явное противопоставление дискретности и
непрерывности, когда исключалось всякое их взаимодействие при изучении вещества и
поля. В современной же физике, как мы убедимся в дальнейшем, именно взаимосвязь и
взаимодействие дискретности и непрерывности, корпускулярных и волновых свойств
материи при исследовании свойств и закономерностей движения ее мельчайших частиц
служит основой адекватного описания изучаемых явлений и процессов. Таким
микрочастицам материи присущ корпускулярно-волновой дуализм, т.е. они одновременно
обладают как свойствами корпускул (вещества), так и волн (поля).
Подобное представление совершенно чуждо классической физике, в которой
дискретный и корпускулярный подход применялся при изучении одних явлений, а
непрерывный и полевой — при исследовании других. Более того, мы знаем теперь, что
механистическая трактовка явлений электричества и магнетизма основывалась в
конечном счете на дискретной и корпускулярной их интерпретации, когда они
рассматривались как особые субстанции, т.е. когда отождествлялись с разновидностью
вещества.
Более универсальный подход к единому объяснению всех физических явлений с
точки зрения единой теории поля был выдвинут в качестве грандиозной программы
создателем теории относительности А. Эйнштейном, но так и остался
нереализованным. Основные его идеи станут понятными после того, как мы
познакомимся с теорией относительности.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
35
Диалектическое взаимодействие дискретности и непрерывности находит свое яркое
воплощение в современных квантовых теориях полей. Действительно, взаимодействие в
квантовой теории электромагнитного поля происходит в результате взаимного обмена
фотонами, квантами этого поля. То же самое можно сказать о гравитационном поле, где
такое взаимодействие осуществляется с помощью гравитонов, гипотетических частиц
такого поля. Частицы, или кванты, поля в каждой точке пространства создают поле сил,
которое оказывает свое воздействие на другие частицы.
Само же поле в истории физики интерпретировалось по-разному. В первых
представлениях об электромагнетизме поле рассматривалось чисто механически, а именно
как натяжение силовых линий между зарядами, а в оптике как упругое колебание особой,
все проникающей среды — мирового эфира. После отказа от такого допущения сначала в
теории электромагнитного поля, а затем в теории относительности на роль своеобразного
эфира в современной физике претендует, по-видимому, физический вакуум.
В квантовой теории поля он рассматривается как низшее энергетическое состояние
квантованных полей, в котором отсутствуют какие-либо реальные частицы. Однако
возможность виртуальных процессов в вакууме приводит к определенным эффектам при
взаимодействии его с реальными частицами. В квантовой теории поля понятие
физического вакуума считается основным, поскольку его свойствами определяются
свойства всех других состояний системы.
Таким образом, с развитием физики представления о веществе и поле в корне
изменились. Прежнее их противопоставление в классической физике уступило место
пониманию их взаимосвязи и взаимодействия в современной физике. С одной стороны,
вещество рассматривается как определенная дискретная система взаимодействующих
элементарных частиц. С другой стороны, поле как непрерывная целостность состоит из
квантов поля, которые обмениваются друг с другом энергией и тем самым обеспечивают
существование и движение самой системы.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
15
Размер файла
823 Кб
Теги
лекция, 3147, картины, электромагнитная, мира
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа