ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ ДЖ. К. МАКСВЕЛЛА

В результаті вивчення даного розділу студент повинен:

знати

  • • емпіричні та теоретичні основи теорії електромагнітного поля;
  • • історію створення теорії електромагнітного поля, історію відкриття тиску світла і електромагнітних хвиль;
  • • фізичну сутність рівнянь Максвелла (в інтегральної та диференціальної формах);
  • • основні етапи біографії Дж. К. Максвелла;
  • • основні напрямки розвитку електродинаміки після Дж. К. Максвелла;
  • • досягнення Дж. К. Максвелла в молекулярної фізики та термодинаміки;

вміти

  • • оцінювати роль Максвелла в розвиток вчення про електрику і магнетизм, фундаментальне значення рівнянь Максвелла, місце книги «Трактат про електрику і магнетизм» в історії науки, історичні досліди Г. Герца і П. Н. Лебедєва;
  • • обговорювати біографії найвидатніших учених, які працювали в області електромагнетизму;

володіти

• навичками оперування основними поняттями теорії електромагнітного поля.

Ключові терміни: електромагнітне поле, рівняння Максвелла, електромагнітні хвилі, тиск світла.

Відкриття Фарадея революціонізували науку про електрику. З його легкої руки електрику початок завойовувати все нові позиції в техніці. Заробив електромагнітний телеграф. На початку 70-х рр. XIX століття він уже з'єднував Європу з США, Індією і Південною Америкою, з'явилися перші генератори електричного струму і електродвигуни, електрику початок широко використовуватися в хімії. Електромагнітні процеси все глибше вторгалися в науку. Настала епоха, коли електромагнітна картина світу готова була змінити механічну. Це мала бути геніальна людина, яка змогла б, як свого часу Ньютон, об'єднати накопичені до цього часу факти і знання і на їх основі створити нову теорію, що описує основи нового світу. Такою людиною став Дж. К. Максвелл.

Джеймс Клерк Максвелл (рис. 10.1) народився в 1831 р Його батько-Джон Клерк Максвелл був людиною явно неабияким. Адвокат по прорфессіі, він, тим не менш, значний час приділяв іншим, більш цікавим для нього речей: подорожував, конструював машини, ставив фізичні досліди, і навіть опублікував кілька наукових статей. Коли Максвеллові виповнилося 10 років, батько відправив його вчитися в Единбурзьку академію, де той пробув шість років - аж до вступу до університету. У віці 14 років Максвелл написав першу наукову роботу, присвячену геометрії овальних кривих. Її короткий виклад було опубліковано в «Працях Единбурзького королівського товариства» за 1846 р

У 1847 р Максвелл вступив до Единбурзького університету, де став поглиблено вивчати математику. В цей час ще дві наукові роботи обдарованого студента були опубліковані в "Працях Единбурзького королівського товариства». Зі змістом однієї з них (про кривих кочення) ознайомив суспільство професор Келланда, іншу (про пружні властивості твердих тіл) вперше представив сам автор.

У 1850 р Максвелл продовжив освіту в Пітерхаус - коледжі Святого Петра Кембриджського університету, а звідти перейшов в коледж Святої Трійці - Трініті-коледж, який дав світу І. Ньютона, а пізніше В. В. Набокова, Б. Рассела і ін. У 1854 м Максвелл витримує іспит і отримує ступінь бакалавра. Потім він був залишений в Трініті-коледжі в якості викладача. Однак його більше хвилювали наукові проблеми. У Кембриджі Максвелл приступив до вивчення кольору і кольорового зору. У 1852 р він прийшов до висновку, що змішання спектральних квітів не збігається зі змішанням фарб. Максвелл розробляє теорію колірного зору, конструює колірної дзига (рис. 10.2).

Портрет Джеймса Клерка Максвелла

Мал. 10.1. Портрет Джеймса Клерка Максвелла

Колірної дзига Дж. К. Максвелла

Мал. 10.2. Колірної дзига Дж. К. Максвелла

Крім його старих захоплень - геометрії і проблеми квітів, Максвелл зацікавився електрикою. У 1854 р, 20 лютого, він пише з Кембриджа лист в Глазго У. Томсону. Ось початок цього знаменитого листа:

«Дорогий Томсон! Тепер, коли я вступив в нечестиве стан бакалаврів, я почав думати про читання. Дуже приємно іноді побути серед заслужено визнаних книг, які ще не читав, але повинен прочитати. Але ми маємо сильне прагнення повернутися до фізичних предметів, і деякі з нас тут хочуть атакувати електрику ».

Після закінчення курсу навчання Максвелл став членом Трініті-коледжу Кембриджського університету, а в 1855 р увійшов до складу Единбурзького королівського товариства. Однак незабаром він покинув Кембридж і повернувся в рідну Шотландію. Професор Форбс сповістив його про те, що в Абердіні, в Марі-шальском коледжі відкрилася вакансія професора фізики, і у нього є всі шанси зайняти її. Максвелл прийняв пропозицію і в квітні 1856 (в 24 роки!) Вступив на нову посаду. В Абердині Максвелл продовжує працювати над проблемами електродинаміки. У 1857 р він посилає М. Фарадея свою роботу «Про фарадеевского силових лініях».

З інших праць Максвелла в Абердіні широку популярність здобула його робота про стійкість кілець Сатурна. Від вивчення механіки кілець Сатурна цілком природним був перехід до розгляду рухів молекул газу. У 1859 р Максвелл виступив на зборах Британської Асоціації сприяння розвитку наук з доповіддю «Про динамічної теорії газів». Ця доповідь поклав початок його плідним дослідженням в області кінетичної теорії газів і статистичної фізики.

У 1860 р Максвелл прийняв запрошення Лондонського королівського коледжу і п'ять років пропрацював там в званні професора. Він не був блискучим лектором і не особливо любив читати лекції. Тому що пішов перерву в викладанні був для нього швидше бажаним, ніж прикрим, і дозволив повністю зануритися у вирішення захоплюючих проблем теоретичної фізики.

На думку А. Ейнштейна, Фарадей і Максвелл зіграли в науці про електрику ті ж ролі, що Галілей і Ньютон в механіці. Як Ньютон надав відкритим Галілеєм механічним ефектів математичну форму і фізичне обгрунтування, так і Максвелл зробив це по відношенню до фарадеевского відкриттів. Максвелл додав ідеям Фарадея строгу математичну форму, ввів термін «електромагнітне поле», сформулював математичні закони, що описують це поле. Галілей і Ньютон заклали основи механічної картини світу, Фарадей і Максвелл - електромагнітної.

Свої ідеї про електромагнетизм Максвелл почав обмірковувати з 1857 р, коли була написана вже згадувана стаття «Про фарадеевского силових лініях». Тут він широко використовує гідродинамічні і механічні аналогії. Це дозволило Максвеллу застосувати математичний апарат ірландського математика У. Гамільтона і висловити таким чином електродинамічні співвідношення математичною мовою. Надалі на зміну гідродинамічним аналогій приходять методи теорії пружності: поняття деформації, тиску, вихорів і т.п. Виходячи з цього, Максвелл приходить до рівнянь поля, які на цьому етапі ще не були зведені до єдиної системи. Досліджуючи діелектрики, Максвелл висловлює ідею «струму зміщення», а також, поки ще туманним чином, думка про зв'язок світла і електромагнітного поля ( «електротонічних стану») в фарадеевского формулюванні, яку Максвелл тоді використовував.

Ці ідеї викладені в статтях «Про фізичних лініях сил» (1861-1862). Вони написані в найбільш плідний лондонський період (1860-1865). Тоді ж вийшли знамениті статті Максвелла «Динамічна теорія електромагнітного поля» (1864-1865), де були висловлені думки про єдину природу електромагнітних хвиль.

З 1866 по 1871 р Максвелл прожив в своєму родовому маєтку Міддлбі, виїжджаючи зрідка в Кембридж на іспити. Займаючись господарськими справами, Максвелл не залишав наукових занять. Він напружено працював над головною працею свого життя «Трактат про електрику і магнетизм», написав книгу «Теорія теплоти», ряд статей з кінетичної теорії газів.

У 1871 р відбулася важлива подія. На кошти нащадків Г. Кавендіша в Кембриджі була заснована кафедра експериментальної фізики і розпочато будівництво будівлі експериментальної лабораторії, яка в історії фізики відома як Кавендішськая лабораторія (рис. 10.3). Максвелл був запрошений стати першим професором кафедри і завідувати лабораторією. У жовтні 1871 року він прочитав інавгураційну лекцію про напрямки і значенні експериментальних досліджень в університетській освіті. Ця лекція стала програмою навчання експериментальної фізики на довгі роки вперед. 16 червня 1874 р Кавендішськая лабораторія була відкрита.

З тих пір лабораторія стала центром світової фізичної науки на довгі десятиліття, такий же вона є і зараз. За сто з гаком років через неї пройшли тисячі вчених, серед яких безліч тих, хто склав славу світової фізичної науки. Після Максвелла Кавендішськой лабораторією завідували багато видатних учених: Дж. Дж. Томсон, Е. Резерфорд, Л. Брегг, Н. Ф. Мотт, А. Б. Піппард і ін.

Кавендішськая лабораторія в Кембриджському університеті

Мал. 10.3. Кавендішськая лабораторія в Кембриджському університеті

Після виходу «Трактату про електрику і магнетизм», в якому була сформульована теорія електромагнітного поля, Максвелл вирішує з метою популяризації та поширення своїх ідей написати книгу «Електрика в елементарному викладі». Максвелл працював над книгою, але самопочуття його ставало все гірше. Він помер 5 листопада 1879 р так і не ставши свідком тріумфу своєї теорії.

Зупинимося на творчому доробку вченого. Максвелл залишив глибокий слід в усіх областях фізичної науки. Недарма цілий ряд фізичних теорій носять його ім'я. Він запропонував термодинамічний парадокс, багато років не давав спокою фізикам, - «демон Максвелла». У кінетичну теорію їм були введені поняття, відомі як: «розподіл Максвелла» і «статистика Максвелла - Больцмана». Його перу також належить витончене дослідження стійкості кілець Сатурна. Крім того, Максвелл створив безліч невеликих наукових шедеврів в найрізноманітніших областях - від здійснення першої в світі кольорової фотографії до розробки способу радикального виведення жирових плям з одягу.

Перейдемо до обговорення теорії електромагнітного поля - квінтесенції наукової творчості Максвелла.

Примітно, що Джеймс Клерк Максвелл народився в той самий рік, коли Майкл Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції. На Максвелла особливе враження справила книга Фарадея «Експериментальні дослідження з електрики».

За часів Максвелла існували дві альтернативні теорії електрики: теорія «силових ліній» Фарадея і теорія, розроблена французькими вченими Кулоном, Ампером, Біо, Саварен, Араго і Лапласом. Початкове положення останньої - уявлення про дальнодействії - миттєвої передачі взаємодії від одного тіла до іншого без допомоги будь-якої проміжної середовища. Реалістично мислячий Фарадей не міг примиритися з такою теорією. Він був абсолютно переконаний в тому, що «матерія не може діяти там, де її немає». Середу, через яку передається вплив, Фарадей назвав «полем». Поле, вважав він, пронизане магнітними і електричними «силовими лініями».

У 1857 р в «Працях Кембриджського філософського товариства» з'явилася стаття Максвелла - «Про фарадеевского силових лініях». У ній була закладена вся програма досліджень з електрики. Відзначимо, що в цій статті рівняння Максвелла були вже написані, але поки без струму зміщення. Стаття «Про фарадеевского силових лініях» вимагала продовження. Електрогідравлічні аналогії дали багато. З їх допомогою були записані корисні диференціальні рівняння. Але не все вдалося підкорити електрогідравлічним аналогій. Ніяк не вкладався в їх рамки найважливіший закон електромагнітної індукції. Потрібно було придумати новий допоміжний механізм, який полегшує розуміння процесу, що відображає одночасно і поступальний рух струмів, і обертальний, вихровий характер магнітного поля.

Максвелл запропонував особливе середовище, вихори в якій такі малі, що вміщаються всередині молекул. Обертові «молекулярні вихори» виробляють магнітне поле. Напрямок осей вихорів молекул збігається з їх силовими лініями, а самі вони можуть бути представлені як тонкі обертаються циліндрики. Але зовнішні, дотичні частини вихорів повинні рухатися в протилежних напрямках, тобто перешкоджати взаємною руху. Як можна забезпечити обертання двох поруч розташованих шестерень в одну сторону? Максвелл припустив, що між рядами молекулярних вихорів поміщений шар дрібних кулястих частинок ( «холостих коліс»), здатних до обертання. Тепер вихори могли обертатися в одному напрямку і взаємодіяти між собою.

Максвелл почав вивчати також поведінку своєї механічної моделі в разі провідників і діелектриків і прийшов до висновку, що електричні явища можуть відбуватися і в середовищі, що перешкоджає проходженню струму, - в діелектрику. Нехай «холості колеса» не могли в цих середовищах під дією електричного поля рухатися поступально, але вони при накладанні та знятті електричного поля зміщуються зі своїх положень. Велика наукова сміливість була потрібна Максвеллові, щоб ототожнити це зміщення зв'язаних зарядів з електричним струмом. Адже цього струму - струму зміщення - ніхто ще не спостерігав. Після цього Максвелл неминуче повинен був зробити наступний крок - визнати за цим струмом здатність до створення власного магнітного поля.

Таким чином, механічна модель Максвелла дозволяла зробити наступний висновок: зміна електричного поля призводить до появи магнітного поля, тобто до явища, зворотного фарадеевского, коли зміна магнітного поля призводить до появи поля електричного.

Наступна стаття Максвелла, присвячена електрики і магнетизму, - «Про фізичні силові лінії». Електричні явища зажадали для свого пояснення твердого, як сталь, ефіру. Максвелл несподівано опинився в ролі О. Френеля, вимушеного «винайти» для пояснення поляризаційних явищ свій «оптичний» ефір, твердий, як сталь, і проникний, як повітря. Максвелл відзначає схожість двох середовищ: «світлоносний» і «електричної». Він поступово наближається до свого великого відкриття «єдиної природи» світлових і електромагнітних хвиль.

У наступній статті - «Динамічна теорія електромагнітного поля» - Максвелл вперше використав термін «електромагнітне поле». «Теорія, яку я пропоную, може бути названа теорією електромагнітного поля, тому що вона має справу з простором, що оточує електричні або магнітні тіла, і вона може бути названа також динамічної теорією, оскільки вона допускає, що в цьому просторі є матерія, яка перебуває в русі, за допомогою якої і проводяться спостерігаються електромагнітні явища ».

Коли Максвелл вивів в «Динамічної теорії електромагнітного поля» свої рівняння, одне з них свідчило, здавалося, саме про те, про що говорив ще Фарадей: магнітні впливу дійсно розповсюджувалися у вигляді поперечних хвиль. Максвелл не помітив тоді ще, що з його рівнянь слід більше: поряд з магнітним впливом на всі боки поширюється електричне обурення. Електромагнітна хвиля в повному сенсі цього слова, що включає одночасно і електричне, і магнітне обурення, з'явилася у Максвелла пізніше, вже в Міддлбі, в 1868 р, в статті «Про метод прямого порівняння електростатичного сили з електромагнітної із зауваженням з приводу електромагнітної теорії світла» .

У Міддлбі Максвелл завершував основна праця житті - «Трактат про електрику і магнетизм», вперше вийшов у світ в 1873 р і згодом кілька разів перевидавався. Змістом цієї книги, звичайно, були перш за все статті з електромагнетизму. У «Трактаті» систематично даються основи векторного обчислення. За нею йдуть чотири частини: електростатика, електрокінематіка, магнетизм, електромагнетизм.

Відзначимо, що метод дослідження Максвелла різко відрізняється від методів інших дослідників. Не тільки кожна математична величина, але і кожна математична операція наділяються глибоким фізичним змістом. У той же час кожної фізичної величини відповідає чітка математична характеристика. Одна з глав «Трактату» називається «Основні рівняння електромагнітного поля». Тут наведені основні рівняння електромагнітного поля з цього Трактату. Таким чином, за допомогою векторного обчислення Максвелл більш просто зробив те, що раніше виконав за допомогою механічних моделей, - вивів рівняння електромагнітного поля.

Розглянемо фізичний зміст рівнянь Максвелла. Перше рівняння говорить про те, що джерелами магнітного поля є струми і змінюється з часом електричне поле. Геніальної здогадкою Максвелла було введення їм принципово нового поняття - струму зміщення - в якості окремого доданка в узагальнений закон Ампера - Максвелла:

де Н - вектор напруженості магнітного поля; j - вектор щільності електричного струму, в який Максвеллом доданий струм зміщення; D - вектор електричної індукції; с - деяка постійна.

Це рівняння виражає магнітоелектричну індукцію, відкриту Максвеллом і засновану на уявленнях про токах зміщення.

Інший відразу завоювала визнання Максвелла ідеєю стало уявлення Фарадея про природу електромагнітної індукції - виникнення індукційного струму в контурі, число магнітних силових ліній в якому змінюється або внаслідок відносного руху контуру і магніту, або внаслідок зміни магнітного поля. Максвелл записав наступне рівняння:

де Е - вектор напруженості електричного поля; В - століття-

дв

тор напруженості магнітного поля і, відповідно: - -

зміна магнітного поля в часі, з - деяка постійна.

Це рівняння відображає закон електромагнітної індукції Фарадея.

Необхідно врахувати ще одну важливу властивість векторів електричної та магнітної індукції Е і В. У той час як електричні силові лінії починаються і закінчуються на зарядах, що є джерелами поля, силові лінії магнітного поля замкнені самі на себе.

В математиці для позначення характеристик векторного поля застосовується оператор «дивергенції» (диференціювання потоку поля) - div. Користуючись цим, Максвелл додає до двох наявних рівнянь ще два:

де р - щільність електричних зарядів.

Третє рівняння Максвелла висловлює закон збереження кількості електрики, четверте - вихровий характер магнітного поля (або відсутність в природі магнітних зарядів).

Вхідні в розглянуті рівняння вектори електричної і магнітної індукції і вектори напруженостей електричного і магнітного полів пов'язані простими співвідношеннями і можуть бути записані у вигляді наступних рівнянь:

де е - діелектрична постійна; р - магнітна проникність середовища.

Крім того, можна записати ще одне співвідношення, що зв'язує вектор напруженості Е і питому провідність у:

Для подання повної системи рівнянь Максвелла необхідно записати ще граничні умови. Цим умовам має задовольняти електромагнітне поле на межі поділу двох середовищ.

де про - поверхнева щільність електричних зарядів; i - поверхнева щільність струму провідності на розглянутій кордоні розділу. В окремому випадку, коли поверхневих струмів немає, остання умова переходить в:

Таким чином, Дж. Максвелл приходить до визначення електромагнітного поля як виду матерії, висловлюючи всі його прояви у вигляді системи рівнянь. Відзначимо, що Максвелл не використав векторних позначень і записував свої рівняння в досить громіздкому компонентному вигляді. Сучасна форма рівнянь Максвелла з'явилася близько 1884 року після робіт О. Хевісайда і Г. Герца.

Рівняння Максвелла - одне з найбільших досягнень не тільки фізики, а й цивілізації взагалі. Вони поєднують в собі строгу логічність, характерну для природних наук, красу і співмірність, якої відрізняються мистецтво і гуманітарні науки. Рівняння з максимально можливою точністю відображають сутність природних явищ. Потенціал рівнянь Максвелла далеко не вичерпаний, на їх основі з'являються все нові роботи, пояснення новітніх відкриттів в різних областях фізики - від надпровідності до астрофізики. Система рівнянь Максвелла є основою сучасної фізики, і до сих пір немає жодного досвідченого факту, який би суперечив цим рівнянням. Знання рівнянь Максвелла, принаймні їх фізичної сутності, - обов'язково для будь-якого освіченої людини, не тільки фізика.

Рівняння Максвелла з'явилися предтечею нової некласичної фізики. Хоча сам Максвелл за своїми науковим переконанням був людиною «класичним» до мозку кісток, написані ним рівняння належали вже інший науці, відмінною від тієї, яка була відома і близька вченому. Про це свідчить хоча б той факт, що рівняння Максвелла неінваріантни щодо перетворень Галілея, проте вони інваріантні відносно перетворень Лоренца, які, в свою чергу, лежать в основі релятивістської фізики.

На підставі отриманих рівнянь Максвелл вирішив конкретні завдання: визначив коефіцієнти електричної проникності цілого ряду діелектриків, розрахував коефіцієнти самоіндукції, взаємоіндукції котушок і т.д.

Рівняння Максвелла дозволяють зробити цілий ряд найважливіших висновків. Може бути головний з них - існування поперечних електромагнітних хвиль, що поширюються зі швидкістю с.

Максвелл знайшов, що невідоме число з виявилося приблизно дорівнює відношенню електромагнітної й електростатичної одиниць заряду, що становить приблизно 300 000 км в секунду. Переконаний в універсальності своїх рівнянь, він показує, що «світло є електромагнітне обурення». Визнання кінцевої, хоча і дуже великий, швидкості поширення електромагнітного поля каменю на камені не залишало від теорій прихильників «миттєвого дальнодействия».

Найважливішим наслідком електромагнітної теорії світла було передбачене Максвеллом тиск світла. Йому вдалося підрахувати, що в разі, коли в ясну погоду сонячне світло, що поглинається площиною в один квадратний метр, дає 123,1 кілограмометрах енергії в секунду. Це означає, що він тисне на цю поверхню в напрямку свого падіння з силою 0,41 міліграма. Таким чином, теорія Максвелла зміцнювалася або руйнувалася в залежності від результатів ще не здійснених експериментів. Чи існують в природі електромагнітні хвилі з властивостями, подібними світла? Чи існує світлове тиск? Уже після смерті Максвелла на перше питання відповів Генріх Герц, на другий - Петро Миколайович Лебедєв.

Дж. К. Максвелл - гігантська фігура в фізичній науці і як особистість. У пам'яті людей Максвелл буде жити стільки, скільки буде існувати людство. Ім'я Максвелла увічнено в назві кратера на Місяці. Найвищі на Венері гори названі на честь великого вченого (гори Максвелла). Вони піднімаються на 11,5 км над середнім рівнем поверхні. Також його ім'я носить найбільший в світі телескоп, який може працювати в субміліметровому діапазоні (0,3-2 мм) -телескоп ім. Дж. К. Максвелла (JCMT). Він розташований на Гавайських островах (США), на високогірній місцевості Мауна Кеа (4200 м). Головне 15-метрове дзеркало телескопа JCMT виготовлено з 276 окремих алюмінієвих фрагментів, щільно стикувати разом. Телескоп Максвелла використовується для вивчення Сонячної системи, міжзоряного пилу і газу, а також далеких галактик.

Після Максвелла електродинаміка стала принципово іншою. Як же вона розвивалася? Відзначимо найважливіший напрям розвитку - експериментальне підтвердження основних положень теорії. Але сама теорія також вимагала певної інтерпретації. В цьому відношенні необхідно відзначити заслуги російського вченого Миколи Олексійовича Умова, який завідував кафедрою фізики Московського університету з 1896 по 1911 р

Микола Олексійович Умов (1846-1915) - російський фізик, народився в м Симбірську (нині Ульяновськ), закінчив Московський університет. Викладав в Новоросійському університеті (м.Одеса), а потім в Московському, де з 1896 р після смерті А. Г. Столєтова очолював кафедру фізики.

Роботи Умова присвячені різним проблемам фізики. Головною з них було створення вчення про рух енергії (вектор Умова), яке він виклав в 1874 році у своїй докторській дисертації. Умов бьі наділений високою громадянською відповідальністю. Разом з іншими професорами (В. І. Вернадським, К. А. Тімірязєва,

Н.Д.Зелінським, П. М. Лебедєв) він в 1911 р покинув Московський університет на знак протесту проти дій реакційно налаштованого міністра освіти Л. А. Кассо.

Умов був активним пропагандистом науки, популяризатором наукових знань. Практично першим з учених-фізиків він зрозумів необхідність серйозних і цілеспрямованих досліджень методики викладання фізики. Більшість вчених-методистів старшого покоління - його учні та послідовники.

Основна заслуга Умова - розробка вчення про рух енергії. У 1874 році він отримав загальне вираз для вектора щільності потоку енергії стосовно пружним середах і в'язким рідин (вектор Умова). Через 11 років англійський вчений Джон Генрі Пойнтинг (1852-1914) зробив те ж саме для потоку електромагнітної енергії. Так в теорії електромагнетизму з'явився відомий вектор Умова - Пойнтінга.

Пойнтинг був одним з тих учених, хто відразу прийняв теорію Максвелла. Не можна сказати, що таких вчених було досить багато, що розумів і сам Максвелл. Теорія Максвелла не відразу була зрозуміла навіть в створеній ним Кавендішської лабораторії. Проте з появою теорії електромагнетизму пізнання природи піднялося на якісно інший рівень, який, як це завжди буває, все сильніше видаляє нас від безпосередніх чуттєвих уявлень. Це - нормальний закономірний процес, який супроводжує всі розвиток фізики. Історія фізики дає безліч подібних прикладів. Досить згадати положення квантової механіки, спеціальної теорії відносності, інших сучасних теорій. Так і електромагнітне поле за часів Максвелла чи було доступно розумінню людей, в тому числі наукового середовища, і тим більше не є для їх чуттєвого сприйняття. Проте після експериментальних робіт Герца виникли ідеї про створення бездротового зв'язку за допомогою електромагнітних хвиль, що завершилися винаходом радіо. Таким чином, виникнення і розвиток техніки радіозв'язку перетворило електромагнітне поле в відоме і звичне для всіх поняття.

Вирішальну роль у перемозі теорії електромагнітного поля Максвелла зіграв німецький фізик Генріх Рудольф Герц. Інтерес Герца до електродинаміки був стимульований Г. Л. Гельмгольцом, який, вважаючи за необхідне «впорядкувати» цю галузь фізики, запропонував Герцу зайнятися процесами в незамкнутих електричних ланцюгах. Спочатку Герц відмовився від теми, але потім, працюючи в Карлсруе, виявив там пристрої, які можна було використовувати для подібних досліджень. Це і визначило його вибір, тим більше що сам Герц, добре знаючи теорію Максвелла, був повністю підготовлений до подібних досліджень.

Генріх Рудольф Герц (1857-1894) - німецький фізик, народився в 1857 р в Гамбурзі в сім'ї адвоката. Навчався в Мюнхенському університеті, а потім - в Берлінському у Г. Гельмгольца. З 1885 р Герц працює у Вищій технічній школі в Карлсруе, де починаються його дослідження, що призвели до відкриття електромагнітних хвиль. Вони були продовжені в 1890 р в Бонні, куди Герц переїхав, змінивши на посту професора експериментальної фізики Р.Клаузиуса. Тут він продовжує займатися електродинаміки, проте поступово його інтереси зміщуються до механіки. Помер Герц 1 січня 1894 р розквіті таланту в віці 36 років.

До початку робіт Герца електричні коливання були вже досить докладно вивчені. Вільямом Томсоном (лордом Кельвіном) було отримано вираз, яке тепер відомо кожному школяру:

де Т - період електричних коливань; А - індуктивність, яку Томсон називав «електродинамічної ємністю» провідника; С - ємність конденсатора. Формула отримала підтвердження в експериментах Беренда Вільгельма Феддерсена (1832-1918), який вивчав коливання іскрового розряду лейденської банки.

У статті «Про дуже швидких електричних коливаннях» (1887) Герц призводить опис своїх дослідів. Їх суть пояснює малюнок 10.4. В остаточному вигляді використовується Герцем коливальний контур був двома провідника Сис ', розташовані на відстані близько 3 м один від одного і з'єднані мідним дротом, в середині якої знаходився розрядник У індукційної котушки. Приймач був контур acdb з розмірами 80 х 120 см, з іскровим проміжком М в одній з коротких сторін. Детектування визначалося за наявністю слабкої іскри в розряднику М. Провідники, з якими експериментував Герц, це, кажучи сучасною мовою, антена з детектором. Вони тепер носять назви вібратора і резонатора Герца.

Вібратор і резонатор Генріха Герца

Мал. 10.4. Вібратор і резонатор Генріха Герца

Суть отриманих результатів полягала в тому, що електрична іскра в розряднику В викликала іскру в розряднику М. Спочатку Герц, пояснюючи досліди, не говорить про максвелловскую хвилях. Він говорить лише про «взаємодію провідників» і намагається шукати пояснення в теорії дальнодействия. Проводячи експерименти, Герц виявив, що на малих відстанях характер поширення «електричної сили» аналогічний полю диполя, а далі вона зменшується повільніше і має кутову залежність. Ми б зараз сказали, що розрядник має анизотропной діаграмою спрямованості. Це, звичайно, в корені суперечить теорії дальнодействия.

Проаналізувавши результати експериментів і провівши власні теоретичні дослідження, Герц приймає теорію Максвелла. Він приходить до висновку про існування електромагнітних хвиль, що поширюються з кінцевою швидкістю. Тепер рівняння Максвелла - це вже не абстрактна математична система і їх слід привести до такого виду, щоб ними було зручно користуватися.

Герц отримав експериментально передбачені теорією Максвелла електромагнітні хвилі і, що не менш важливо, довів їх тотожність зі світлом. Для цього потрібно було довести, що за допомогою електромагнітних хвиль можна спостерігати відомі ефекти оптики: заломлення і віддзеркалення, поляризацію і т.д. Герц виконав ці дослідження, що зажадали віртуозного експериментального майстерності: він провів експерименти з поширення, відбиття, заломлення, поляризації відкритих їм електромагнітних хвиль. Він побудував дзеркала для дослідів з цими хвилями (дзеркала Герца), призму з асфальту і т.п. Дзеркала Герца показані на рис. 10.5. Досліди показали повну тотожність спостерігалися ефектів з тими, що були добре відомі для світлових хвиль.

Дзеркала Герца

Мал. 10.5. Дзеркала Герца

У 1887 р в роботі «Про вплив ультрафіолетового світла на електричний розряд» Герц описує явище, яке потім стали називати зовнішнім фотоефектом. Він виявив, що при опроміненні ультрафіолетовими променями електродів, що знаходяться під високою напругою, розряд виникає на більшій відстані між електродами, ніж без опромінення.

Даний ефект потім всебічно дослідив російський вчений Олександр Григорович Столєтов (1839-1896).

У 1889 р на з'їзді німецьких природознавців і лікарів Герц прочитав доповідь «Про співвідношення між світлом і електрикою», в якому висловив думку щодо величезної важливості теорії Максвелла, тепер уже підтвердженої дослідами.

Досліди Герца викликали фурор в науковому світі. Їх багато разів повторювали і варіювали. Одним з тих, хто це робив, був Петро Миколайович Лебедєв. Він отримав найкоротші на той момент електромагнітні хвилі і в 1895 р виконав з ними досліди по подвійного променезаломлення. У своїй роботі Лебедєв поставив завдання поступового зменшення довжини хвилі електромагнітного випромінювання з тим, щоб врешті-решт зімкнути їх з довгими інфрачервоними хвилями. Самому Лебедєву цього зробити не вдалося, проте це здійснили в 20-х роках XX століття російські вчені Олександра Андріївна Глаголєва-Аркадьева (1884-1945) і Марія Опанасівна Левицька (1883-1963).

Петро Миколайович Лебедєв (1866-1912) - російський фізик, народився в 1866 р в Москві, закінчив Страсбурзький університет і в 1891 р почав працювати в Московському університеті. Лебедєв залишився в історії фізики як експериментатор-віртуоз, автор досліджень, виконаних скромними засобами на межі технічних можливостей того часу, а також як засновник загальновизнаної наукової школи в Москві, звідки вийшли відомі російські вчені П. П. Лазарєв, С. І. Вавилов, А. Р. Коллі і ін.

Лебедєв помер в 1912 р незабаром після того, як він разом з іншими професорами покинув Московський університет на знак протесту проти дій реакційно налаштованого міністра освіти Л. А. Кассо.

Однак головна заслуга Лебедєва перед фізикою - в тому, що він експериментально виміряв передбачене теорією Максвелла світлове тиск. Вивченню цього ефекту Лебедєв присвятив все життя: в 1899 р був поставлений експеримент, який довів наявність тиску світла на тверді тіла (рис. 10.6), а в 1907 р - на гази. Роботи Лебедєва по світловому тиску стали класичними, вони є однією з вершин експерименту кінця XIX - початку XX ст.

Досліди Лебедєва по світловому тиску принесли йому світову славу. З цього приводу У. Томсон говорив «Я все життя воював з Максвеллом, не визнаючи його світлового руху, а ось ... Лебедєв змусив мене здатися перед його дослідами».

Різні системи крилець в дослідах П. Н. Лебедєва по світловому тиску

Мал. 10.6. Різні системи крилець в дослідах П. Н. Лебедєва по світловому тиску

Досліди Герца і Лебедєва остаточно затвердили пріоритет теорії Максвелла. Що ж стосується практики, тобто практичного застосування законів електромагнетизму, то до початку XX в. людство вже жило в світі, в якому електрику стало грати величезну роль. Цьому сприяла бурхлива винахідницька діяльність в області застосування відкритих фізиками електричних і магнітних явищ. Відзначимо деякі з таких винаходів.

Одним з перших застосувань електромагнетизм знайшов в техніці зв'язку. Телеграф існував уже з 1831 р У 1876 р американський фізик, винахідник і підприємець Олександр Белл (1847-1922) винайшов телефон, який потім був удосконалений знаменитим американським винахідником Томасом Алва Едісон (1847-1931).

У 1892 р англійський фізик Вільям Крукс (1832-1912) сформулював принципи радіозв'язку. Російський фізик Олександр Степанович Попов (1859-1906) і італійський вчений Гул'ел'мо Марконі (1874-1937) фактично одночасно застосували їх на практиці. Зазвичай виникає питання про пріоритет даного винаходу. Попов дещо раніше продемонстрував можливості створеного ним пристрою, але не запатентував його, як це зробив Марконі. Останнє і визначило існуючу на Заході традицію вважати Марконі «батьком» радіо. Цьому сприяло присудження йому Нобелівської премії в 1909 р Попов, по всій видимості, також був би серед лауреатів, проте його на той час уже не було в живих, а Нобелівська премія присуджується тільки живим вченим. Детальніше про історію винаходу радіо буде розказано в частині VI книги.

Електричні явища намагалися використовувати для освітлення ще в XVIII в. (вольтова дуга), в подальшому цей прилад був удосконалений Павлом Миколайовичем Яблочкова (1847-1894), який в 1876 р винайшов перший придатний для практичного застосування електричний джерело світла (свічку Яблочкова) . Вона, однак, не знайшла широкого застосування, в першу чергу тому, що в 1879 р Т. Едісоном була створена лампа розжарювання досить довговічною конструкції і зручна для промислового виготовлення. Відзначимо, що винайдена лампа розжарювання був ще в 1872 р російським іелектротехніком Олександром Миколайовичем Лодигіним (1847 1923).

Контрольні питання

  • 1. Які дослідження виконав Максвелл, працюючи в Марішальском коледжі? Яку роль зіграв Максвелл в розвитку вчення про електрику і магнетизм?
  • 2. Коли була організована Кавендішськая лабораторія? Хто став її першим директором?
  • 3. Який закон не вдалося описати за допомогою електрогідравлі- чеських аналогій?
  • 4. За допомогою якої моделі Максвелл прийшов до висновку про існування струму зміщення і явища магнітоелектричної індукції?
  • 5. В якій статті Максвелл вперше використав термін «електромагнітне поле»?
  • 6. Як записується система рівнянь, складена Максвеллом?
  • 7. Чому рівняння Максвелла вважаються одним з тріумфальних досягнень людської цивілізації?
  • 8. Які висновки зробив Максвелл з теорії електромагнітного поля?
  • 9. Як розвивалася електродинаміка після Максвелла?
  • 10. Як Герц прийшов до висновку про існування електромагнітних хвиль?
  • 11. У чому полягає головна заслуга Лебедєва перед фізикою?
  • 12. Як теорія електромагнітного поля використовується в техніці?

Завдання для самостійної роботи

  • 1. Дж. К. Максвелл. Біографія і наукові досягнення в електродинаміки та інших областях фізики.
  • 2. Емпіричні і теоретичні підстави теорії електромагнітного поля Максвелла.
  • 3. Історія створення рівнянь Максвелла.
  • 4. Фізична сутність рівнянь Максвелла.
  • 5. Дж. К. Максвелл - перший директор Кавендішської лабораторії.
  • 6. Як записується в даний час система рівнянь Максвелла: а) в інтегральної формі; б) в диференціальної формі?
  • 7. Г. Герц. Біографія і наукові досягнення.
  • 8. Історія виявлення електромагнітних хвиль і їх ідентифікації зі світлом.
  • 9. Досліди П. Н. Лебедєва по виявленню світлового тиску: схема, завдання, труднощі та значення.
  • 10. Роботи А. А. Глаголєвої-Аркадьєву і М. А. Левицької по генерації коротких електромагнітних хвиль.
  • 11. Історія відкриття і дослідження фотоефекту.
  • 12. Розвиток електромагнітної теорії Максвелла. Роботи Дж. Г. Пойн- тинга, Н. А. Умова, О. Хевісайда.
  • 13. Як був винайдений і вдосконалений електричний телеграф?
  • 14. Історичні етапи розвитку електро- і радіотехніки.
  • 15. Історія створення освітлювальних приладів.

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. Виргинский, В. С. Нариси історії науки і техніки в 1870-1917 рр. / В. С. Виргинский, В. Ф. Хотеенков. - М .: Просвещение, 1988.
  • 8. Витковски, Н. Сентиментальна історія науки. - М .: КоЛибри, 2007.
  • 9. Максвелл, Дж. К. Вибрані твори з теорії електромагнітного поля. - М .: ГІТТЛ, 1952.
  • 10. Кузнєцова, О. В. Максвелл і розвиток фізики XIX-XX століть: зб. статей / відп. ред. Л. С. Полак. - М .: Наука, 1985.
  • 11. Максвелл, Дж. К. Трактат про електрику і магнетизм: в 2 т. - М .: Наука, 1989.
  • 12. Карцев, В. П. Максвелл. - М .: Молода гвардія, 1974.
  • 13. Нивен, У. Життя і наукова діяльність Дж. К. Максвелла: короткий нарис (1890) // Дж. К. Максвелл. Матерія і рух. - М .: Іжевськ: РГД, 2001..
  • 14. Harman, Р. М. The natural philosophy of James Clerk Maxwell. - Cambridge: University Press, 2001..
  • 15. Болотовского, Б. M. Олівер Хевісайд. - M .: Наука, 1985.
  • 16. Горохів, В. Г. Становлення радіотехнічної теорії: від теорії до практики на прикладі технічних наслідків з відкриття Г. Герца // Вієта. - 2006. - № 2.
  • 17. Книжкові серії «ЖЗЛ»: «Люди науки», «Творці науки і техніки».
 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >