ВІДКРИТТЯ ОСНОВНИХ ЗАКОНІВ ЕЛЕКТРОМАГНЕТИЗМУ

В результаті вивчення даного розділу студент повинен:

знати

  • • історичні етапи розвитку електростатики, історію відкриття основних законів електродинаміки;
  • • ньютоновский підхід до вивчення електричних явищ, фізичну сутність закону Кулона, явища електромагнітної індукції, закону електромагнітної індукції, магнітного і хімічної дії струму;
  • • основоположні ідеї унітарної теорії електричних явищ Б. Франкліна;

вміти

  • • оцінювати внесок У. Гільберта в дослідження електричних і магнітних явищ, російських вчених в вчення про електричні явища, історичні досліди Ш. Кулона, X. Ерстеда, А. Ампера, М. Фарадея, місце книги «Експериментальні дослідження з електрики» в історії науки ;
  • • обговорювати біографії першовідкривачів законів електромагнетизму;

володіти

• навичками оперування основними поняттями електродинаміки.

Ключові терміни: унітарна теорія електричних явищ, електростатика, закон Кулона, електродинаміка, електромагнітна індукція, концепція близкодействия.

Систематичні дослідження електричних і магнітних явищ були розпочаті англійським вченим і лікарем Вільямом Гільбертом (1544-1603) в самому кінці XVI століття. У 1600 році він видав твір «Про магніті, магнітних тілах і великому магніті - Землі», в якому описав результати своїх 18-річних досліджень магнітних і електричних явищ і висунув перші теорії електрики і магнетизму. Зокрема, він встановив, що: будь-який магніт має два полюси, при цьому однойменні полюси відштовхуються, а різнойменні - притягуються; залізні предмети під впливом магніту набувають магнітні властивості.

Вивчаючи магнітні властивості намагніченої залізної кулі ( «Терелл»), Гільберт показав, що він діє на стрілку компаса так само, як Земля, і прийшов до висновку, що остання є гігантським магнітом. За допомогою свого «версора» (першого електроскопа) Гільберт показав, що здатність притягувати дрібні предмети володіє не тільки натертий янтар, але і алмаз, сапфір, кришталь, скло та інші речовини, які він назвав «електричними», вперше ввівши цей термін в науку . Завдяки Гильберту наука про електрику збагатилася новими відкриттями, точними спостереженнями, приладами.

Дослідження Гільберта були продовжені О. Геріке, Р. Гуком, І. Ньютоном, Р. Бойл і іншими вченими. У 1700 р доктор Уолл вперше побачив (і відчув) електричну іскру від великого наелектризованого шматка бурштину, вона проскочила йому в палець. У 1705 р іскру в інших умовах спостерігав член ЛКО Френсіс Гауксбі (1670-1713), а в 1716 р - Ньютон, якому ця іскра нагадала блискавку. У другій половині XVII ст. дослідження електрики розширюються, а на початку XVIII ст. ними починають займатися крім вчених численні любителі. Досліди з електрикою стають поширеним «хобі» і розвагою. Цьому сприяли і численні власники майстерень, які виготовляли наукові прилади, а також видавці, що випускали книги для любителів. Таким чином, дослідження в області електрики в цю епоху проводилися зусиллями як вчених-спе- циалистов, так і ентузіастів-дилетантів, яким належить чимала роль у швидкому розвитку цього розділу фізики. Але ми все-таки зупинимося на роботах вчених, оскільки саме їм належить встановлення всіх фізичних законів вчення про електричні явища.

Дослідами з електрики активно займалися члени Лондонського королівського товариства. Так, Ф. Гауксбі, будучи демонстратором ЛКО, в 1706 р сконструював першу скляну електричну машину. Він же виявив відштовхування наелектризованих предметів. Інший член ЛКО, Стефен Грей (1666-1736), відкрив явище електропровідності і виявив, що для збереження електрики потрібно ізолювати тіло. Саме Грей проводив досліди з електризації людського тіла: він наелектризував дитини, підвісивши його на шнурах з волосся, а потім поставивши на смоляний диск. Він же першим розділив всі тіла на провідники і непроводнікі електрики.

Французький натураліст Шарль Франсуа Дюфе (1698-1739) відкрив, що електрика може бути двоякого роду. Одне з них він назвав «скляним», інше «смоляним». Потім в 1733 році він встановив закон, за яким наелектризовані скляним електрикою предмети притягуються до наелектризованим смоляним електрикою і відштовхуються від скляного. Ми тепер розуміємо, що їм були встановлені два типи зарядів - позитивні і негативні. Як дослідник, Дюфе намагався слідувати ньютонівської програмі. Він, до речі, вперше висловив думку про електричну природу блискавки і грому.

Зараз нам здається, що подібне пояснення грози існувало завжди. Однак у кожного, навіть самого простого, винаходи або відкриття є свій автор. Як правило, ми не знаємо його імені, але іноді, як у даному випадку, автор виявляється відомим. Нерідко винахідників було кілька. Прикладом може служити винахід скляного конденсатора - лейденської банки, зроблене в 1745-1746 рр. відразу двома експериментаторами (Е. Клейста і П. ван Мушенбрук). Після її винаходи досліди з електрикою стали небезпечними. Пітер ван Мушенбрук (1692-1761) з Лейдена ледь не загинув від електричного розряду в 1746 р, а 26 липня 1753 році при проведенні дослідів з електрикою загинув від удару блискавки російський вчений Георг Вільгельм Рихман, який запропонував перший електро метр.

Георг Вільгельм Рихман (1711-1753) - російський фізик, народився в 1711 р в Пярну (тоді він називався Пернов), навчався в університетах Лейдена і Єни. З 1735 р Рихман працює в Петербурзькій академії наук, будучи її професором з 1741 року, а з 1744 року - керівником фізичного кабінету.

Основним досягненням Рихмана було створення в 1745 р «електростатичного покажчика», за допомогою якого він намагався піддати електричні явища кількісному аналізу. У своїй роботі «Міркування про покажчику електрики і про користування їм при дослідженні явищ штучного і природного електрики» він самокритично зауважив, що йому не вдалося створити досконалий електрометрії. І не дивно. Такі електрометрії були створені тільки в другій половині XIX ст. У 1752-1753 рр. Рихман досліджував атмосферну електрику і 26 липня 1753 р загинув під час дослідів від удару блискавки.

Лондонське королівське товариство, як і раніше приділяло значну увагу дослідженням в області електрики. Так, з 1747 по 1754 року в ЛКО надійшли листи від любителя фізики з США Бенжаміна Франкліна , адресовані члену ЛКО підприємцю і натуралісту П. Коллінсону. У цих листах він повідомляв в Англію про виконані ним дослідах з електрики і про свої міркування з цього приводу.

Бенджамін Франклін (1706-1790) - американський фізик і громадський діяч, один з «батьків-засновників» США, чий портрет можна побачити на 100-доларової асигнації. Він народився в 1706 р в родині бостонського миловара. Франклін рано почав трудову діяльність, допомагаючи батькові, а потім брата, який володів невеликою друкарнею. Займався самоосвітою, потім став пробувати себе в журналістиці. Поступово Франклін добився успіхів і став шанованою людиною. Більшу частину життя він прожив в Філадельфії, де займав цілий ряд виборних посад, став засновником Пенсільванського університету, публічної бібліотеки, филадельфийского філософського товариства.

Під час боротьби за незалежність США Франклін був послом у Франції, зумівши домогтися її підтримки в боротьбі своєї країни з Англією. Франклін був в числі авторів «Декларації незалежності», був одним з тих, хто підписував мирний договір з Англією, брав участь в розробці Конституції США. Помер Франклін в 1790 р

Наукові роботи Франкліна присвячені вивченню електричних явищ; він здійснив ряд принесли йому широку популярність експериментів. Зокрема, їм було пояснено дію лейденської банки, побудований перший плоский конденсатор, доведена електрична природа блискавки. Як теоретик Франклін побудував «унітарну теорію» електричних явищ, в рамках якої електрику є особливу рідину, що пронизує всі тіла. В унітарній теорії містилося поняття про позитивний і негативний електриці, а також закон збереження електричного заряду.

«Листи» Франкліна були вельми популярними, в Європі вони були видані окремою книгою і перекладені багатьма мовами (крім російської). Останнє було пов'язане із загибеллю Рихмана, якого, за твердженням багатьох людей, спіткала кара за «богопротивні» дослідження. Це призвело до послаблення в Росії інтересу до таких досліджень.

Франклін, як випливало з його листів, провів численні експерименти з вивчення електричних явищ, в тому числі грози (його досвід 1753 р зі змієм, запущеним в грозову хмару, став одним з найвідоміших експериментів в області електрики). Він же пояснив дію лейденської банки, створив перший в історії плоский конденсатор і т.п. Ці досліди, зокрема, переконали Франкліна в електричну природу блискавки (рис. 9.1), а в практичному плані привели до винаходу громовідводу (громовідводу).

Дуже важливо теоретичне осмислення численних дослідів з електрики. Першою такою спробою була так звана унітарна теорія, розроблена самим Франкліном і носила феноменологічний характер. В її основі лежало існування якоїсь рідкої «електричної субстанції», що складається з дуже малих частинок і здатною проникати всередину матерії, не зустрічаючи опору. Звичайна матерія в цьому випадку представляє собою своєрідну «губку» для електричної рідини. Частинки електричної субстанції відштовхуються одна від одної. Франклін негласно припускав, що в природі дотримується закон збереження кількості субстанції, тобто по суті - закон збереження заряду. Рухом «електричної субстанції» пояснювалися всі відомі досліди з електрикою.

Теоретичні погляди Франкліна знайшли розуміння в науковому співтоваристві того часу. Однак були і незгодні. Уже відомий нам абат Нолле і деякі інші вчені вважали важливими не ті процеси, які відбуваються всередині електрізуемость тел, але відбуваються поза ними, в просторі. Викликав також суперечки ньютоніанская характер теорії Франкліна: поява в ній сил тяжіння і відштовхування невідомої природи. Опозиція, особливо у Франції, була настільки сильна, що Лемін, що становив в 1752 р статтю «Електрика» для «Енциклопедії» Дідро, взагалі обійшов мовчанням теорію Франкліна. В м Сент-Омер в 1780-1784 рр. проходив судовий процес проти громадянина, який встановив на будинку громовідвід і якого звинувачували в зв'язку з цим в «притягнення» блискавки на голови своїх співгромадян. Він був виправданий завдяки успішному захисті, яку вів тоді ще молодий адвокат Максиміліан Робесп'єр, один з головних політичних діячів Великої французької революції.

Досліди Бенжаміна Франкліна по статичної електрики У 1759 року в Петербурзі вийшла на латинській мові книга «Досвід теорії електрики і магнетизму» академіка Франца Епінуса

Мал. 9.1. Досліди Бенжаміна Франкліна по статичної електрики У 1759 року в Петербурзі вийшла на латинській мові книга «Досвід теорії електрики і магнетизму» академіка Франца Епінуса (тисячу сімсот двадцять чотири -1802). У ній була представлена перша математична теорія електричних і магнітних явищ. Слідом за Б. Франкліном Епінус в основу своєї теорії поклав уявлення про електричних і магнітних «рідинах», надлишок або недолік яких і призводить до електризації або намагничиванию тел і, виходячи з цього, пояснив явища електростатичної і магнітної індукції.

Новий період вивчення електрики настав тоді, коли почалися дослідження сил, що діють між наелектризованими тілами; при цьому мікроскопічні явища не досліджувалися. Це типовий ньютоновский підхід. Він неминуче повинен був привести до відкриття закону, який ми тепер пов'язуємо з ім'ям Шарля Кулона.

Як і багато інших великих закони, закон Кулона відкривався кілька разів. Фактично його можна було встановити вже з експериментів Франкліна. Англійський натураліст і автор «Історії електрики» (1767) Джозеф Прістлі (1733-1804) повторив його досліди і висловив припущення про взаємодію електричних зарядів, яке ми тепер називаємо законом Кулона.

Англійський вчений Генрі Кавендіш експериментально довів, що сила взаємодії зарядів обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Це відкриття не стало, проте, надбанням науки в силу мізантропії і скритності характеру Кавендіша. Лише після того як Максвелл в 1879 р опублікував його роботи (і повторив досліди), стало відомо, що Кавендіш відкрив закон взаємодії електричних зарядів ще в 1771 р

Генрі Кавендіш (1731-1810) - англійський фізик, син знатного англійської роду, лорд, народився в Ніцці, закінчив Кембриджський університет. Будучи мізантропом і ненавидів жінок, він все життя майже безвиїзно провів у своєму маєтку, маючи лише одну пристрасть - заняття наукою. Кавендіш вкрай неохоче публікував результати своїх наукових робіт, в зв'язку з чим його дослідження з електрики довгий час нікому не були відомі. Лише після того, як Дж. К. Максвелл в 1879 р опублікував ці роботи, стало ясно, що Кавендіш відкрив закон взаємодії електричних зарядів ще в 1771 р, проте не опублікував своє відкриття, і це коштувало йому пріоритету. В інших дослідженнях Кавендіш встановив вплив середовища на ємність конденсатора і визначив діелектричну проникність ряду речовин.

В історію фізики Генрі Кавендіш увійшов як людина, «зважити» земну кулю. У 1798 році він провів знамениті досліди, які дозволили підтвердити закон всесвітнього тяжіння і визначити величину гравітаційної постійної. Є у нього і інші досягнення у фізиці і хімії.

Що ж стосується скритності Кавендіша, то, як писав в 1891 р англійський математик, фізик та інженер Олівер Хевісайд (1850-1925), «вона зовсім непрощенна, це гріх». Цей гріх коштував Кавендишу слави відкривача точного закону електричного взаємодії, який тепер називається законом Кулона.

Шарль Огюстен Кулон - французький військовий інженер довгий час займався дослідженнями крутіння шовкових і металевих ниток. Він отримав формулу, яка б пов'язала момент сили М, закручує нитку, кут закручування ф і геометричні розміри нитки (довжину / і діаметр d):

Коефіцієнт р залежить від пружних властивостей речовини і від форми поперечного перерізу нитки.

Шарль Огюстен Кулон (1736-1806) - французький фізик і військовий інженер, народився в м Ангулеме, закінчив школу військових інженерів і все життя перебував на військовій службі. Досліджуючи процеси кручення ниток, він відкрив дуже чутливий метод вимірювання сили. На цій основі було створено крутильні ваги, які послужили основним пристроєм для вимірювання сил, що виникають при взаємодії електричних зарядів і точкових магнітних полюсів. Ці вимірювання лягли в основу фундаментального закону електростатики - закону Кулона. Шарль Кулон - визнаний засновник електро- і магнітостатики.

Використовуючи цю закономірність, Кулон в 1784 р сконструював чутливий прилад - крутильні ваги (рис. 9.2). З їх допомогою і був встановлений закон взаємодії електричних зарядів. Результати дослідів опубліковані в семи мемуарах з електрики і магнетизму, що вийшли в 1782-1785 рр.

Прилад Кулона був скляний циліндр зі шкалою по колу. У центральний отвір була пропущена срібна нитка з прикріпленим до неї коромислом з ізолятора, кулькою з бузини та противагою. У бічний отвір пропускався стрижень з таким же точно кулькою, але вже наелектризованим. Не вміючи вимірювати величину заряду, Кулон забезпечував таким чином в кожному експерименті рівність взаємодіючих зарядів. Для цього обидві кульки спочатку наводилися в зіткнення, а потім розлучалися. При цьому початковий заряд ділився порівну між ними.

Крутильні ваги Шарля Огюстена Кулона

Мал. 9.2. Крутильні ваги Шарля Огюстена Кулона

У 1785 р в першому зі своїх знаменитих мемуарів Кулон опублікував експериментально встановлений ним основний закон електростатики: сила взаємодії електричних зарядів пропорційна величині кожного з них і обернено пропорційна відстані між зарядами. Цей закон отримав назву закону Кулона. Через три роки він поширив дію цього закону на взаємодію точкових магнітних полюсів.

Точність вимірювань, яку забезпечив Кулон в своєму експерименті, не надто висока. У всякому разі, у Кавендіша вона вище. У той же час закон Кулона - фундаментальний закон, і точність його встановлення має фундаментальне значення. Це пов'язано з тим, що в знаменнику формули варто величина гл, причому, згідно Кулону, п = 2. Така величина показника ступеня безпосередньо пов'язана з величиною маси спокою кванта електромагнітного поля - фотона (вона відсутня, якщо п точно дорівнює 2). Чим з більшою точністю ми встановлюємо величину показника ступеня в знаменнику формули Кулона, тим з більшою підставою можна говорити про відсутність у фотона маси спокою. Тому вже більше 200 років не припиняються спроби все з більшою точністю встановити це значення. Відповідно до сучасних уявлень п = 2 ± q,

де q < 6 • 10 -16 . Це означає, що маса спокою фотона, якщо вона є, не перевищує 1,6 • 10 ~ 50 кг.

Наукові результати, отримані Кулоном, послужили основою для створення в XIX в. математичної теорії електростатики. Біля її витоків стояли Симеон Дені Пуассон (1781-1840), Карл Фрідріх Гаус (1777-1855), Джордж Грін (1793-1841), Михайло Васильович Остроградський (1801-1862) і ін.

Відкриття закону Кулона завершує тривалий процес становлення електростатики, подальший розвиток науки про електрику пов'язано з виникненням електродинаміки. Перші роботи в цьому напрямку були виконані ще в XVIII в. Вони пов'язані з іменами Луїджі Гальвані (1737-1798), італійського вченого, який прославився відкриттям так званого тваринного електрики, і іншого італійця Алессандро Вольта (1745-1827), винахідника першого джерела електричного струму.

Відкриття Гавльвані і Вольта спонукали російського вченого Василя Володимировича Петрова (1761-1834) провести серію самостійних оригінальних дослідів, описаних ним у книзі «Звістка про гальвані-вольтовскіх дослідах ...», Санкт-Петербург, 1803 г.). Найбільш чудовими результатами цих дослідів представляються опису електролізу оксидів металів (ртуті, свинцю, олова), рослинних масел, води; отримання електричного світла і білого полум'я між двома шматками деревного вугілля. Одним з видатних успіхів Петрова стало відкриття в 1802 р явища електричної дуги і доказ можливості її практичного застосування для цілей плавки, зварювання металів, відновлення їх з руд і освітлення.

Ці та інші відкриття підготували фізику до переходу від електростатики до електромагнетизму. Зв'язок між електричними і магнітними явищами була встановлена в 1820 р датським фізиком Хансом Крістіаном Ерстед.

Ханс Крістіан Ерстед (1777-1851) народився в Копенгагені, навчався там в університеті, в 20 років мав диплом фармацевта, а в 22 став доктором філософії. З 1806 р Ерестед був професором цього університету. Захопившись філософією Шеллінга, який абсолютизував єдність і боротьбу протилежних начал в природі, Ерстед багато розмірковував про зв'язок між теплотою, світлом, електрикою і магнетизмом. Результатом цих роздумів виявилися дві брошури, з яких друга (вона вийшла в 1820 р) носить назву «Досліди, які стосуються дії електричного конфлікту на магнітну стрілку». У ній, якщо відволіктися від тодішньою термінологією, архаїчної і до того ж засміченою філософськими термінами, характерними для Шеллінга, Ерстед повідомляє про виявлення ним магнітного поля електричного струму. Це відкриття обессмертило його ім'я.

Відкриття Ерстеда викликало цілу лавину досліджень. Йоганн Поггендорф (1796-1877), Жан-Батист Біо (1774- 1862), Фелікс Савар (1791-1841), П'єр-Симон Лаплас (1749- 1827) та інші дослідники не тільки повторили досліди Ерстеда, але також відкрили безліч нових фактів і встановили закон взаємодії між елементами струму і намагніченою точкою. Вони привели науку на поріг нового розділу фізики - електродинаміки.

Сам термін «електродинаміка» ввів французький вчений Андре-Марі Ампер. Вершина наукової творчості Ампера - створення теорії електродинаміки. Після повідомлення в Паризькій Академії наук про роботу Ерстеда буквально протягом двох тижнів Ампером були зроблені відкриття, записи про які з'явилися в протоколі Академії від 18 вересня 1820 року і які лягли в основу всієї сучасної електродинаміки. Це був плід напруженої роботи вченого, свого роду осяяння. Уже 2 жовтня, через три тижні після появи брошури Ерстеда, вийшла ґрунтовна стаття Ампера з викладом основ електродинаміки.

Андре-Марі Ампер (1775-1836) - французький фізик, народився в Ліоні в сім'ї комерсанта, дуже рано проявив видатні здібності. Отримав домашню освіту. Після страти батька в 1793 р Ампер стає викладачем. З 1808 року він професор політехнічної школи, з 1814 р - академік.

Наукові інтереси Ампера відрізняються великою різноманітністю: від оптики до ботаніки, від хімії до порівняльної зоології живих організмів. Однак головні досягнення Ампера - роботи з електродинаміки. У 1826 р виходить його головна праця «Теорія електродинамічних явищ, виведена виключно з досвіду».

У ньому підсумовуються результати досліджень за шість років. Тут викладена електродинаміка Ампера, історичне значення якої дуже велике, протягом декількох десятиліть вона відігравала провідну роль у вченні про електромагнетизм. Ця теорія була створена за образом і подобою «Начал» Ньютона, що дозволило Максвеллу назвати Ампера «Ньютоном електрики».

Особисте життя Ампера була в достатній мірі складною. Загибель батька, смерть гаряче улюбленої матері, першої дружини, невдалий другий шлюб, слабке здоров'я. Відбилися на ньому і події «ста днів» (1815 р, період вторинного правління Наполеона). Помер Ампер в 1836 р

Ампер вводить поняття « електричний струм», «електрична напруга», «електричний ланцюг», встановлює напрямок струму в електричному ланцюзі. Він же пропонує термін «гальванометр», розуміючи, що встановлені ним фундаментальні закони дають можливість вимірювати параметри електричного струму.

Ампер вперше встановив механічна дія струму, що відрізняється від електростатичного взаємодії. У нього виникла ідея електромагнітного телеграфу в перший же рік після відкриття електромагнетизму. Ампер розробив уявлення про магніті як про «сукупність електричних струмів», прийшов до висновку про еквівалентність магніту і соленоїда. Це привело його до думки про відсутність магнітної рідини і про можливість звести всі явища магнетизму до електродинамічним взаємодій.

Узагальнюючим працею Ампера стала «Теорія електродинамічних явищ, виведена виключно з досвіду», видана в 1826 р Вона підсумувала проведені ним електродинамічні дослідження. Основним завданням, що стоїть перед Ампером, був висновок формули, яка описує взаємодію елементів струму. Формула Ампера лягла в основу ряду основоположних законів електродинаміки. При цьому спостерігається новий тип сил, відмінних від центральних, для яких не виконується третій закон Ньютона. Це стало ясно далеко не відразу, а сам Ампер шукав свій закон в рамках ньютоновских механічних уявлень.

Створена Ампером електродинаміка грунтувалася на теорії дальнодействия, яка потім була відкинута наукою. Проте історичне значення електродинаміки Ампера дуже велике. Протягом декількох десятиліть вона відігравала провідну роль у вченні про електромагнетизм, і навіть тоді, коли Дж. К. Максвеллом була побудована несуперечлива теорія електромагнітних явищ, багато ідей Ампера природним чином увійшли в неї.

Як це завжди буває в науці, відкриття нового напрямку привертає до нього безліч дослідників. Звичайно, так сталося і з електродинаміки. З відкриттів цього часу слід назвати роботи німецького вченого Томаса Йоганна Зеебека (1770-1831), який вивчав термоелектрика, дослідження професора з Мюнхена Георга Симона Ома (1787- 1854), який встановив закон, що зв'язує опір електричного кола, напругу і силу струму, російського фізика Емілія Хрістіановіна Ленца (1804-1865), який працював в області електромагнетизму і відкрив ряд законів, які стали хрестоматійними, винахідника електромагніту американця Джозефа Генрі (1797-1878). Однак все-таки найважливіші відкриття в цій галузі були зроблені Майклом Фарадеєм (рис. 9.3).

Майкл Фарадей (1791-1867) - англійський фізик, народився в сім'ї лондонського коваля. Після закінчення початкової школи вступив до учні до палітурника. Тут він заповнював читанням недоліки освіти, відвідував популярні лекції з фізики і хімії, які читав відомий хімік і фізик Г. Деві. Він зробив Фарадея своїм асистентом. Геніальний самородок вступив на шлях, що веде його до безсмертя.

Фізичні дослідження Фарадея присвячені електромагнетизму. Перші досягнення Фарадея - відкриття законів електролізу. Незабаром його зацікавило магнітне поле навколо струму, яке може дати можливість механічного обертання. Потім Фарадей поставив перед собою завдання: перетворити магнетизм в електрику. Це призвело до відкриття в 1831 р явища електромагнітної індукції. Список відкриттів Фарадея дуже великий; з 1831 р вони регулярно публікуються в статтях, які склали потім тритомна праця «Експериментальні дослідження з електрики».

Але найважливішим в роботах Фарадея слід вважати введення ним поняття електромагнітного поля. На думку А. Ейнштейна, це було найоригінальнішою ідеєю Фарадея і найважливішим відкриттям з часів Ньютона. Інші експериментальні роботи Фарадея цього часу присвячені дослідженням магнітних властивостей різних середовищ. Зокрема, в 1845 р їм були відкриті явища діамагнетизму і парамагнетизм. Фарадей був чудовим популяризатором фізики. Його знаменита книга «Історія свічки» переведена майже на всі мови світу. Помер Майкл Фарадей 25 серпня 1867 р

Фарадей почав свої фізичні дослідження з явищ електролізу. Незабаром його зацікавили проблеми, пов'язані з наявністю магнітного поля навколо провідника зі струмом, яке може дозволити здійснити механічне обертання. У грудні 1821 р заробив перший в історії електродвигун. Після цього Фарадей поставив перед собою завдання: «перетворити магнетизм в електрику» і послідовно виконував її протягом багатьох років. З 1831 він почав публікації статей, які склали потім тритомна праця «Експериментальні дослідження з електрики».

Портрет Майкла Фарадея

Мал. 9.3. Портрет Майкла Фарадея

Що ж написано в цій книзі, що стала класикою наукової літератури? В її першій серії містяться розділи: «Про індукції електричних струмів», «Про освіту електрики і магнетизму», «Про новий електричному стані матерії», «Про поясненні магнітних явищ», відкритих Домініком Франсуа Араго (1786-1853) і ін. Зміст кожного з цих розділів знайоме нам безпосередньо з фізики, а не тільки з її історії. Для нас дуже важливо, що в них йдеться про «поширенні» магнітного взаємодії, на яке потрібен час, і про те, що цей процес можна описати за допомогою теорії коливань. Інтуїція Фарадея разюча, адже він фактично прийшов до ідеї електромагнітного поля і його поширення з кінцевою швидкістю.

У першій половині XIX ст. ці відкриття «витали в повітрі», не дивно, що до відкриття явища електромагнітної індукції незалежно від Фарадея і практично одночасно з ним прийшли Огюстен Жан Френель (1788-1827), Ампер, Генрі, а вже після Фарадея велике число дослідників згадали, що вони бачили це явище, але не звернули на нього уваги. Подібну ситуацію ми вже обговорювали в зв'язку з відкриттям Ньютоном закону тяжіння, математичного аналізу і т.п.

У 1830 р, незважаючи на стиснуте матеріальне становище, Фарадей рішуче відмовляється від виконання будь-яких науково-технічних досліджень та інших робіт, щоб цілком присвятити себе науковим дослідженням. Незабаром він домагається блискучого успіху: 29 серпня 1831 р відкриває явище електромагнітної індукції - явище породження електричного поля змінним магнітним полем (рис. 9.4). Кілька днів напруженої роботи дозволили Фарадею всебічно і повністю дослідити це явище, яке без перебільшення можна назвати фундаментом, зокрема всім сучасним електротехніки.

Досвід по електромагнітної індукції (малюнок Фарадея)

Мал. 9.4. Досвід по електромагнітної індукції (малюнок Фарадея)

Фарадей встановив, що ЕРС індукції виникає при зміні магнітного потоку. Дж. К. Максвелл пізніше висловив це рівністю:

де е - електрорушійна сила (ЕРС) індукції; - - швидкість

at

зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром.

Фарадей каже, що «здатність індукувати струм проявляється по колу навколо магнітної рівнодіюча». Максвелл наділив це в вираз:

де Е - вектор напруженості електричного поля; В - вектор індукції магнітного поля. Знак «-» відповідає правилу Ленца.

В одній із серій доповідей (третьої) Лондонському королівському суспільству, відомих під назвою «Експериментальні дослідження з електрики», Фарадей поклав край суперечці про різні види електрики: звичайному, тваринному, індукційному, які побутували в цей час не тільки серед любителів, а й серед професійних вчених. Досвідченим шляхом він доводить їх тотожність.

П'ята, шоста і сьома серії доповідей були присвячені результатами вивчення хімічного дії струму. Саме тут введені терміни «анод», «катод», «електроліз», «електромагніт » і т.п. Фарадей встановлює закони електролізу (вони тепер носять його ім'я), вміло користуючись основними уявленнями хімії, відомими йому ще з часу спільної роботи з Гемфрі Деві (1778-1829). Головним досягненням цієї частини досліджень Фарадея є його ідея про дискретності електричного заряду. У найбільш ясному вигляді вона викладена в сьомий серії доповідей, в тринадцятому розділі, якій носить характерну назву «Про абсолютній кількості електрики, пов'язаному з частинками або атомами матерії».

В одинадцятій серії своїх доповідей Фарадей докладно викладає результати досліджень діелектриків. Тут він пропонує ввести нову величину, називаючи її питомої індукцією, або питомої індуктивної здатністю. Зараз ми її називаємо діелектричної проникністю е. Тут же Майкл Фарадей описує різні форми розряду в газах. Виявлене їм темний простір, що розділяє області світіння у катода і анода, називають фарадеевих.

Можна ще довго описувати дивовижні експериментальні досягнення Майкла Фарадея і його рідкісні по красі пояснення спостережуваних явищ. Вони часто базувалися не стільки на доскональному знанні теоретичних основ відкритого ефекту, скільки на неймовірною наукової інтуїції, якою він володів. Сказаного досить і для того, щоб зрозуміти, яким дивовижним було різноманітність його інтересів.

І все-таки відзначимо ще кілька досягнень Фарадея. Ось, наприклад, 2071-й параграф «Експериментальних досліджень з електрики», датований 29.12.1839. У ньому наведено закінчена якісна формулювання закону збереження і перетворення енергії. Зокрема, описаний ефект обертання площини поляризації, який зараз носить назву ефекту Фарадея.

Для історії фізики важливо не тільки перерахування досягнень Фарадея. Ще більш важливим є те, що він прийшов до встановлення фундаментально нової ідеї - ідеї поля. Ця ідея з точки зору високої теорії кілька наївна - Фарадей ніколи не був сильний в теорії, він же не мав систематичного математичної освіти, і математично її сформулював Максвелл. Зате Фарадей був прекрасним експериментатором, винахідником нових методів дослідження фізичних явищ і майстром їх наочного опису. Так, наприклад, він розробив методику дослідження магнітного поля за допомогою гальванометра. Він же ввів метод зображення магнітного поля за допомогою силових ліній. Слід зазначити, що Фарадей мав небачену наукової інтуїцією, своєрідним «звіриним чуттям». В історії фізики немає іншого такого вченого.

Ставлення сучасників до Фарадею було двоїстим. З одного боку, не можна було не захоплюватися його експериментальними досягненнями, інтуїтивним умінням дати пояснення найскладнішим і незвичайним явищам. З іншого боку, сучасники бачили обмеженість математичного апарату, який використовувався Фарадеем. Науковий снобізм часто не дозволяв колегам Фарадея зрозуміти істинне значення його відкриттів. Зараз, через багато років, ми можемо більш адекватно оцінити внесок Фарадея в фізичну науку. Найпростіше це зробити шляхом порівняння. Майкл Фарадей зіграв в електромагнетизмі ту ж роль, яку зіграв Галілео Галілей в механіці. Обидва вони виконали основні експерименти, які лягли в основу теоретичних концепцій Ньютона в механіці і Максвелла в електродинаміки. Як без Галілея були б неможливі відкриття Ньютона, так і теоретичні прозріння Максвелла не могли відбутися без робіт Фарадея. І в цьому його головна заслуга перед наукою. Експериментальні відкриття Фарадея підготували прихід в фізику Максвелла і його електродинаміки.

Контрольні питання

  • 1. Який внесок зробив У. Гільберт в дослідження електричних і магнітних явищ?
  • 2. Які відкриття в електростатики зробили члени ЛКО Ф. Гауксбі і С.Грей?
  • 3. Ким були встановлені два типи зарядів?
  • 4. Прообразом якого фізичного приладу стала лейденська банку?
  • 5. Яка засаднича ідея лежала в основі унітарної теорії електричних явищ Франкліна?
  • 6. У чому полягав ньютоновский підхід до вивчення електричних явищ?
  • 7. Які вчені найближче підійшли до відкриття закону взаємодії електричних зарядів?
  • 8. Як сформулював Ш. Кулон основний закон електростатики?
  • 9. У якому році було відкрито магнітне дію електричного струму?
  • 10. Які поняття ввів А. Ампер в електродинаміку?
  • 11. У якому праці були підсумовані результати досліджень з електродинаміки: а) А. Ампера; б) М. Фарадея?
  • 12. У чому полягає явище електромагнітної індукції?
  • 13. Які терміни використовував М. Фарадей при описі хімічного дії струму?
  • 14. Чому М. Фарадей зіграв в електромагнетизмі ту ж роль, яку зіграв Г. Галілей в механіці?

Завдання для самостійної роботи

  • 1. Перші досліди з електрики. Дослідження У. Гільберта.
  • 2. Російські дослідники електрики.
  • 3. Наукова біографія Бенджаміна Франкліна.
  • 4. Передісторія відкриття закону Кулона.
  • 5. Історія відкриття термоелектрики.
  • 6. Луїджі Гальвані і його наукова діяльність.
  • 7. Іменами яких вчених названі одиниці в електромагнетизмі?
  • 8. Історія встановлення понять електричного і магнітного полів.
  • 9. Християн Ерстед: біографія і наукова діяльність.
  • 10. Теорія електромагнетизму А. Ампера - успіхи і недоліки.
  • 11. Майкл Фарадей: біографія, винаходи, наукові досягнення.
  • 12. Електромагнетизм як основа для технічних застосувань.

рекомендована література

  • 1. Кудрявцев, П. С. Курс історії фізики. - 2-е вид. - М.: Просвещение, 1982.
  • 2. Кудрявцев, П. С. Історія фізики: в 3 т. - М.: Просвещение, 1956-1971.
  • 3. Спаський , Б. І. Історія фізики: в 2 т. - М .: Вища школа, 1977.
  • 4. Дорфман, Я. Г. Всесвітня історія фізики: в 2 т. - М .: Наука, 1974-1979.
  • 5. Голін, Г. М. Класики фізичної науки (з найдавніших часів до початку XX ст.) / Г. М. Голін, С. Р. Філоновіч. - М.: Вища школа, 1989.
  • 6. Храмов, Ю. А. Фізики. Біографічний довідник. - М .: Наука, 1983.
  • 7. Тредер, Г. Ю. Еволюція основних фізичних ідей. - Київ: Наукова думка, 1989.
  • 8. Уїттекер, Е. Т. Історія теорії ефіру і електрики. Класичні теорії. - Іжевськ: НДЦ Регулярна і хаотична динаміка, 2001..
  • 9. Кабардин, О. Ф. Історія фізики та розвиток уявлень про світ: елективний курс: 10-11 класи. - М.: ACT: Астрель: Транзиткнига, 2005.
  • 10. Філоновіч, С. Р. Кавендіш, Кулон і електростатика. - М .: Знание, 1988.
  • 11. Філоновіч, С. Р. Шарль Кулон. - М .: Просвещение, 1988.
  • 12. Кавендіш, Г. Експериментальне визначення закону електричної сили // Квант, 1981. - № 10. - С. 22-26.
  • 13. Липсон, Г. Великі експерименти у фізиці. - М .: Мир, 1972.
  • 14. Ампер, А. Електродинаміка. - Л .: Вид-во АН СРСР, 1954.
  • 15. Фарадей, М. Експериментальні дослідження з електрики. - Т. 1-3. - М .: Изд. АН СРСР, 1947-1959.
  • 16. Фарадей, М. Історія свічки. - М .: Наука, 1980.
  • 17. Книжкові серії «ЖЗЛ»: «Люди науки», «Творці науки і техніки».
 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >