ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Перетворення магнетизму на електрику

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

РІВНЕНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ГУМАНІТАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА БІОЛОГІЇ

Виникнення й розвиток електродинаміки. Перетворення електрики на магнетизм. Перетворення магнетизму на електрику. Ідея поля. Фізичне поле Фарадея Дві основи теорії поля. Теорія електромагнітного поля Максвелла. Основні передумови. Струм зміщення. Реальність поля. Поле та ефір. Основні досягнення природознавства XIX століття.

Виконала :

Студентка 5_го курсу(З.Ф.Н.)

Групи БР-51

Психолого –природничого

Факультету

Спеціальність- біологія

Левчук Ольга Павлівна

1. Коли в грудні 1801 р. Алессандро Вольта вперше демонстрував на урочистих зборах Французького інституту джерело електричного струму, яке він винайшов, ні сам доповідач, ні присутні при цьому найвідоміші французькі вчені навіть не підозрювали, що головним напрямком подальших досліджень у цій галузі стане електромагнетизм. Утім, цей новий напрямок виявив себе лише через двадцять років потому в потоці надзвичайних нових відкриттів, які ще через півстоліття спричинили могутній технічний переворот.

Перетворення електрики на магнетизм

Перші важливі кроки в цьому напрямку зробив датський фізик X. К. Ерстед (1777-1851). Перебуваючи під впливом ідей Шеллінга про єдність "усіх сил природи", Ерстед вважав, що повинен існувати зв'язок між електричними й магнітними явищами. Цей зв'язок йому вдалося продемонструвати в 1820 р. у дослідах, які підтвердили вплив електричного струму на магнітну стрілку. Досліди справили на сучасників сильне враження; їх негайно повторили в Німеччині, Швейцарії, Франції.

У тому ж 1820 р. французький фізик А. Ампер (1775-1836) виступив з повідомленням про нове явище — взаємодію двох провідників, по яких тече струм. У цьому ж повідомленні Ампер уперше висловив думку про електричну природу магнетизму. Протягом дуже короткого часу він виконав ряд важливих досліджень, які блискуче підтвердили його думку. Усі отримані результати Ампер систематизував у книзі "Теорія електродинамічних явищ, виведена винятково з досліду", опублікованій у 1826 р. Відтепер з магнітними рідинами було покінчено, тепер у них не було необхідності. Магнітні явища, як виявилося, обумовлені електричними струмами. Магніт потрібно було розглядати, виходячи із сукупності кругових електричних струмів, площини яких перпендикулярні до прямої, проведеної через полюси магніту. Спіраль зі струмом (соленоїд) уподібнювалася магніту. З повним правом Ампер міг заявити: "Таким чином, усі магнітні явища я звів до чисто електричних дій". Розробляючи основи електродинаміки нового напрямку, який об'єднав електрику й магнетизм, учений запропонував вираз для сили, з якою взаємодіють два елементи струму; цей вираз є в усіх сучасних підручниках з електродинаміки. Зокрема, він звернув увагу на те, що електродинамічні сили, на відміну від відомих на той час гравітаційних та електростатичних, не є центральними.

Перетворення магнетизму на електрику

У 20-х роках XIX ст. проблемами електромагнетизму зацікавився геніальний англійський учений-самоук М. Фарадей (1791-1867). Ерстед та Ампер перетворили електрику на магнетизм; Фарадей поставив перед собою завдання — перетворити магнетизм на електрику. З 1831 р. він почав систематичну публікацію своїх досліджень, у результаті чого виникла багатотомна праця під загальною назвою "Експериментальні дослідження з електрики". У першій серії цієї праці (1831) описані знамениті досліди Фарадея, які привели до відкриття явища електромагнітної індукції. Фарадей довів, що зміна магнітного потоку в часі породжує електрорушійну силу індукції, і, отже, приводить до виникнення електричного струму в замкнутому контурі. Напрямок цього струму визначається правилом, яке встановив молодий професор Петербурзького університету Е. X. Ленц (1804-1865).

У другій серії своїх "Експериментальних досліджень" (1832) Фарадей продовжує вивчення електродинамічної індукції. У третій серії (1833) він довів, що різноманітність видів електрики є удаваною. Вивчаючи дії, виконані звичайною, вольтовою, "тваринною", термічною, магнітною електрикою, він дійшов висновку: "Усі види електрики ідентичні за своєю природою". Правда, сама ця природа не була ще зрозумілою на той час. Фарадей обережно зауважив з цього приводу: "Під струмом я маю на увазі щось таке, що рухається поступально — усе одно, що при цьому перебуває в русі: електрична рідина чи дві рідини, які рухаються в протилежних напрямках".

П'ята серія присвячена електролізу. Тут, а також у наступних трьох серіях Фарадей досліджує "хімічні дії" електричного струму. Усього вийшло двадцять серій. У дев'ятнадцятій серії розглядається відкрите Фарадеєм явище обертання площини поляризації світла в намагніченому середовищі. "Таким чином, — зробив висновок учений, — уперше, на мою думку, установлено справжній безпосередній зв'язок і залежність між світлом і магнітними й електричними силами і тим самим зроблено велике доповнення до фактів і міркувань, що служать для доведення того, що всі природні сили пов'язані між собою і мають єдине спільне походження".

Фізичне поле Фарадея

Фарадей відмовився від ньютонівської концепції дальньої дії; він увів у фізику зовсім новий об'єкт — фізичне поле. Відповідно до нової концепції вплив одного струму на інший пояснюється тим, що перший струм створює навколо себе в просторі магнітне поле, а це поле діє на другий струм, що знаходиться в ньому. Аналогічно: другий струм створює своє магнітне поле, яке діє на перший струм. Із цього приводу Д. К. Максвелл писав Фарадею (1857): "Тепер, наскільки мені відомо, Ви є першою людиною, в якої виникла ідея про те, що тіла діють одне на одне на відстані за допомогою приведення навколишнього середовища в стан напруги, ідея, в яку справді варто повірити. У нас були колись потоки гачечків, що літають навколо магнітів, і навіть картинки, на яких зображено оточені ними магніти; але немає нічого більш зрозумілого, ніж Ваш опис. Мені здається, що Ви чітко бачите, як силові лінії огинають перешкоди, женуть сплески напруги в провідниках, повертають уздовж визначених напрямків у кристалах і несуть із собою все ту ж саму кількість здатності до притягання, розподілену розрідженіше чи густіше в залежності від того, розширюються ці лінії чи згущуються".

Властивості самого поля є істотними для опису явища. Відмінності між джерелами поля не є принциповим питанням. Значення поняття поля виявляється в тому, що воно приводить до нових експериментальних фактів. Поле виявилося дуже корисним поняттям. Воно виникло як щось таке, що перебуває між джерелом і магнітною голкою для того, щоб описати діючу силу. Його сприймали як "агента" струму, через який виконувалися всі його дії. Але агент діє і як перекладач,котрий перекладає закони на просту, зрозумілу мову.

Перший успіх опису за допомогою поля показав, що воно може бути зручним для вивчення всіх дій струмів, магнітів і зарядів. Поле можна розглядати як щось, що завжди пов'язане зі струмом. Воно існує, навіть якщо відсутній магнітний полюс, за допомогою якого можна встановити його існування. Якщо електричний заряд і магнітний полюс перебувають у стані спокою, то між ними немає ніякої взаємної дії: ні притягання, ні відштовхування. Виражаючи подібний факт мовою поля, ми можемо стверджувати: електростатичне поле не впливає на магнітостатичне й навпаки. Поняття "статичне поле" означає, що мова йде про поле, яке не змінюється в часі. Магніти й заряди могли б вічно залишатися поруч, якби ніяка зовнішня сила не порушувала їхнього стану. Електростатичні, магнітостатичні й гравітаційні поля мають різний характер. Вони не змішуються: кожне зберігає свою індивідуальність незалежно від інших.

Дві основи теорії поля

Перша основа теорії електричного й магнітного поля це зв'язок між електричним полем, що змінюється, і магнітним полем. Друга пов'язує магнітне поле, що змінюється, з індукційним струмом і ґрунтується на досліді Фарадея. Обидві вони лежать в основі кількісного опису поля.

Необхідно згадати ще про один наслідок теорії поля. Нехай ми маємо контур, по якому тече струм, джерелом якого є, наприклад, батарея Вольта. Раптово зв'язок між провідником і джерелом струму розривається. Тепер, звичайно, ніякого струму немає. Але в момент цього короткого розриву спостерігається складний процес, який знову-таки можна було б передбачити за допомогою теорії поля. Перед розривом потоку струму навколо провідника існувало магнітне поле. Воно перестало існувати в момент, коли потік струму перервався. Отже, через розрив потоку струму магнітне поле зникло. Кількість силових ліній, що проходять через поверхню, оточену контуром, дуже швидко змінилася. Але така швидка зміна, як би вона не відбувалася, повинна спричинити виникнення індукційного струму. Що дійсно має значення, — так це зміна магнітного поля, яка збуджує індукційний струм, сила якого тим більша, чим значнішою була зміна поля. Розрив потоку струму повинен супроводжуватися виникненням сильного короткочасного індукційного струму — при цьому спостерігається іскра. Ця іскра вказує на величезну різницю потенціалів, викликану швидкою зміною магнітного поля.

Той же самий процес можна розглядати з іншого погляду, з погляду енергії. Магнітне поле зникло, але з'явилася іскра. Іскра має деяку енергію, тому і магнітне поле повинно мати енергію. Щоб послідовно застосовувати поняття поля і його мову, ми повинні сприймати магнітне поле як запас енергії. Тільки на цьому шляху ми зможемо описати магнітні й електричні явища згідно із законом збереження енергії. Приписування полю енергії є подальшим кроком у розвитку, у якому поняття поля стає все більш істотним, а субстанціональні концепції, властиві механістичній точці зору, усе більше відходять на задній план.

Максвелл, який першим записав рівняння електрики й магнетизму, зауважив, розглядаючи зазначені вище твердження як постулати, що вони внутрішньо суперечливі, незважаючи на те, що всі твердження про електрику й магнетизм були ретельно відібрані в результаті експериментальних спостережень. Чому ж тоді вони суперечать один одному і як їх можна змінити? Будь-яке спостереження, експериментальне чи яке-небудь інше, торкається лише частини того, що є доступним з досліду. Записані ж рівняння або правила набувають універсальності, що виходить за межі цієї "ділянки" досліду. В неочевидній формі вони містять у собі твердження ще й про дослід, який не перевірений, і про явища, що не спостерігалися. Якщо ж ми хочемо змінити свої постулати, не вступаючи при цьому в суперечність з дослідом, то повинні це зробити так, щоб ті висновки, що описують явища, які вже спостерігалися, залишилися незмінними; ті ж висновки з постулатів, що описують нові явища, можуть після модифікації постулатів змінитися. Максвелл відшукав суперечність серед постулатів електромагнетизму в законі Ампера. Якщо цей закон, записаний у відомій тоді формі, справедливий, він суперечить закону збереження заряду. Відповідно до цього закону, магнітні поля збуджуються тільки струмами, що, чесно кажучи, при правильному формулюванні може видатися досить дивним. Так як електричні поля збуджуються як зарядами, так і (відповідно до закону Фарадея) змінними магнітними полями. Якщо дбати до симетрію, то можна було б припустити, що й магнітні поля збуджуються не тільки струмами, але й змінними електричними полями. Саме це уточнення до закону Ампера дозволило Максвеллові усунути суперечність щодо закону збереження електрики.

Струм зміщення

Спостерігаючи перезарядження двох куль, з'єднаних провідником, Максвелл виразно побачив, що даний випадок істотно відрізняється від тих явищ, з якими мав справу Ампер у своїй лабораторії. Ампер вимірював силу, з якою діє один провідник на інший, коли по них протікають постійні струми. У розглянутому прикладі струм не буде постійним. Заряд буде перетікати від однієї кулі до іншої, а потім назад, і його рух нагадуватиме рух маятника, який здійснює коливальні рухи. Максвелл зрозумів, що закон Ампера справджується для замкнутих струмів, і порушив питання про те, що відбуватиметься, якщо струм буде незамкнутим. Описуючи так званий "електротонічний стан" Фарадея, Максвелл використовує рівняння нерозривності для замкнутих струмів і пише: "Тому наше дослідження обмежується поки що замкнутими струмами, і ми мало знаємо про дію незамкнутих струмів, що мають здатність до намагнічування".

У наш час ми могли б упевнено стверджувати, з'ясувавши протиріччя у вихідних постулатах теорії, що закон Ампера справджується тільки стосовно постійних і замкнутих струмів. Максвелл припустив, що в закон Ампера потрібно додати ще один член, що відіграє істотну роль, лише коли струми змінюються дуже швидко. Цей член, який Максвелл назвав струмом зміщення і який зникає за тих умов, при яких Ампер проводив свої вимірювання, усуває протиріччя між законом Ампера й законом збереження заряду, надаючи рівнянню електрики й магнетизму симетричного вигляду, тому що цей член описує виникнення магнітного поля під дією змінного електричного поля.

Максвеллівська модифікація закону Ампера привела до того, що рівняння електромагнетизму стали несуперечливими й симетричними: із закону Фарадея випливає, що змінне магнітне поле породжує електричне поле, а тепер, після введення Максвеллом струму зміщення, можна стверджувати, що і змінне електричне поле збуджує магнітне поле.

З різних чисто технічних причин ефекти струму зміщення дуже важко спостерігати, поки швидкість зміни полів не стає дуже великою; знадобилося 20 років, перш ніж Герцу, уже після смерті Максвелла, вдалося одержати перше експериментальне підтвердження теорії Максвелла.

Роботи Максвелла дали можливість сформулювати рівняння для електричних і магнітних полів у вигляді, еквівалентному таким шести твердженням:

1. Електричне поле, що відповідає якому-небудь розподілу зарядів, визначається за законом Кулона.

2. Магнітні заряди не існують.

3. Закон Фарадея: змінне магнітне поле збуджує електричне поле.

4. Закон Ампера: струми й змінні електричні поля збуджують магнітне поле.

5. Заряд зберігається.

6. Електричне й магнітне поля діють на заряди із силою, яка визначається за формулою Лоренца.

Поле та ефір

Старий механістичний погляд намагався звести всі явища природи до сил, що діють між частинками речовини. У своїх ранніх роботах Максвелл також розвивав електромагнітну теорію за допомогою наочних механічних моделей, інтерпретуючи різні електротехнічні явища як напруги, натяги й вихори в пружному середовищі, тобто в деякому флюїді, що заповнює весь простір, — одному з різновидів знаменитого ефіру. Він писав: "Я маю намір тепер розглянути магнітні явища з механічної точки зору й досліджувати, які напруги чи рухи середовища здатні викликати явища, які я спостерігаю".

Але одні тільки вихори існувати не могли, тому що відразу ж виникало запитання: яким чином ці вихори можуть існувати, стикаючись один з одним й одночасно обертаючись в одному напрямку? Щоб вирішити цю проблему, Максвелл увів між вихорами своєрідні "шестірні холостого ходу": "Вихори розділені шаром частинок так, що кожна обертається навколо власної осі в напрямку, протилежному напрямку вихорів, так що дотичні поверхні частинок і вихорів мають однаковий напрямок руху". Імовірно, це була одна з найбільш складних моделей, коли-небудь запропонованих у науці. Однак пізніше Максвелл пояснив, що його теорія фактично не залежить від якої-небудь механічної інтерпретації. Як пізніше сказав Герц: "Головне в теорії Максвелла — це рівняння Максвелла".

Спочатку поняття поля було не більш, як прийомом, який полегшував розуміння явищ з механічної точки зору. Поле розглядали як щось таке, що згодом можна буде витлумачити механістично за допомогою ефіру. Пізніше стало зрозуміло, що цю програму не можна зреалізувати, що досягнення теорії поля стали вже занадто разючими й важливими, щоб їх можна було замінити механістичними догмами. Визнання нових понять поступово утверджувалося, поки субстанція не була відтіснена полем на задній план. Стало зрозуміло, що у фізиці відбулося щось дуже важливе. Було створено нову реальність, нове поняття, для якого не було місця в механістичному описі. Завдання придумування механічної моделі ефіру ставало все менш і менш цікавим, а результат через вимушений і штучний характер припущень усе більш і більш дивним.

Єдиний вихід — це припустити, що простір має фізичну властивість передавати електромагнітні хвилі, і не занадто перейматися через зміст цього твердження. Можна ще вживати слово "ефір", але тільки для того, щоб виразити згадану фізичну властивість простору. Слово "ефір" у процесі розвитку науки змінювало свій зміст багато разів. У даний момент воно вже не вживається для позначення середовища, побудованого з частинок.