Горяев М.А.
В 18 веке продолжались работы по электризации тел, начатые Гильбертом. Многочисленные эксперименты, проведенные в различных лабораториях, позволили обнаружить не только новые материалы, способные электризоваться при трении, но и открыть ряд новых свойств этого явления. Англичанин Стивен Грей (1670-1735) показал, что электричество может распространяться по некоторым телам, т.е. ввел понятия проводника и изолятора. Были усовершенствованы устройства для получения электричества — электростатические машины, созданы конденсаторы (лейденская банка).
Интерес к новым явлениям широко распространялся в обществе благодаря различным фокусам и демонстрациям на публике. Систематические исследования с электрическими явлениями провел Франклин и сформулировал в 1747 г. свою теорию с использованием понятия электрического флюида, избыток или недостаток которого обусловливает электризацию тел.
Франклин Бенджамин (17.01.1706-17.04.1790) – американский физик, член Лондонского королевского общества (1756), Петербургской АН (1789), видный политический и общественный деятель, медаль Копли (1753). Родился в Бостоне в семье предпринимателя. Образование получил самостоятельно. В 1727 организовал в Филадельфии собственную типографию, в 1731 – первую в Америке публичную библиотеку, в 1743 – американское философское общество (первое в Америке научно-исследовательское учреждение), в 1751 – Пенсильванский университет. 1737-53 – почтмейстер Пенсильвании, 1753-74 – североамериканских колоний. Участвовал в составлении “Декларации независимости” и конституции США.
В 1746-54 провел экспериментальные исследования по электричеству, объяснил действие лейденской банки, построил первый плоский конденсатор, изобрел в 1750 молниеотвод, доказал в 1753 тождественность земного и атмосферного электричества, электрическую природу молнии. Разработал (1750) теорию электрических явлений, ввел понятия положительного и отрицательного электричества. Исследовал вопросы теплопроводности металлов, распространения звука в воздухе и воде. Автор ряда изобретений (применение искры для взрыва пороха и др.).
Работы Франклина Лондонское королевское общество признало недостойными публикации, и они были опубликованы его другом английским физиком Питером Коллинсоном (1694-1768) за свой счет. Успех публикации был огромен, а после того, как в 1752 г. был реализован его эксперимент с молниеотводом, подтверждающий эквивалентность электрической искры и молнии, научный энтузиазм к исследованию электрических явлений распространился очень широко. Королевское общество в 1753 г. присудило Франклину Коплеевскую медаль, а в 1756 г. избрало своим членом.
Общая, уже сложившаяся к тому времени методология научных исследований требовала количественных измерений. И основателем электрической метрологии был Вольта, который также сконструировал весьма точные электрометры.
Вольта Алессандро (18.02.1745-05.03.1827) – итальянский физик, химик и физиолог, член Лондонского королевского общества и Парижской АН, медаль Копли (1794). Родился в Комо в знатной дворянской семье. Учился в школе ордена иезуитов. В 1774-79 преподавал физику в гимназии в Комо, с 1779 – профессор Павийского университета, в 1815-19 – директор философского факультета Падуанского университета.
Работы в области электричества, молекулярной физики. Развил теорию лейденской банки (1769), построил смоляной электрофор (1775), электроскоп с соломинками (1781), конденсатор (1783), электрометр и другие приборы, описал действие телеграфа. В 1792 начал повторять опыты Л.Гальвани с “животным” электричеством и пришел к выводу, что причиной кратковременного тока является наличие цепи из двух классов разнородных проводников (двух металлов и жидкости). В конце 1799 сконструировал первый источник длительного гальванического тока – вольтов столб. Открыл (1795) взаимную электризацию разнородных металлов при контакте и составил ряд напряжений для металлов (1801). Исследовал тепловое расширение воздуха, наблюдал диффузию, установил проводимость пламени (1787). Обнаружил метан (1776) и объяснил его образование разложением животных и растительных останков.
Его именем названа единица напряжения — вольт.
Блестящие исследования в области электричества провел Кулон.
Кулон Шарль Огюст (14.06.1736-23.08.1806) – французский физик и военный инженер, член Парижской АН (1803). Родился в Ангулеме в семье чиновника. Окончил военно-инженерную школу в Мезьере (1761), после чего несколько лет находился на военной службе на Мартинике, где руководил строительством флота. После возвращения во Францию служил в военно-инженерном корпусе, уделяя со временем все больше внимания научным исследованиям.
Работы в области механики, электричества и магнетизма. Первая научная работа, начатая еще на Мартинике, «О приложении правил максимумов и минимумов к некоторым проблемам статики, относящимся к архитектуре» определила прогресс строительной механики 18-19 веков. Сформулировал в 1781 законы трения скольжения и качения. Исследовал и сконструировал в 1784 крутильные весы, с помощью которых в 1785 установил основной закон электростатики, а в 1788 распространил его на взаимодействия магнитных полюсов. Выдвинул гипотезу магнетизма, по которой магнитные жидкости не свободны, а связаны с отдельными молекулами, поляризующимися в процессе намагничивания. Сконструировал магнетометр (1785).
Его именем названа единица заряда — кулон.
Кулон сконструировал крутильные весы высокой чувствительности, установив предварительно, что сила закручивания нити зависит от вещества нити, пропорциональна углу закручивания и четвертой степени диаметра нити и обратно пропорциональна ее длине. С помощью этих весов Кулон экспериментально установил, что силы притяжения и отталкивания зарядов обратно пропорциональны квадратам расстояний. Кулоном же была постулирована пропорциональность силы взаимодействия произведению электрических зарядов, т.е. за 4 года интенсивной работы с 1785 по 1789 г. им был заложен фундамент современной электростатики. Поскольку электростатические силы так же зависят от расстояния, как и ньтоновские, то здесь можно использовать все свойства ньютоновских сил, найденные в теоретической механике.
Следует отметить, что используя также крутильные весы, Кавендиш в 1798 г. доказал справедливость закона тяготения для обычных (не небесных) тел.
Кавендиш Генри (10.10.1731-24.02.1810) – английский физик и химик, член Лондонского королевского общества (1760). Родился в Ницце в семье лорда. В 1749-53 учился в Кембриджском университете. Большую часть жизни провел в одиночестве, полностью отдаваясь научной работе в собственной лаборатории.
Публиковал только те статьи, в которых был полностью уверен, из-за чего многие работы по электричеству оставались неизвестными. Изданные в 1879 Дж. Максвеллом эти работы показали, что еще в 1771 он пришел к выводу об обратной пропорциональности силы электростатического взаимодействия квадрату расстояния. Ввел понятие электроемкости, открыл влияние среды на емкость конденсатора и определил диэлектрическую проницаемость ряда веществ. В 1798 измерил гравитационную силу притяжения двух небольших сфер, определил гравитационную постоянную, массу и среднюю плотность Земли. Получил в 1766 водород и определил его свойства, установил состав воды и показал, что ее можно получить искусственным путем, определил содержание кислорода в воздухе (1781).
С первых же случаев поражения электрическим разрядом возникли предположения о «животном электричестве», регуляторе жизни животных. В 1773 г. появился мемуар Джона Уолша об электрическом скате, а у физиологов возникла гипотеза о «животной эссенции», которая подобно электрическому флюиду ответственна за перенос нервных сигналов.
Профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани (1737-1798) провел электро-физиологические опыты и пришел к выводу об одинаковом эффекте сокращения мышц лягушки от физиологического и электрического воздействия. Результаты поразили Вольта, особое внимание которого привлекла одна особенность гальванического опыта: передача сигнала для сокращения мышцы проводниками однородными или составленными из разных металлов осуществлялась по-разному.
Вольта вначале провел опыт с обнаружением кисловатого вкуса на языке, если к кончику его прикладывать один конец, а к середине — другой конец дуги, составленной из разных металлов. Затем он приступил к чисто физическим исследованиям контактного электричества и получил закон контактных напряжений, расположив металлы в «ряд напряжений». В итоге Вольта изобрел новый прибор, который сначала назвал «искусственным электрическим органом», а потом «электродвижущим аппаратом». Французы позже стали называть его «гальваническим или вольтовым столбом».
Изобретение гальванических элементов (гораздо более удобных электрических источников, чем электростатические машины) существенно расширило круг исследований по электричеству. Прежде всего, была показана идентичность электрического и гальванического «флюидов», разница между которыми сначала проявлялась в ряде физиологических и химических процессов (электрический удар, химическое действие тока и т.п.).
Уже после первых исследований в области электричества и магнетизма возникали предположения о связи между ними. Поиски этой связи интенсифицировались после открытия законов Кулона. Решающий эксперимент в этой области в 1820 г. поставил Эрстед, который обнаружил отклонение магнитной стрелки проводником с током.
Эрстед Ханс Кристиан (14.08.1777–09.03.1851) – датский физик, непременный секретарь Датского королевского общества (с 1815), почетный член Петербургской (1830) и других академий наук. Родился в Рудкёбинге в семье аптекаря. Окончил Копенгагенский университет: диплом фармацевта (1797), степень доктора (1799). С 1806 – профессор этого университета, с 1829 одновременно директор Копенгагенской политехнической школы.
Работы в области электричества, акустики, молекулярной физики. Для научного творчества Эрстеда характерен поиск взаимосвязи между различными явлениями природы. Обнаружение им действия электрического тока на магнитную стрелку привело к возникновению новой области физики – электромагнетизма. В 1822-23 независимо от Ж.Фурье переоткрыл термоэлектрический эффект и построил первый термоэлемент. Экспериментально изучал сжимаемость и упругость жидкостей и газов, изобрел пьезометр.
Был блестящим лектором и популяризатором, организовал в 1824 Общество по распространению естествознания, создал первую в Дании физическую лабораторию.
Его именем названа единица напряженности магнитного поля — эрстед.
Следует отметить один важный факт в опыте Эрстеда: обнаруженный эффект не вписывался в ньютоновскую концепцию взаимодействия, где все силы были центральными. В том же 1820 году французские физики Био и Феликс Савар (1791-1836) экспериментально исследовали зависимость величины магнитного поля от расстояния от проводника с током до точки наблюдения. Однако такой зависимости в общем виде им получить не удалось. Эта задача была решена Лапласом и полученный им общий закон носит название закона Био-Савара-Лапласа.
Одновременно Ампер открыл взаимодействие токов, которое он назвал электродинамическим.
Ампер Андре Мари (22.01.1775–10.06.1836) – французский физик, математик и химик, член Парижской (1814), Петербургской (1830) и других академий наук. Родился в Лионе в семье коммерсанта. Получил домашнее образование. В 1801 стал преподавать физику и химию в центральной школе г. Бурга. В 1805-24 работал в Политехнической школе в Париже (с 1809 – профессор), с 1824 – профессор Коллеж де Франс.
Физические работы посвящены электромагнетизму. Установил закон взаимодействия электрических токов (закон Ампера), разработал теорию магнетизма. Согласно этой теории все магнитные взаимодействия сводятся к взаимодействию круговых электрических молекулярных токов, каждый из которых эквивалентен плоскому магниту – магнитному листку. Ампер впервые указал на тесную связь между электрическими и магнитными процессами. Открыл (1822) магнитный эффект катушки с током – соленоида, который является эквивалентом постоянного магнита, выдвинул идею усиления магнитного поля путем помещения внутрь соленоида железного сердечника. В 1820 предложил использовать электромагнитные явления для передачи сигналов, изобрел коммутатор, электромагнитный телеграф. Сформулировал понятие “кинематика”, проводил исследования в области философии и ботаники.
Его именем названа единица тока — ампер.
Ампер также предложил гипотезу, согласно которой магнит представляет собой совокупность токов, и вывел формулу взаимодействия элементов тока. Развитая им теория позволяла объяснить различные виды взаимодействия: магнитостатические, электромагнитные и электродинамические. Проведенные Эрстедом, Ампером и другими учеными исследования действия магнитов на проводники с током и обнаруженное в 1821 г. Фарадеем вращение проводника с током в магнитном поле легли в основу создания гальванометров, которые в различных модификациях широко использовались при исследовании электромагнитных явлений.
Фарадей Майкл (22.09.1791–25.08.1867) – английский физик, член Лондонского королевского общества (1824), Петербургской АН (1830). Родился в Лондоне в семье кузнеца. С 12 лет работал разносчиком газет, затем подмастерьем в переплетной мастерской. Учился самостоятельно. В 1813 стал ассистентом Г.Дэви в Королевском институте в Лондоне, в 1825 – директором лаборатории, сменив на этом посту Г.Дэви, в 1833-62 – профессор кафедры химии.
Работы в области электричества, магнетизма, магнитооптики, электрохимии. Открытое Фарадеем вращение магнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита стало основой лабораторной модели электродвигателя и наглядно выявило связь между электрическими и магнитными явлениями, что в итоге привело к открытию и установлению законов электромагнитной индукции. Открыл в 1835 экстратоки при замыкании и размыкании. Доказал тождественность различных видов электричества: “животного”, “магнитного”, гальванического, термоэлектричества и электричества, возникающего при трении. В результате работ по исследованию природы электрического тока в растворах кислот, солей и щелочей открыл в 1833 законы электролиза (законы Фарадея), которые были важным аргументом в пользу дискретности электричества. Ввел понятия подвижность, катод, анод, ионы, электролиз, электролиты, электроды, иэобрел вольтметр. В 1845 открыл диамагнетизм, в 1847 – парамагнетизм. Обнаружил вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея), что явилось доказательством связи света с магнетизмом и положило начало магнитооптике.
Фарадей первым ввел понятие поля, представление об электрических и магнитных силовых линиях. Идея поля кардинально изменило существовавшее у Ньютона и его последователей представление о дальнодействии и пространстве, как только пассивном вместилище тел и электрических зарядов. В 1837 обнаружил влияние диэлектриков на электрическое взаимодействие и ввел понятие диэлектрической проницаемости. Высказал идею о распространении электрического и магнитного взаимодействий через промежуточную среду, мысль о единстве сил природы (различных видов энергии) и их взаимном превращении.
В его честь названа единица емкости — фарада.
Первые исследования в области электричества были в основном сосредоточены на активных элементах — источниках электродвижущей силы, а пассивным проводникам практически не уделялось внимания. Ом провел систематические экспериментальные и теоретические исследования проводимости и сформулировал в 1827 г. свои законы в интегральной и дифференциальной формах, введя понятия и точные определения электродвижущей силы, электропроводности и силы тока.
Ом Георг Симон (16.03.1789-06.07.1854) — немецкий физик, член-корреспондент Берлинской (1839), член Туринской и Баварской АН, Лондонского королевского общества (1842), медаль Копли (1841). Родился в Эрлангене в семье слесаря. Окончил Эрлангенский университет, доктор философии (1811). Преподавал математику, затем физику в ряде гимназий. С 1833 — профессор Нюрнбергской высшей политехнической школы (с 1839 — ректор), 1849-52 — Мюнхенского университета.
Работы в области электричества, акустики, оптики. В 1826 экспериментально открыл основной закон электрической цепи (закон Ома), а в 1827 вывел его теоретически. Установил, что ухо воспринимает как простой тон только звук, вызванный простым гармоническим колебанием, остальные звуки — как основной тон и добавочные — обертона (акустический закон Ома).
Его именем названа единица электрического сопротивления — ом.
При этом Ом проводил свои работы, используя аналогию электрического тока с тепловыми потоками французского математика и физика Жана Батиста Жозефа Фурье (1768-1830) между двумя телами с различной температурой. Однако его работы в течение десяти лет оставались незамеченными. Одновременно с опытами Ома проводили исследования во Франции Антуан Сезар Беккерель (1788-1878), который определил зависимость сопротивления от длины и сечения проводника, и в Англии — Питер Барлоу (1776-1862), подтвердивший постоянство тока во всей цепи. Ряд частных законов, полученных в это время независимо от Ома, в 1845 г. обобщил Кирхгоф в своих правилах.
Большой толчок к проведению электрических измерений дало первое практическое использование электрических явлений в телеграфии. Создание воздушного и подводного телеграфов потребовало разработки новых методов электрических измерений. В 1840 г. Уитстон предложил свой метод моста для точных измерений сопротивлений. Гаусс заложил основы электромагнитной метрики, взяв за основные три механические единицы (времени, длины и массы) и выразив через них все остальные, а также разработав ряд новых приборов.
Гаусс Карл Фридрих (30.04.1777-23.02.1855) — немецкий математик, астроном и физик, член Лондонского королевского общества (1804), Парижской (1820) и Петербургской АН (1824). Родился в Брауншвейге в семье водопроводчика. Учился в 1795-98 в Гёттингенском университете, в 1799 получил доцентуру в Брауншвейге, с 1807 — профессор Гёттингенского университета и директор астрономической обсерватории.
Работы во многих областях физики. В 1832 создал абсолютную систему мер, в 1833 совместно с В.Вебером построил первый в Германии электромагнитный телеграф. В 1839 в сочинении «Общая теория сил притяжения и отталкивания, действующих обратно пропорционально квадрату расстояния» изложил основы теории потенциала (теорема Остроградского-Гаусса). В 1840 в работе «Диоптрические исследования» разработал теорию построения изображений в сложных оптических системах. В 1845 пришел к мысли о конечности распространения электромагнитных взаимодействий. В 1829 сформулировал принцип наименьшего принуждения (принцип Гаусса). Одним из первых высказал в 1818 гипотезу о существовании неевклидовой геометрии.
Его именем названа единица магнитной индукции — гаусс.
Работу по метрологии продолжили немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер (1804-1891) и Максвелл. В итоге появилась идея создания единой системы мер и в 1881 г. Международный конгресс в Париже установил международные единицы измерения.
Огромный вклад в развитие электромагнетизма был сделан работами Майкла Фарадея. Одной из ведущих философских идей физики 19 века было то, что все физические явления представляют собой проявления одной и той же сущности. Следуя этому принципу, в 1831 г. Фарадей обнаружил явление электромагнитной индукции. Он предложил теорию этого явления, впервые введя понятия линий магнитных сил и электромагнитного поля и высказав идею о распространении магнитных возмущений во времени. В 1833 г. американский физик Джозеф Генри (1797-1878) обнаружил явление самоиндукции, а российский ученый Эмиль Христианович Ленц (1804-1865) сформулировал в 1834 г. свое правило о направлении индукционных токов.
В середине 40-х годов немецкими учеными Францем Эрнстом Нейманом (1798-1895), Вебером и Гельмгольцем были построены теории индукции, учитывающие, что взаимодействие электрических зарядов зависят как от расстояния между ними, так и от скоростей.
В 1833-34 г.г. Фарадей установил основные законы электролиза, положив начало электрохимии. Им также было экспериментально доказано, что электрическое действие распространяется не только по прямой, но и по кривым линиям, а промежуточная среда существенно влияет на это действие. Таким образом, он подтверждал, что взаимодействие двух тел осуществляется через посредство среды, а не происходит в соответствии с теорией дальнодействия на расстоянии, что использовалось в наиболее простых моделях для математического истолкования явлений.
В результате опытов со сферическими конденсаторами с различными изолирующими прокладками Фарадей сформулировал свою теорию диэлектрической поляризации, которая была развита итальянским физиком Оттавиано Фабрицио Моссотти (1791-1863).
В 1845 г. при пропускании света через электромагнит Фарадей обнаружил поворот плоскости поляризации, что он объяснил присутствием магнитных полей в свете. Также им было обнаружено явление диамагнетизма.
Помимо многочисленных экспериментальных открытий, в конце жизни Фарадей в борьбе с атомистическими представлениями о непрерывности только пространства выдвигает оригинальную идею: развивая концепцию Босковича, вводит понятие поля. Он говорит, что материя не только взаимопроницаема, но и каждый ее атом простирается на всю солнечную систему, сохраняя свой собственный центр.
Также велико практическое значение открытий Фарадея, т.к. все машины современной электротехнической промышленности — генераторы (первый генератор тока был создан самим Фарадеем), трансформаторы, электромоторы — основаны на электромагнитной индукции. Сюда же следует отнести и телефон.
К 60-м годам 19 века электродинамика благодаря работам Неймана, Вебера и Гельмгольца считалась уже окончательно сформировавшейся наукой с четко определенными границами. Однако оригинальные идеи Фарадей заинтересовали Максвелла, и он задумал придать им математическую форму. Введя понятия токов смещения и напряженности поля, Максвелл сначала создал электродинамику диэлектриков, используя теорию Моссотти. Распространяя эти представления с поправками на магнетизм, он создает и теорию электромагнитной индукции. В итоге все построение сводится к знаменитым шести уравнениям Максвелла. Эти уравнения устанавливают непрерывность явлений, определяют изменения поля в отличие от ньютоновской модели, где законы определяют изменения поведения материальных частиц. Они связывают события, смежные в пространстве и во времени. Многие усматривали ряд логических ошибок и непоследовательностей при построении Максвеллом теории. Но она очень многое объясняла, и к концу 19 века крупнейшие физики придерживались мнения, которое высказал Герц: нужно принять уравнения Максвелла как гипотезу, постулаты, на которые и будет опираться вся теория электромагнетизма.
Герц Генрих Рудольф (22.02.1857-01.01.1894) — немецкий физик, член-корреспондент Берлинской АН (1889), член ряда академий наук и научных обществ, награды Венской, Парижской, Туринской АН, Лондонского королевского общества и др. Родился в Гамбурге в семье адвоката. Окончил Берлинский университет, степень доктора (1880) и был ассистентом у Г.Гельмгольца. С 1883 — приват-доцент Кильского университета, в 1885-89 — профессор Высшей технической школы в Карлсруэ, с 1889 — Боннского университета.
Основные работы относятся к электродинамике и механике. В 1887 в работе «Об очень быстрых электрических колебаниях» предложил удачную конструкцию генератора электромагнитных колебаний (вибратор Герца) и метод их обнаружения (резонатор Герца), впервые разработав теорию вибратора, излучающего электромагнитные волны в пространстве. Экспериментально доказал существование электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве в соответствии с теорией Максвелла. Придал уравнениям электродинамики симметричную форму, которая наглядно демонстрировала полную взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями (электродинамика Максвелла-Герца). В 1887 наблюдал внешний фотоэффект, заметив, что электрический разряд более интенсивен при облучении электродов ультрафиолетовым светом. В работе «О прохождении катодных лучей через тонкие металлические слои» (1891) открыл проницаемость металлов для катодных лучей, заложив основу для изучения этих лучей и строения вещества. Построил механику с введением неголономных связей, трактовкой механической системы как системы с большим числом степеней свободы и применением принципа кратчайшего пути или наименьшей кривизны.
Его именем названа единица частоты — герц.
Следуя своим уравнениям и идеям Фарадея о природе света, Максвелл строит электромагнитную теорию света, описывающую распространение поперечных электромагнитных волн. Дополнительные предпосылки к этому были также получены Вебером и Кирхгофом при определении скорости распространения электромагнитной индукции по проводу: она оказалась равной скорости света. К этому времени были обнаружены и исследованы колебания электрического разряда конденсатора в цепи с индукционной катушкой, а в 1884 г. Герц показал, что эти колебания вызывают в пространстве появление волн, состоящих из поляризованных перпендикулярно друг к другу электрических и магнитных колебаний. Он также обнаружил отражение, преломление и интерференцию таких волн. Важным подтверждением электромагнитной теории были опыты русского физика Петра Николаевича Лебедева (1866-1912), который в 1900 г. измерил величину светового давления в полном соответствии с теорией Максвелла.
Итальянский физик Аугусто Риги (1850-1920) развил эти работы и их результаты обобщены им в 1897 г. в книге «Оптика электрических явлений», само название которой говорит о революционности такого вывода в развитии физики.
Одним и самых замечательных результатов практического применения электромагнитных волн явилось изобретение в 1895 г. радиотелеграфии Поповым и итальянским исследователем Гульельмо Маркони (1874-1937).
Попов Александр Степанович (16.03.1859-13.01.1906) — русский физик и электротехник. Родился в п. Турьинские Рудники (Екатеринбургская губерния) в семье священника. Окончил Петербургский университет (1882). В 1883-1901 преподавал в военных заведениях Кронштадта. С 1901 — профессор Петербургского электротехнического института (с 1905 — ректор).
Работы в области электротехники и радиотехники. В 1888 повторил опыты Г.Герца и в 1889 впервые указал на возможность использования электромагнитных волн для передачи сигналов. В 1894 сконструировал генератор электромагнитных колебаний и приемник с чувствительным элементом — когерером, а также изобрел первую приемную антенну. Установил, что приемник антенны реагирует на грозовые разряды, и создал грозоотметчик. 7 мая 1895 продемонстрировал свой грозоотметчик на заседании физического отделения Российского физико-химического общества и высказал мысль о возможности его применения для передачи сигналов на расстояние. На заседании 24 марта 1896 продемонстрировал передачу сигналов на расстояние 250 м. Несколько позже Г.Маркони создал подобные приборы, провел с ними эксперименты и положил начало широкому применению радиосвязи, а в 1909 получил за эти работы Нобелевскую премию, когда Попов уже умер. В 1897 обнаружил отражение электромагнитных волн от предметов (кораблей), находящихся на пути их распространения, что было положено в основу радиолокации.
Таким образом, к концу 19 века в основном завершилось построение классической физики.
www.ronl.ru
РЕФЕРАТ по теме: «ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА».
СОДЕРЖАНИЕ:
СтраницыВВЕДЕНИЕ 2-3ГЛАВА 1Из истории открытия электромагнитных волн 3-13
1. Опыты Ганса Христиана Эрстеда 3-9
2. Роль Майкла Фарадея в изучении электромагнетизма10-11Уравнения Джеймса Клерка Максвелла 12-14ГЛАВА 2Материальность магнитного поля 14-15ГЛАВА 3Практическое применение электромагнетизма 16-203.1 Синхрофазотроны 163.2 Радиовещание 17-193.3 Магнитотерапия 19-20ЗАКЛЮЧЕНИЕ 21-22СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 22
ВВЕДЕНИЕ.Использование электромагнетизма играет ведущую роль во многих отраслях науки и техники.С электромагнетизмом связывают развитие энергетики, транспорта, вычислительной техники, физики плазмы, термоядерного синтеза и т.д.Магнитные разведка, дефектоскопия, магнитные линзы и магнитная запись информации, магнитная обработка воды, поезда на магнитной подушке – вот далеко не полный перечень перспективных областей промышленного применения магнитного поля.Неотъемлемой частью компьютерного томографа, без которого невозможна современная медицинская диагностика, является также источник магнитного поля.В течение многих лет не ослабевает интерес к магнитным полям биологических объектов, повышено внимание к среде обитания их и к космосу, а также вопросам влияния магнитного поля Земли на человека.А все началось с вопроса: « Что происходит с электричеством, если соединить полюсы вольтовой батареи проволокой?». Задал себе этот вопрос ГансХристиан Эрстед.
ГЛАВА 1.ИЗ ИСТОРИИ ОТКРЫТИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН.
1.1 ОПЫТЫ ГАНСА ХРИСТИАНА ЭРСТЕДА.
В августе 1820 года все более или менее известные европейские физики, все научные общества и редакции физических журналов получили небольшую, написанную на латыни брошюру. На обложке стояла ничего не говорящее название « Опыты по влиянию электрического тока на магнитную иглу» и мало что говорящая фамилия автора - Эрстед. Если бы каждый из учёных мог знать, что кроме него, эту брошюру держат в руках почти все физики, её сразу бы начали читать. Это объяснимо тем, что в ней было все: и само открытие, и то, как оно было сделано, и даже то, что ничего необыкновенного в нём, как тут же выяснилось, не было.
Оказывается в 1806 году адъютант кафедры фармацевтики Копенгагенского университета Ганс Христиан Эрстед, 29 лет от роду, осуществил свою заветную мечту – получить звание профессора. Но не на своей кафедре, входившей в состав медицинского факультета, а на другой – на кафедре физики. Объяснялось это тем, что, знакомясь с научными лабораториямиЕвропы во время своей двухгодичной командировки, Эрстед почувствовал большую склонность к наукам физическим и химическим и по возвращению вКопенгаген, стал с усердием читать лекции именно по этим двум дисциплинам.
Второе научное путешествие, тоже двухгодичное, ещё более сблизило его с физикой и химией, он смог лично ознакомиться со многими выдающимися достижениями того времени, в частности с работами Вольты. Вернувшись в1813 году в Данию, Эрстед продолжил преподавание физики. До мая 1820 годаЭрстед занимался тем, что изучал возникновение тепла под действием электрических разрядов, то есть соединял полюсы вольтовой батареи проволокой и раздумывал, что при этом происходит с электричеством. Его новаторская идея была такова: при соединение полюсов противоположные заряды смешиваются, каким то образом, так как исчезнуть они совсем не могут и не окажет ли этот скрытый вид энергии действие на магнит.
Сейчас такие рассуждения покажутся наивными, но в то время сама мысль уже была революцией. Если бы Эрстед выдвинул новую гипотезу, причём не просто новую, а гениальную, означающую новую эру в физике, он должен был, как всякий разумный человек, я уж не говорю – тщеславный, эту мысль тут же попытаться каким-то образом доказать. А этого-то он как раз и не сделал.Возможно, он тогда ещё не понял, чего заслуживает эта идея. Он же пишет, что высказал её перед студентами, а потом забыл до тех пор, пока студенты не напомнили. Странная забывчивость, если подумать, о чём идёт речь.Мне кажется, тут возможна и третья версия: Эрстед и впрямь предчувствовал новое открытие, устанавливающее связь между электричеством и магнетизмом, и, возможно, действительно говорил об этом студентам, но не знал, как это доказать. Ведь умение построить эксперимент требует не меньшей проницательности, чем создание умозрительной гипотезы. А, не зная, как доказать, не приступал к экспериментам, ограничиваясь только размышлениями на эту тему. Только счастливый случай на лекции указал этот скрытый путь.Вечером он решил продемонстрировать этот опыт студентам.Эрстед поместил между проводами, идущими от полюсов батареи, тонкую платиновую проволоку, а под проволоку поместил магнитную стрелку. Стрелка и впрямь качнулась, как и надеялся учёный, но столь слабо, что он не посчитал этот опыт удачным и отложил свою затею до другого времени, когда, как он пишет: «Надеялся иметь больше досуга». Странное признание.Только в начале июля опыт был повторен, на этот раз вполне удачно. И тогда меньше чем за 3 недели он выполнил всё своё знаменитое ныне исследование, выполнил тщательно, досконально, и так же обстоятельно и досконально описал открытое явление, и не по - датски, а по - латыни, и не в одном экземпляре, а в десятках, и к 21 июля всё было закончено.
Чтобы физики легко запомнили, куда что отклоняется, Эрстед выводит формулу: «Полюс, над которым вступает отрицательное электричество, поворачивается на запад; полюс, под которым оно вступает, поворачивается на восток».Правда, оказалось, что усвоение самой формулы не намного легче, чем описание всего опыта; некоторые физики даже назвали изобретённую формулу неудобной и нецелесообразной. Если сравнить её с правилом, приведённым в современном учебнике, то можно согласиться с таким определением. И ещё в одном Эрстед нечаянно напутал сам и запутал тем самым коллег: он утверждал, что для получения «электрического конфликта» (так он поначалу назвал электромагнетизм) необходимо, чтобы провод был раскалён.Вероятно, это заблуждение и вызвало некоторую паузу после получения физиками мемуара Эрстеда, потому что раскалить провод можно только с помощью достаточно мощной батареи, а не у всех учёных таковые имелись.Но как только было обнаружено, что открытое явление происходит даже от двух пластин батареи, работы по электромагнетизму хлынули потоком. И вот тут среди общих возгласов восторга вдруг прозвучал первый ехидный вопрос: позвольте, а кто сказал, что открытие господина Эрстеда действительно открытие? Влияние электричества на магниты давно открыто итальянцамиМожоном и Романьози, ещё в 1802 году.
В чём уличали Эрстеда? Дело в том, что работы итальянских учёных были опубликованы сначала в самой Италии, но Эрстед мог их не читать в оригинале; так ведь они были переведены на французский. Кто ж поверит, что он их не читал их? Ясное дело, читал. И умолчал об этом. И приписал всё себе. Если бы всё было на самом деле так, то действительно получалось нехорошо. Даже совсем плохо: уличение в плагиате для учёного – конец. Но ревнители научной нравственности в полемическом пылу упустили из виду некоторые детали, которые часто играют важную роль. Среди физиков нашлось немало людей, которые, подобно Шерлоку Холмсу, комиссару Мегрэ или ЭркюлюПуаро, занялись сопоставлением этих самых мелочей, чтобы установить истину.В числе наиболее проницательных расследователей «дела Эрстеда» был русский академик И. Гамель. Эрстед, конечно не преступник и мог не читать, но логика-качество, свойственное каждому учёному, - должна была подсказать ему выход из щекотливой ситуации, если он её таковой считал; согласись он со случайностью своего открытия, тогда уж никто не смог бы сказать, что он это открытие где-то у кого-то вычитал. Но вместо этого Эрстед, явно вредя себе, продолжает настаивать, что он работал над электромагнетизмом давно, но безуспешно. Отсюда можно сделать только один вывод, и Гамель делает его:«При всей моей готовности воздать должное заслугам Романьози, я в приведённых выше фактах не могу найти какого бы то ни было основания приписывать Эрстеду столь отвратительную роль». К такому же выводу, но в результате иных рассуждений приходит немецкий физик Георг Мунке. Своё мнение он публично изложил в «Физическом словаре».
А как же все-таки создавалась картина электромагнитного поля?Несколькими месяцами позже Ампер проделав аналогичный опыт, установил, что два параллельных проводника, по которым идёт ток в одном направлении, притягиваются друг к другу и отталкиваются, если токи имеют противоположные направления.Им же были исследованы свойства соленоида и создан прибор, названный гальванометром.Только что нашумевшее открытие Эрстеда возбудило в учёном мире исключительный интерес к электромагнетизму.Араго показал, что железные опилки притягиваются к медному проводу, когда по нему идёт электрический ток. Повторяя опыты Араго, Дэви обнаружил, что опилки, рассыпанные на листе бумаге, сквозь которую проходит перпендикулярно к листу проводник с током, располагаются вокруг провода концентрическими окружностями. (Рис. 1)
2. РОЛЬ МАЙКЛА ФАРАДЕЯ В ИЗУЧЕНИИ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА.
В дневнике Майкла Фарадея, да – да, того самого Майкла Фарадея, помещён рисунок, показывающий расположение этих опилок, - рисунок, который сейчас можно видеть в любом учебнике физики. Фарадей был ассистентом ГансаХристиана Эрстеда, но он и самостоятельно проделал много опытов. Поведение же магнитной стрелки натолкнуло его на мысль: нельзя ли получить непрерывное вращение магнита вокруг провода или заставить проводник с током вращаться вокруг магнита?Осуществлению такого вращения мешало то обстоятельство, что магнит обладает двумя полюсами. Фарадей нашёл способ устранить это затруднение.В 1827г. Фарадей получил профессорскую кафедру в Королевском институте. О колоссальной работоспособности Фарадея можно судить по печатному труду«Экспериментальные исследования по электричеству», выходившему отдельными сериями с 1831 по 1865г. Издание состояло из 30 серий. Здесь выразилось умение Фарадея работать систематически. Собственноручные заметки Фарадея к его работам аккуратно пронумерованы. Последний параграф к«Экспериментальным исследованиям» имеет №… 16041! Земля притягивает находящиеся над ней тела, причём это притяжение можно наблюдать и в безвоздушном пространстве. Что же является посредником между Землёй и телом в этом случае?Любой физик знает, что таким материальным посредником является «поле»,«поле тяготения». Материальным посредником между магнитом и куском железа, удалённым от него на некоторое расстояние, является магнитное поле, между электрическими зарядами – электрическое поле.
Вводя понятие поля и отвергая теорию дальнодействия, Фарадей был убежден в материальности силовых линий, идущих от магнита или заряженного проводника.Для него силовые линии были не просто графическим изображением действия сил, а реально существующими и заполняющими все пространство вокруг магнита или заряженного проводника.
1.3 УРАВНЕНИЯ ДЖЕЙМСА КЛЕРКА МАКСВЕЛЛА.
Впоследствии Максвелл идеи Фарадея облек в математическую форму. Он высоко оценил идеи Фарадея за скрытый в них глубокий математический смысл, за точность и логичность его определений.Максвелл так говорил: « Когда я стал углубляться в изучение работ Фарадея, я заметил, что метод его понимания тоже математичен, хотя и представлен в условной форме математических символов. Я также нашел, что метод может быть выражен в обычной математической форме и таким образом может быть сопоставлен с методами признанных математиков».
Максвелл составил четыре уравнения, два из которых имеют непосредственное отношение к физике средней школы. Для электромагнитного поля (в отсутствие проводников) они могут быть представлены так:ФЕ dl = dФ / dt Уравнение электродвижущей силы
ФH dl = dN / dt Уравнение магнитодвижущей силыЕ – напряженность электрического поля на участке dl; Н – напряженность магнитного поля на участке dl; N – поток электрической индукции, Ф – поток магнитной индукции, t – время.
Бросается в глаза симметричный характер уравнений, устанавливающих: первое – связь электрических и магнитных явлений, второе – аналогичную связь магнитных явлений с электрическими. Популярно электрическую сущность этих уравнений можно выразить следующими двумя положениями: 1) изменение электрического поля всегда сопровождается магнитным полем;2) изменяющееся магнитное поле всегда сопровождается электрическим полем.
В своих математических формулах Максвелл показал, что наличие вещественных носителей (металлических колец в модели Брэгга, металлических проводов) на практике не является существенным для распространения электромагнитного поля. Замкнутые на себя магнитные и электрические поля распространяются от источника (излучаются) по направлению радиусов во всех направлениях.
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?..»)
ГЛАВА 2МАТЕРИАЛЬНОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ.
Электромагнитное поле материально. Физика знает две формы материи – вещество (твердое, жидкое, газообразное) и поле (электромагнитное, гравитационное, внутриядерное). Скорость распространения электромагнитного поля, как теоретически установил Джеймс Максвелл, равна скорости распространения света. Отсюда у Максвелла возникла идея, что и свет представляет собой электромагнитное поле. Электромагнитная теория света сменила предшествующую ей теорию Гюйгенса, которая рассматривала свет как колебания эфира.« Электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии»,- писал Максвелл.
Материальность электромагнитного поля подтверждается тем, что в нем наблюдается действие сил, что оно является носителем и передатчиком энергии.Эта материя всегда налицо, так как если откачать насосом обычную, вещественную материю, которую Максвелл называл «грубой» (или «сгущенной») материей, то останется «тончайшая» материя, способная передавать электрические и световые действия.Вершиной научного творчества Джеймса Максвелла стал его «Трактат об электричестве и магнетизме», увидевший свет в 1873 году. Восемь лет труда отдал Максвелл «Трактату».
Наука ХХ века окончательно отбросила противоречивое понятие светового эфира, хотя в разговорной речи до сих пор сохранились выражения типа:«волны эфира», «передача в эфире», когда речь идет о радиовещании и когда в сущности мы имеем дело с колебательными явлениями в электромагнитном поле.
Максвеллу не удалось дожить до того времени, когда его идеи получили практическое подтверждение, он умер в расцвете творческих сил в 1879 году в возрасте 48 лет.Теория электромагнитного поля стала самым большим научным достижениемДжеймса Максвелла.
ГЛАВА 3ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА.
3.1 СинхрофазотроныВ настоящее время под магнитным полем понимают особую форму материи состоящую из заряженных частиц. В современной физике пучки заряженных частиц используют для проникновения в глубь атомов с целью их изучения.Сила, с которой действует магнитное поле на движущуюся заряженную частицу, называется силой Лоренца.
Fл=qBvsin@
Где B – индукция магнитного поля, то есть его
силовая характеристика.
@ - это угол между направлением скорости и направлением индукции.
Но энергия частиц, испускаемых при естественном распаде радиоактивных веществ, относительно невелика. Поэтому возникла необходимость создания искусственных источников заряженных частиц высоких энергий – ускорителей.
3.2 РадиовещаниеПосле того как было открыто электричество, его использовали в качестве«почтальона», предающего информацию с молниеносной быстротой.Но ведь телефонные и телеграфные провода не протянешь за кораблём или за самолётом, за поездом или автомобилем. Перекинуть мост через пространство людям помогло радио.В переводе с латинского «радио» означает «излучать».Первый кирпич в фундамент радиотехники, как мы уже знаем, заложил датский профессор Ганс Христиан Эрстед, который показал, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Его соотечественник и последователь ДжеймсМаксвелл пришёл к выводу, что переменное магнитное поле, возбуждаемое изменяющимся током, создаёт в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле, и т.д. Взаимно порождая друг друга, эти поля образуют единое переменное электромагнитное поле – электромагнитную волну. Возникнув в том месте, где есть провод с током, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света –300000 км/с.Максвелл утверждал, что волны света имеют ту же природу. Они отличаются только длиной. Видимый свет - это короткие волны, а электромагнитные волны– это волны большей длины.В 1888 г. их впервые смог получить и исследовать немецкий физик ГенрихРудольф Герц. Однако путей практического применения своего открытия он не нашел. Эти пути увидел Александр Степанович Попов.Опираясь на результаты опытов Герца, он создал прибор для обнаружения и регистрирования электрических «колебаний» - радиоприёмник.7 мая 1895г. А.С. Попов сделал доклад на заседании Русского физико- химического общества в Петербурге и продемонстрировал в действии свои приборы связи. Это был день рождения радио.Первый радиоприёмник Попова имел очень простое устройство: батарея, электрический звонок, электромагнитное реле и стеклянная трубка с металлическими опилками внутри – когерер (от латинского слова «когеренция»- «сцепление». (Рис.2)Передатчиком служил искровой разрядник, возбуждавший электромагнитные колебания в антенне, которую Попов впервые в мире использовал для беспроводной связи. Под действием радиоволн, принятых антенной, металлические опилки в когерере сцеплялись, и он начинал пропускать электрический ток от батареи. Срабатывало реле, включался звонок, а когерер получал «лёгкую встряску», сцепление между металлическими опилками ослабевало, и они были готовы принять следующий сигнал.Продолжая опыты и совершенствуя приборы, А.С.Попов медленно, но уверенно увеличивал дальность действия радиосвязи.Через 5лет после создания первого приёмника начала действовать регулярная линия беспроволочной связи на расстояние 40км.Благодаря радиограмме, переданной по этой линии зимой 1900 года, ледокол«Ермак» снял со льдины рыбаков, которых шторм унёс в море.Радио, начавшее свою практическую историю спасением людей, стало новым прогрессивным видом связи 20 века.
3. Магнитотерапия.В спектре частот разные места занимают радиоволны, свет, рентгеновское излучение и другие электромагнитные излучения. Их обычно характеризуют непрерывно связанными между собой электрическими и магнитными полями.Однако при определенных условиях электрическая и магнитная составляющие становятся практически независимыми, и их можно рассматривать отдельно.«Магнитотерапия» (лечение магнитным полем) и «магнитобиология»(биологическое воздействие магнитным полем)- термины, относящиеся к низкочастотному диапозону. Для лечения с помощью электромедицинских аппаратов используют постоянное магнитное поле (франклинизация), магнитное поле 10-40 мГц (индуктотерапия), электрическое поле 25-50 мГц (УВЧ- терапия).Отмечено, что при воздействии магнитным полем происходит изменение окислительно-восстановительных процессов и перекисного окисления липидов, перестройка в звеньях эндокринной системы. Противовоспалительный эффект действия магнитного поля связывают с изменением в свертывающей и противосвертывающей системах крови, улучшением микроциркуляции, а также выбросом гармонов. Магнитотерапия применяется в имплантологии и травмотологии, т.к. ускоряет процессы регенерации тканей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
История науки - тысячелетняя драма. Драма не только идей, но и их творцов.На памятниках, барельефах, мемориальных досках ученые всегда кажутся чуждыми суете и страданиям. Но до того, как их лики застыли в бронзе или граните, им были ведомы и печаль и отчаяние; все они были самыми обычными смертными; только одареннее и ранимее.И тернии, всегда устилающие дорогу к пьедесталам, ранили их ничуть не меньше, чем всех остальных людей; только раны их были невидимы миру.Ученый – это не специальность, ей нельзя обучить в институте. Каждое открытие делает человек, ставший ученым по призванию.Открытия не бывают случайными. Для торжества нового в науке нужны талант, знания, непредвзятость мнений, умение удивиться новому, трудолюбие, смелость в отстаивании своих убеждений. И , что очень важно, необходимость в данном открытии.Наука и общество должны по меньшей мере созреть, чтобы принять новое открытие, а еще лучше – они должны остро нуждаться в нем.В таких условиях и находилось научное общество, когда новаторская мысль посетила скромного датского профессора Ганса Христиана Эрстеда и произошло рождение нового раздела физики – электромагнетизма.
Список прочитанной литературы:В.З. Озерников «Неслучайные случайности. Рассказы о великих открытиях и выдающихся ученых»Л.С.Жданов, В.А.Маранджян «Курс физики»Справочник школьника под редакцией А.БарашковаМ.И.Блудов «Беседы по физике»М.И.Яковлева «Физиологические механизмы действия электромагнитных полей»
www.neuch.ru
Горяев М.А. В 18 веке продолжались работы по электризации тел, начатые Гильбертом. Многочисленные эксперименты, проведенные в различных лабораториях, позволили обнаружить не только новые материалы, способные электризоваться при трении, но и открыть ряд новых свойств этого явления. Англичанин Стивен Грей (1670-1735) показал, что электричество может распространяться по некоторым телам, т.е. ввел понятия проводника и изолятора. Были усовершенствованы устройства для получения электричества — электростатические машины, созданы конденсаторы (лейденская банка). Интерес к новым явлениям широко распространялся в обществе благодаря различным фокусам и демонстрациям на публике. Систематические исследования с электрическими явлениями провел Франклин и сформулировал в 1747 г. свою теорию с использованием понятия электрического флюида, избыток или недостаток которого обусловливает электризацию тел. Франклин Бенджамин (17.01.1706-17.04.1790) – американский физик, член Лондонского королевского общества (1756), Петербургской АН (1789), видный политический и общественный деятель, медаль Копли (1753). Родился в Бостоне в семье предпринимателя. Образование получил самостоятельно. В 1727 организовал в Филадельфии собственную типографию, в 1731 – первую в Америке публичную библиотеку, в 1743 – американское философское общество (первое в Америке научно-исследовательское учреждение), в 1751 – Пенсильванский университет. 1737-53 – почтмейстер Пенсильвании, 1753-74 – североамериканских колоний. Участвовал в составлении “Декларации независимости” и конституции США. В 1746-54 провел экспериментальные исследования по электричеству, объяснил действие лейденской банки, построил первый плоский конденсатор, изобрел в 1750 молниеотвод, доказал в 1753 тождественность земного и атмосферного электричества, электрическую природу молнии. Разработал (1750) теорию электрических явлений, ввел понятия положительного и отрицательного электричества. Исследовал вопросы теплопроводности металлов, распространения звука в воздухе и воде. Автор ряда изобретений (применение искры для взрыва пороха и др.). Работы Франклина Лондонское королевское общество признало недостойными публикации, и они были опубликованы его другом английским физиком Питером Коллинсоном (1694-1768) за свой счет. Успех публикации был огромен, а после того, как в 1752 г. был реализован его эксперимент с молниеотводом, подтверждающий эквивалентность электрической искры и молнии, научный энтузиазм к исследованию электрических явлений распространился очень широко. Королевское общество в 1753 г. присудило Франклину Коплеевскую медаль, а в 1756 г. избрало своим членом. Общая, уже сложившаяся к тому времени методология научных исследований требовала количественных измерений. И основателем электрической метрологии был Вольта, который также сконструировал весьма точные электрометры. Вольта Алессандро (18.02.1745-05.03.1827) – итальянский физик, химик и физиолог, член Лондонского королевского общества и Парижской АН, медаль Копли (1794). Родился в Комо в знатной дворянской семье. Учился в школе ордена иезуитов. В 1774-79 преподавал физику в гимназии в Комо, с 1779 – профессор Павийского университета, в 1815-19 – директор философского факультета Падуанского университета. Работы в области электричества, молекулярной физики. Развил теорию лейденской банки (1769), построил смоляной электрофор (1775), электроскоп с соломинками (1781), конденсатор (1783), электрометр и другие приборы, описал действие телеграфа. В 1792 начал повторять опыты Л.Гальвани с “животным” электричеством и пришел к выводу, что причиной кратковременного тока является наличие цепи из двух классов разнородных проводников (двух металлов и жидкости). В конце 1799 сконструировал первый источник длительного гальванического тока – вольтов столб. Открыл (1795) взаимную электризацию разнородных металлов при контакте и составил ряд напряжений для металлов (1801). Исследовал тепловое расширение воздуха, наблюдал диффузию, установил проводимость пламени (1787). Обнаружил метан (1776) и объяснил его образование разложением животных и растительных останков. Его именем названа единица напряжения — вольт. Блестящие исследования в области электричества провел Кулон. Кулон Шарль Огюст (14.06.1736-23.08.1806) – французский физик и военный инженер, член Парижской АН (1803). Родился в Ангулеме в семье чиновника. Окончил военно-инженерную школу в Мезьере (1761), после чего несколько лет находился на военной службе на Мартинике, где руководил строительством флота. После возвращения во Францию служил в военно-инженерном корпусе, уделяя со временем все больше внимания научным исследованиям. Работы в области механики, электричества и магнетизма. Первая научная работа, начатая еще на Мартинике, «О приложении правил максимумов и минимумов к некоторым проблемам статики, относящимся к архитектуре» определила прогресс строительной механики 18-19 веков. Сформулировал в 1781 законы трения скольжения и качения. Исследовал и сконструировал в 1784 крутильные весы, с помощью которых в 1785 установил основной закон электростатики, а в 1788 распространил его на взаимодействия магнитных полюсов. Выдвинул гипотезу магнетизма, по которой магнитные жидкости не свободны, а связаны с отдельными молекулами, поляризующимися в процессе намагничивания. Сконструировал магнетометр (1785). Его именем названа единица заряда — кулон. Кулон сконструировал крутильные весы высокой чувствительности, установив предварительно, что сила закручивания нити зависит от вещества нити, пропорциональна углу закручивания и четвертой степени диаметра нити и обратно пропорциональна ее длине. С помощью этих весов Кулон экспериментально установил, что силы притяжения и отталкивания зарядов обратно пропорциональны квадратам расстояний. Кулоном же была постулирована пропорциональность силы взаимодействия произведению электрических зарядов, т.е. за 4 года интенсивной работы с 1785 по 1789 г. им был заложен фундамент современной электростатики. Поскольку электростатические силы так же зависят от расстояния, как и ньтоновские, то здесь можно использовать все свойства ньютоновских сил, найденные в теоретической механике. Следует отметить, что используя также крутильные весы, Кавендиш в 1798 г. доказал справедливость закона тяготения для обычных (не небесных) тел. Кавендиш Генри (10.10.1731-24.02.1810) – английский физик и химик, член Лондонского королевского общества (1760). Родился в Ницце в семье лорда. В 1749-53 учился в Кембриджском университете. Большую часть жизни провел в одиночестве, полностью отдаваясь научной работе в собственной лаборатории. Публиковал только те статьи, в которых был полностью уверен, из-за чего многие работы по электричеству оставались неизвестными. Изданные в 1879 Дж. Максвеллом эти работы показали, что еще в 1771 он пришел к выводу об обратной пропорциональности силы электростатического взаимодействия квадрату расстояния. Ввел понятие электроемкости, открыл влияние среды на емкость конденсатора и определил диэлектрическую проницаемость ряда веществ. В 1798 измерил гравитационную силу притяжения двух небольших сфер, определил гравитационную постоянную, массу и среднюю плотность Земли. Получил в 1766 водород и определил его свойства, установил состав воды и показал, что ее можно получить искусственным путем, определил содержание кислорода в воздухе (1781). С первых же случаев поражения электрическим разрядом возникли предположения о «животном электричестве», регуляторе жизни животных. В 1773 г. появился мемуар Джона Уолша об электрическом скате, а у физиологов возникла гипотеза о «животной эссенции», которая подобно электрическому флюиду ответственна за перенос нервных сигналов. Профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани (1737-1798) провел электро-физиологические опыты и пришел к выводу об одинаковом эффекте сокращения мышц лягушки от физиологического и электрического воздействия. Результаты поразили Вольта, особое внимание которого привлекла одна особенность гальванического опыта: передача сигнала для сокращения мышцы проводниками однородными или составленными из разных металлов осуществлялась по-разному. Вольта вначале провел опыт с обнаружением кисловатого вкуса на языке, если к кончику его прикладывать один конец, а к середине — другой конец дуги, составленной из разных металлов. Затем он приступил к чисто физическим исследованиям контактного электричества и получил закон контактных напряжений, расположив металлы в «ряд напряжений». В итоге Вольта изобрел новый прибор, который сначала назвал «искусственным электрическим органом», а потом «электродвижущим аппаратом». Французы позже стали называть его «гальваническим или вольтовым столбом». Изобретение гальванических элементов (гораздо более удобных электрических источников, чем электростатические машины) существенно расширило круг исследований по электричеству. Прежде всего, была показана идентичность электрического и гальванического «флюидов», разница между которыми сначала проявлялась в ряде физиологических и химических процессов (электрический удар, химическое действие тока и т.п.). Уже после первых исследований в области электричества и магнетизма возникали предположения о связи между ними. Поиски этой связи интенсифицировались после открытия законов Кулона. Решающий эксперимент в этой области в 1820 г. поставил Эрстед, который обнаружил отклонение магнитной стрелки проводником с током. Эрстед Ханс Кристиан (14.08.1777–09.03.1851) – датский физик, непременный секретарь Датского королевского общества (с 1815), почетный член Петербургской (1830) и других академий наук. Родился в Рудкёбинге в семье аптекаря. Окончил Копенгагенский университет: диплом фармацевта (1797), степень доктора (1799). С 1806 – профессор этого университета, с 1829 одновременно директор Копенгагенской политехнической школы. Работы в области электричества, акустики, молекулярной физики. Для научного творчества Эрстеда характерен поиск взаимосвязи между различными явлениями природы. Обнаружение им действия электрического тока на магнитную стрелку привело к возникновению новой области физики – электромагнетизма. В 1822-23 независимо от Ж.Фурье переоткрыл термоэлектрический эффект и построил первый термоэлемент. Экспериментально изучал сжимаемость и упругость жидкостей и газов, изобрел пьезометр. Был блестящим лектором и популяризатором, организовал в 1824 Общество по распространению естествознания, создал первую в Дании физическую лабораторию. Его именем названа единица напряженности магнитного поля — эрстед. Следует отметить один важный факт в опыте Эрстеда: обнаруженный эффект не вписывался в ньютоновскую концепцию взаимодействия, где все силы были центральными. В том же 1820 году французские физики Био и Феликс Савар (1791-1836) экспериментально исследовали зависимость величины магнитного поля от расстояния от проводника с током до точки наблюдения. Однако такой зависимости в общем виде им получить не удалось. Эта задача была решена Лапласом и полученный им общий закон носит название закона Био-Савара-Лапласа. Одновременно Ампер открыл взаимодействие токов, которое он назвал электродинамическим. Ампер Андре Мари (22.01.1775–10.06.1836) – французский физик, математик и химик, член Парижской (1814), Петербургской (1830) и других академий наук. Родился в Лионе в семье коммерсанта. Получил домашнее образование. В 1801 стал преподавать физику и химию в центральной школе г. Бурга. В 1805-24 работал в Политехнической школе в Париже (с 1809 – профессор), с 1824 – профессор Коллеж де Франс. Физические работы посвящены электромагнетизму. Установил закон взаимодействия электрических токов (закон Ампера), разработал теорию магнетизма. Согласно этой теории все магнитные взаимодействия сводятся к взаимодействию круговых электрических молекулярных токов, каждый из которых эквивалентен плоскому магниту – магнитному листку. Ампер впервые указал на тесную связь между электрическими и магнитными процессами. Открыл (1822) магнитный эффект катушки с током – соленоида, который является эквивалентом постоянного магнита, выдвинул идею усиления магнитного поля путем помещения внутрь соленоида железного сердечника. В 1820 предложил использовать электромагнитные явления для передачи сигналов, изобрел коммутатор, электромагнитный телеграф. Сформулировал понятие “кинематика”, проводил исследования в области философии и ботаники. Его именем названа единица тока — ампер. Ампер также предложил гипотезу, согласно которой магнит представляет собой совокупность токов, и вывел формулу взаимодействия элементов тока. Развитая им теория позволяла объяснить различные виды взаимодействия: магнитостатические, электромагнитные и электродинамические. Проведенные Эрстедом, Ампером и другими учеными исследования действия магнитов на проводники с током и обнаруженное в 1821 г. Фарадеем вращение проводника с током в магнитном поле легли в основу создания гальванометров, которые в различных модификациях широко использовались при исследовании электромагнитных явлений. Фарадей Майкл (22.09.1791–25.08.1867) – английский физик, член Лондонского королевского общества (1824), Петербургской АН (1830). Родился в Лондоне в семье кузнеца. С 12 лет работал разносчиком газет, затем подмастерьем в переплетной мастерской. Учился самостоятельно. В 1813 стал ассистентом Г.Дэви в Королевском институте в Лондоне, в 1825 – директором лаборатории, сменив на этом посту Г.Дэви, в 1833-62 – профессор кафедры химии. Работы в области электричества, магнетизма, магнитооптики, электрохимии. Открытое Фарадеем вращение магнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита стало основой лабораторной модели электродвигателя и наглядно выявило связь между электрическими и магнитными явлениями, что в итоге привело к открытию и установлению законов электромагнитной индукции. Открыл в 1835 экстратоки при замыкании и размыкании. Доказал тождественность различных видов электричества: “животного”, “магнитного”, гальванического, термоэлектричества и электричества, возникающего при трении. В результате работ по исследованию природы электрического тока в растворах кислот, солей и щелочей открыл в 1833 законы электролиза (законы Фарадея), которые были важным аргументом в пользу дискретности электричества. Ввел понятия подвижность, катод, анод, ионы, электролиз, электролиты, электроды, иэобрел вольтметр. В 1845 открыл диамагнетизм, в 1847 – парамагнетизм. Обнаружил вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея), что явилось доказательством связи света с магнетизмом и положило начало магнитооптике. Фарадей первым ввел понятие поля, представление об электрических и магнитных силовых линиях. Идея поля кардинально изменило существовавшее у Ньютона и его последователей представление о дальнодействии и пространстве, как только пассивном вместилище тел и электрических зарядов. В 1837 обнаружил влияние диэлектриков на электрическое взаимодействие и ввел понятие диэлектрической проницаемости. Высказал идею о распространении электрического и магнитного взаимодействий через промежуточную среду, мысль о единстве сил природы (различных видов энергии) и их взаимном превращении. В его честь названа единица емкости — фарада. Первые исследования в области электричества были в основном сосредоточены на активных элементах — источниках электродвижущей силы, а пассивным проводникам практически не уделялось внимания. Ом провел систематические экспериментальные и теоретические исследования проводимости и сформулировал в 1827 г. свои законы в интегральной и дифференциальной формах, введя понятия и точные определения электродвижущей силы, электропроводности и силы тока. Ом Георг Симон (16.03.1789-06.07.1854) — немецкий физик, член-корреспондент Берлинской (1839), член Туринской и Баварской АН, Лондонского королевского общества (1842), медаль Копли (1841). Родился в Эрлангене в семье слесаря. Окончил Эрлангенский университет, доктор философии (1811). Преподавал математику, затем физику в ряде гимназий. С 1833 — профессор Нюрнбергской высшей политехнической школы (с 1839 — ректор), 1849-52 — Мюнхенского университета. Работы в области электричества, акустики, оптики. В 1826 экспериментально открыл основной закон электрической цепи (закон Ома), а в 1827 вывел его теоретически. Установил, что ухо воспринимает как простой тон только звук, вызванный простым гармоническим колебанием, остальные звуки — как основной тон и добавочные — обертона (акустический закон Ома). Его именем названа единица электрического сопротивления — ом. При этом Ом проводил свои работы, используя аналогию электрического тока с тепловыми потоками французского математика и физика Жана Батиста Жозефа Фурье (1768-1830) между двумя телами с различной температурой. Однако его работы в течение десяти лет оставались незамеченными. Одновременно с опытами Ома проводили исследования во Франции Антуан Сезар Беккерель (1788-1878), который определил зависимость сопротивления от длины и сечения проводника, и в Англии — Питер Барлоу (1776-1862), подтвердивший постоянство тока во всей цепи. Ряд частных законов, полученных в это время независимо от Ома, в 1845 г. обобщил Кирхгоф в своих правилах. Большой толчок к проведению электрических измерений дало первое практическое использование электрических явлений в телеграфии. Создание воздушного и подводного телеграфов потребовало разработки новых методов электрических измерений. В 1840 г. Уитстон предложил свой метод моста для точных измерений сопротивлений. Гаусс заложил основы электромагнитной метрики, взяв за основные три механические единицы (времени, длины и массы) и выразив через них все остальные, а также разработав ряд новых приборов. Гаусс Карл Фридрих (30.04.1777-23.02.1855) — немецкий математик, астроном и физик, член Лондонского королевского общества (1804), Парижской (1820) и Петербургской АН (1824). Родился в Брауншвейге в семье водопроводчика. Учился в 1795-98 в Гёттингенском университете, в 1799 получил доцентуру в Брауншвейге, с 1807 — профессор Гёттингенского университета и директор астрономической обсерватории. Работы во многих областях физики. В 1832 создал абсолютную систему мер, в 1833 совместно с В.Вебером построил первый в Германии электромагнитный телеграф. В 1839 в сочинении «Общая теория сил притяжения и отталкивания, действующих обратно пропорционально квадрату расстояния» изложил основы теории потенциала (теорема Остроградского-Гаусса). В 1840 в работе «Диоптрические исследования» разработал теорию построения изображений в сложных оптических системах. В 1845 пришел к мысли о конечности распространения электромагнитных взаимодействий. В 1829 сформулировал принцип наименьшего принуждения (принцип Гаусса). Одним из первых высказал в 1818 гипотезу о существовании неевклидовой геометрии. Его именем названа единица магнитной индукции — гаусс. Работу по метрологии продолжили немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер (1804-1891) и Максвелл. В итоге появилась идея создания единой системы мер и в 1881 г. Международный конгресс в Париже установил международные единицы измерения. Огромный вклад в развитие электромагнетизма был сделан работами Майкла Фарадея. Одной из ведущих философских идей физики 19 века было то, что все физические явления представляют собой проявления одной и той же сущности. Следуя этому принципу, в 1831 г. Фарадей обнаружил явление электромагнитной индукции. Он предложил теорию этого явления, впервые введя понятия линий магнитных сил и электромагнитного поля и высказав идею о распространении магнитных возмущений во времени. В 1833 г. американский физик Джозеф Генри (1797-1878) обнаружил явление самоиндукции, а российский ученый Эмиль Христианович Ленц (1804-1865) сформулировал в 1834 г. свое правило о направлении индукционных токов. В середине 40-х годов немецкими учеными Францем Эрнстом Нейманом (1798-1895), Вебером и Гельмгольцем были построены теории индукции, учитывающие, что взаимодействие электрических зарядов зависят как от расстояния между ними, так и от скоростей. В 1833-34 г.г. Фарадей установил основные законы электролиза, положив начало электрохимии. Им также было экспериментально доказано, что электрическое действие распространяется не только по прямой, но и по кривым линиям, а промежуточная среда существенно влияет на это действие. Таким образом, он подтверждал, что взаимодействие двух тел осуществляется через посредство среды, а не происходит в соответствии с теорией дальнодействия на расстоянии, что использовалось в наиболее простых моделях для математического истолкования явлений. В результате опытов со сферическими конденсаторами с различными изолирующими прокладками Фарадей сформулировал свою теорию диэлектрической поляризации, которая была развита итальянским физиком Оттавиано Фабрицио Моссотти (1791-1863). В 1845 г. при пропускании света через электромагнит Фарадей обнаружил поворот плоскости поляризации, что он объяснил присутствием магнитных полей в свете. Также им было обнаружено явление диамагнетизма. Помимо многочисленных экспериментальных открытий, в конце жизни Фарадей в борьбе с атомистическими представлениями о непрерывности только пространства выдвигает оригинальную идею: развивая концепцию Босковича, вводит понятие поля. Он говорит, что материя не только взаимопроницаема, но и каждый ее атом простирается на всю солнечную систему, сохраняя свой собственный центр. Также велико практическое значение открытий Фарадея, т.к. все машины современной электротехнической промышленности — генераторы (первый генератор тока был создан самим Фарадеем), трансформаторы, электромоторы — основаны на электромагнитной индукции. Сюда же следует отнести и телефон. К 60-м годам 19 века электродинамика благодаря работам Неймана, Вебера и Гельмгольца считалась уже окончательно сформировавшейся наукой с четко определенными границами. Однако оригинальные идеи Фарадей заинтересовали Максвелла, и он задумал придать им математическую форму. Введя понятия токов смещения и напряженности поля, Максвелл сначала создал электродинамику диэлектриков, используя теорию Моссотти. Распространяя эти представления с поправками на магнетизм, он создает и теорию электромагнитной индукции. В итоге все построение сводится к знаменитым шести уравнениям Максвелла. Эти уравнения устанавливают непрерывность явлений, определяют изменения поля в отличие от ньютоновской модели, где законы определяют изменения поведения материальных частиц. Они связывают события, смежные в пространстве и во времени. Многие усматривали ряд логических ошибок и непоследовательностей при построении Максвеллом теории. Но она очень многое объясняла, и к концу 19 века крупнейшие физики придерживались мнения, которое высказал Герц: нужно принять уравнения Максвелла как гипотезу, постулаты, на которые и будет опираться вся теория электромагнетизма. Герц Генрих Рудольф (22.02.1857-01.01.1894) — немецкий физик, член-корреспондент Берлинской АН (1889), член ряда академий наук и научных обществ, награды Венской, Парижской, Туринской АН, Лондонского королевского общества и др. Родился в Гамбурге в семье адвоката. Окончил Берлинский университет, степень доктора (1880) и был ассистентом у Г.Гельмгольца. С 1883 — приват-доцент Кильского университета, в 1885-89 — профессор Высшей технической школы в Карлсруэ, с 1889 — Боннского университета. Основные работы относятся к электродинамике и механике. В 1887 в работе «Об очень быстрых электрических колебаниях» предложил удачную конструкцию генератора электромагнитных колебаний (вибратор Герца) и метод их обнаружения (резонатор Герца), впервые разработав теорию вибратора, излучающего электромагнитные волны в пространстве. Экспериментально доказал существование электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве в соответствии с теорией Максвелла. Придал уравнениям электродинамики симметричную форму, которая наглядно демонстрировала полную взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями (электродинамика Максвелла-Герца). В 1887 наблюдал внешний фотоэффект, заметив, что электрический разряд более интенсивен при облучении электродов ультрафиолетовым светом. В работе «О прохождении катодных лучей через тонкие металлические слои» (1891) открыл проницаемость металлов для катодных лучей, заложив основу для изучения этих лучей и строения вещества. Построил механику с введением неголономных связей, трактовкой механической системы как системы с большим числом степеней свободы и применением принципа кратчайшего пути или наименьшей кривизны. Его именем названа единица частоты — герц. Следуя своим уравнениям и идеям Фарадея о природе света, Максвелл строит электромагнитную теорию света, описывающую распространение поперечных электромагнитных волн. Дополнительные предпосылки к этому были также получены Вебером и Кирхгофом при определении скорости распространения электромагнитной индукции по проводу: она оказалась равной скорости света. К этому времени были обнаружены и исследованы колебания электрического разряда конденсатора в цепи с индукционной катушкой, а в 1884 г. Герц показал, что эти колебания вызывают в пространстве появление волн, состоящих из поляризованных перпендикулярно друг к другу электрических и магнитных колебаний. Он также обнаружил отражение, преломление и интерференцию таких волн. Важным подтверждением электромагнитной теории были опыты русского физика Петра Николаевича Лебедева (1866-1912), который в 1900 г. измерил величину светового давления в полном соответствии с теорией Максвелла. Итальянский физик Аугусто Риги (1850-1920) развил эти работы и их результаты обобщены им в 1897 г. в книге «Оптика электрических явлений», само название которой говорит о революционности такого вывода в развитии физики. Одним и самых замечательных результатов практического применения электромагнитных волн явилось изобретение в 1895 г. радиотелеграфии Поповым и итальянским исследователем Гульельмо Маркони (1874-1937). Попов Александр Степанович (16.03.1859-13.01.1906) — русский физик и электротехник. Родился в п. Турьинские Рудники (Екатеринбургская губерния) в семье священника. Окончил Петербургский университет (1882). В 1883-1901 преподавал в военных заведениях Кронштадта. С 1901 — профессор Петербургского электротехнического института (с 1905 — ректор). Работы в области электротехники и радиотехники. В 1888 повторил опыты Г.Герца и в 1889 впервые указал на возможность использования электромагнитных волн для передачи сигналов. В 1894 сконструировал генератор электромагнитных колебаний и приемник с чувствительным элементом — когерером, а также изобрел первую приемную антенну. Установил, что приемник антенны реагирует на грозовые разряды, и создал грозоотметчик. 7 мая 1895 продемонстрировал свой грозоотметчик на заседании физического отделения Российского физико-химического общества и высказал мысль о возможности его применения для передачи сигналов на расстояние. На заседании 24 марта 1896 продемонстрировал передачу сигналов на расстояние 250 м. Несколько позже Г.Маркони создал подобные приборы, провел с ними эксперименты и положил начало широкому применению радиосвязи, а в 1909 получил за эти работы Нобелевскую премию, когда Попов уже умер. В 1897 обнаружил отражение электромагнитных волн от предметов (кораблей), находящихся на пути их распространения, что было положено в основу радиолокации. Таким образом, к концу 19 века в основном завершилось построение классической физики.
2dip.su
История развития электродинамики
Магнетизм
Когда точно были открыты постоянные магниты неизвестно, но уже в V веке н.э. магнетизм был известен. По крайней мере в это время уже знали, что подвешенные на веревке кусочки минерала магнетит, большие залежи которого были в древнем городе Магнесия, всегда ориентируются в одном и том же направлении. Собственно, и название “магнитизм” произошло от названия города Магнесия, который располагался на притоке реки Меандра. Этот город часто называют Магнесия на Меандре, потому что был еще один город с таким названием — Магнесия у Сипила. Сейчас Магнесия на Меандре называется Манисса и находится в Турции.
В Китае первый магнитный компас стали использовать во II веке до н.э. для указания направлении движения по пустыням, поэтому можно сказать, что магнетизм китайцы использовали уже тогда, хотя для Европы изобретение компаса произошло XII—XIII веках н.э. (по другим сведениям в IX веке).
Фалес Милетский
К этому времени магниты использовались, но не особо их изучали. Кроме того тогда уже знали о том, что янтарь способен притягивать кусочки шерсти, и это тоже относили к магнитным явлениям. К первым исследователям можно отнести, например, Фалеса Милетского (640/624 — 548/545 до н.э.). Он предположил, что у магнита есть “душа” и объявлял свойства магнита именно с помощью нее. Собственно, на этом его достижения в магнетизме и заканчивается.
Аверроэс
Арабский мыслитель Абу ал-Валид Мухаммад ибн Ахмад ибн Рушд, известный также под именем Аверроэс (1126 — 1198 гг), сделал интересное по тому времени предположение, что магнит искажал пространство вокруг него в соответствии с формой магнита.
В 1269 году Пьер Перегрин из Марикурта опубликовал рукопись “Трактат о магнитах”, в которой описал многие свойства магнита. По сути, эта рукопись изначально была просто письмом другу. Перегрин — это не фамилия, а прозвище, которое по современному можно перевести как пилигрим, паломник, странник, путешественник по святым местам. Тогда, во времена крестовых походов, такое прозвище было получить не трудно. Тем более, что Перегрин участвовал в военных действиях, а письмо-трактат писал в военном лагере Карла Анжуйского, осаждавшего город Лючеру.Именно Перегрин открыл (или по крайней мере описал), что существуют полюса магнита, и написал, что два магнита должны притягиваться, или, как он выразился, “совокупляться”, разноименными полюсами. Также он говорил про отталкивание магнитов, если их поднести друг к другу одноименными полюсами. Еще он заметил, что если кусок магнитной руды разломить пополам, то каждый из обломков также имеет два полюса. Правда, слово “полюс” Перегрин не использовал, он говорил о местах магнита, где “магнитное действие”, особенно велико. Кроме того Перегрин с помощью магнитов
собирался делать вечный двигатель.
Уильям Гильберт
Но особенно много для развития магнетизма сделал Уильям Гильберт (1540 — 1603). Причем он был доктором медицины, но заинтересовался магнитами после прочтения “Трактата о магнитах” все того же Перегрина и позже опубликовал свою работу “О магните, магнитных телах и большом магните — Земле”, в которой точно классифицировал известные свойства магнита. Самый известный его эксперимент был поставлен с целью объяснить магнетизм Земли. Гильберт изготовил шар из магнитной
руды и исследовал, каким образом шар действует ни маленькую железную стрелку.Он обнаружил сходство поведения этой стрелки с поведением стрелки инклинатора (компасной стрелки, вращающейся на горизонтальной оси) вблизи Земли и пришел к заключению, что Земля представляет собой гигантский магнит. Гильберт также высказал мысль, что «магнетическое действие выливается с каждой стороны» магнитного тела (понятие, отдаленно напоминающее силовые линии, который будут открыты Фарадеем в XIX веке). Он открыл, что при нагревании магнита выше некоторой температуры его магнитные свойства исчезают; впоследствии эта температура (588°С) была названа точкой Кюри, в честь Пьера Кюри. Гильберт открыл, что, когда приближают к одному полюсу магнита кусок железа, другой полюс начинает притягивать сильнее. Эта идея была запатентована через 250 лет после смерти Гильберта. Он же открыл и намагничиваемость если оно лежит вблизи магнита.
Гильберт многое сделал и открыл. Но Гильберт почти ничего не смог объяснить. Нет, объяснить он пытался, но получалось это довольно оригинально. Вот, например, как Гильберт объясняет тот факт, что при разрезании одного длинного магнита образуется много коротких, которые имеют первоначальное направление намагничивания и стремятся сохранить прежнее положение в пространстве. Он сравнивает магнит с веткой дерева:
«Пусть AB будет покрытый листвой сучок ивы… A – верхняя часть, B – нижняя, по направлению к корню. Разделили его в C. Я утверждаю, что конец A, снова вставленный в B с соблюдением правил прививки, прирастает к нему; точно так же, если B вставить в A, то они скрепляются друг с другом и дают ростки. Но если D вставить в A или C в B, то они вступают между собой в борьбу и никогда не срастаются, но один конец отмирает вследствие неподходящего и несоответствующего соединения, так как растительная сила, идущая одним путем, теперь оказывается стремящейся в противоположные стороны…»
Магнетизм он пытался объяснить с помощью все той же “души магнита”, про которую говорил Фалес.И именно Гильберг первый разделил электричество от магнетизма, и именно после этого электричество и магнетизм стали изучать раздельно. Причем именно Гильберт ввел и само понятие “электричество”. Под электричеством он стал понимать притягивание куском янтаря шерсти. До него это явление считали разновидностью магнетизма. Он пытался установить, какие вещества похожи на янтарь по своим электрическим свойствам, а какие — нет. Вот первое в истории употребление слова «электрический»:
«Электрические тела – те, которые притягивают таким же образом, как янтарь» (Гильберт В. «О магните», глава «Объяснение некоторых слов»).
А само латинское слово “electricus” означает “Янтарный”. Он же показал, что притягивать шерсть и другие мелкие предметы могут также алмазы, сапфиры, горный хрусталь, стекло, сера, соль и т. д.
Электростатика
Итак, Гильберт отделил магниты от веществ, которые могли электризоваться и притягивать к себе мелкие частицы (например, янтарь и стекло). С этого и началось развитие электростатики, то есть науки о взаимодействии неподвижных заряженных частиц. Тогда еще не знали природу взаимодействия ни между магнитами, ни между заряженными телами. Гильберт высказал предположение, что тела, которые могут электризоваться, содержат некие “соки”, а при трении они разогреваются или еще каким-то образом возбуждаются, благодаря чему от наэлектризованных тел начинает исходить испарение, которое и притягивает окружающие предметы. То есть по сути, Гильберт высказал предположение, что наэлектризованные тела взаимодействуют не сами по себе, а через некоторый вид материи. Эта теория будет позже названа теорией близкодействия. В противоположность ей, существовала теория дальнодействия, согласно которой тела взаимодействуют непосредственно между собой. Активным сторонником теории дальнодействия был Ньютон, его теория всемирного тяготения была, казалось бы, веским аргументом пользу дальнодействия. Ньютон критиковал теорию Гильберта об «испарении» наэлектризованных тел:
«Пусть он объяснит мне, каким образом наэлектризованное тело при трении может испускать излучение, столь разреженное и неуловимое и одновременно столь мощное, что его испускание, не вызывая ощутимого уменьшения веса наэлектризованного тела и, расширяясь в сферу, диаметр которой превышает два фута, тем не менее, остается способным возбуждать и удерживать медную или золотую пластинку на расстоянии свыше фута от наэлектризованного тела?»
В будущем, до Фарадея и Максвелла, именно теория дальнодействия будет считаться верной, но попытки объяснить ее ни к чему не приведут. Однако, сразу после Гильберта многих заинтересовала его теория. Правда, опять же, никто не мог объяснить как именно
«испарения» действуют на тела.
Отто фон Герике
Первым заметил, что наэлектризованные тела не только могут притягиваться, но также и отталкиваться, Никколо Кабео (1585-1650). Позднее, в 1660 году, Отто фон Герике (1602 — 1686), немецкий физик, изготовил электрическую машину. Она представляла собой вращающийся на железной оси шар из серы. Если к вращающемуся шару прикладывать руку, то он электризовался и начинали проскакивать искры. Герике заметил, что
шар притягивает легкие тела, а коснувшись шара, они тут же отталкивались и не притягивались к нему до тех пор пока не коснутся какого-нибудь другого тела. Он также заметил, что наэлектризованный шар светится в темноте.
Шарль Франсуа Дюфе
После того как накопилось достаточно много фактов о заряженных телах, эти факты нужно было как-то объяснить. В 1733 году Шарль Франсуа Дюфе (1698 — 1739) выдвинул предположение о существовании двух родов электричества — стеклянного и смоляного. Он разделил вещества, способные электризоваться на два класса: материалы из первого класса давали «стеклянное» электричество ( этот род электричества
был так назван, потому что сюда попало стекло) , вещества второго класса давали «смоляное» электричество (сюда попал янтарь). Заряженные тела из разных классов притягивались, в то время как заряженные тела из одного класса отталкивались.
Питер ван Мушенбрук
Через 12 лет, в 1745 году после этой работы Дюфе в голландском городе Лейден Питер ван Мушенбрук (1692 — 1761) вместе со своим приятелем Кюнеусом (по другим сведениям — его ученик) изобрели первый в мире конденсатор, который получил свое название в честь города Лейден, — лейденская банка. Одновременно с Мушенбруком такую же конструкцию предложил немецкий ученый Клейст (1700 — 1748), поэтому лейденскую банку еще иногда называли банкой Клейста. Устройство лейденской банки было
довольно простое — это был стеклянный сосуд, обклеенный снаружи листовым оловом, это была внешняя обкладка. Чтобы создать вторую, внутреннюю, обкладку, банку либо заполняли водой, либо покрывали оловом внутреннюю поверхности банки. В качестве контакта для внутренней обкладки выступала проволока, воткнутая через горловину банки. В первых опытах у конденсатора не было внешней обкладки, а в ее качестве выступали руки экспериментатора. Именно после удара тока от такой лейденской банки без внешней обкладки Кюнеус и узнал, что конденсатор работает. Лейденские банки могли накапливать заряд до микрокулона (но в то время такого понятия как Кулон еще не существовало, а самому Кулону в тогда было 9 лет). Лейденская банка сыграла очень важную роль в развитии электричества и подтолкнула к дальнейшим исследованиям. Кстати, именно Мушенбрук первый соединил лейденские банки в батарею, чтобы увеличить их суммарную емкость.
Бенджамин Франклин
Практически сразу после изобретения конденсатора на сцену выходит Бенджамин Франклин, тот самый американский политик, который участвовал и в создании американской конституции. Он необычно много сделал для исследования электричества. Во-первых, он предложил свою теорию вместо теории Дюфе о двух родах электричества. Франклин выдвинул предположение, что электричество бывает только одного вида,
а разделение материалов на два класса объясняется избытком или недостатком этого самого одного электричества. И именно Франклин предложил обозначать заряженные тела знаками «+» или «-». Таким образом, получилось, что «стеклянное» электричество стало обозначаться плюсом, а смоляное — минусом. Если бы он обозначил их наоборот, то нам бы сейчас было бы легче в том смысле, что по договоренности ток течет от плюса к минусу (от места избытка “электричества” к месту, где его мало), по обозначениям Франклина получается, что электрон (о котором тогда, разумеется, еще и не догадывались) имеет отрицательный заряд, следовательно, они бегут от минуса к плюсу. Таким образом получается, что ток течет по направлению, обратному движению электронов, переносчику того самого тока. Про электроны Франклин тогда, естественно, не знал, но из-за такого обозначения теперь существует такая небольшая путаница с направлением тока и направлением движения переносчиков тока — электронов.
Он же ввел такие понятия как “батарея”, “конденсатор”, “проводник”, “заряд”, “разряд”. Кроме того Франклин активно изучал молнии и установил, что атмосферное электричество и статическое электричество, получаемое с помощью трения, является одним и тем же электричеством. Даже на бюсте Франклина скульптором А. Гудоном была нанесена надпись на латинском языке: “Он отнял молнию у небес и власть у тиранов”, сама фраза принадлежит другу и биографу Франклина — Анн Роберу Жаку Тюрго (1727 — 1781). Франклин же установил в 1752 году, что молния есть ни что иное как электрический разряд. Он также изобрел громоотвод и заземление. Он также первый начал использовать электрическую искру для взрыва пороха. И именно Франклин объяснил принцип действия лейденской банки и какую роль в ней играет диэлектрик (конечно, насколько это было возможно в то время). Но, чтобы быть честным, аналогии между искрой и молнией были еще у Ньютона, он писал, что ему электрические искры напоминают молнии.
Щарль Огюстен де Кулон
К этому моменту ученные старались не только описать и объяснить электричество, но и каким-то образом измерить заряды и силу их взаимодействия. В последнем преуспел Шарль Огюстен Кулон (1736 — 1806). Вы уже, наверное, поняли, что речь пойдет о законе, который носит его имя.
Свой закон он сформулировал в одном из семи мемуаров, которые выходили с 1785 по 1789 года. Напомню, что этот закон гласит:
«Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.»
Генри Кавендиш
Вообще-то Кулона больше интересовали приборы, которыми он занимался, чем сама электростатика. Он хотел сделать как можно более точные крутильные весы, а заодно с их помощью измерял силу взаимодействия между зарядами. Он же ввел понятия магнитного момента и поляризации зарядов. То, что сила взаимодействия между зарядами пропорциональна 1/r2 установил еще в 1771 году английский физик Генри Кавендиш (1731 — 1810), но не опубликовал свое открытие и эксперимент, с помощью которого он делал такой вывод.
Джозеф Пристли
Правда, и Кулон, и Кавендиш лишь подтвердили предположение, которое было высказано Джозефом Пристли о том, что сила взаимодействия между зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Пристли не был твердо уверен в своем предположении и основывал его на предположении, что заряды взаимодействуют так же, как и тела в законе притяжения. Но именно Кулон довел закон до логического конца, введя в него зависимость от величины заряда.
Еще интересно, что Кулон не принимал теорию Франклина о существовании только одного рода электричества, а придерживался теории Дюфе. Кулон представлял себе электричество в виде двух разных жидкостей, а взаимодействие между заряженными телами объяснял взаимодействиями частиц этих жидкостей.
Таким же образом Кулон представлял себе действие магнитов, объясняя их действие “магнитными жидкостями”. Но тогда, если в каждом теле текут две такие “магнитные жидкости” (так как у магнита два полюса), то получается, что их можно было бы разделить, но Кулон доказывал, что это невозможно, приводя в доказательство то, что у магнита нельзя получить только северный или только южный полюс, а если его разломить, то получим два магнита с двумя полюсами.На этом пока прервемся, в следующей части поговорим про открытие гальванического электричества.
Электромагнетизм Несмотря на то, что Гильберт в свое время разъединил электричество и магнетизм, ученые все-таки пытались делать попытки снова их объединить. Одним из поводов для поиска связи между этими физическими явлениями послужил случай (описанный в Философских трудах за 1735 год), произошедший в июле 1731 года. В дом одного торговца во время грозы ударила молния, причем пострадал в основном только угол комнаты, где лежали в ящике стальные ножи и вилки. Часть из них расплавилась, а часть осталась цела, но при этом они намагнитились и стали притягивать гвозди и другие металлические предметы.
Одним из таких ученых, кто искал общие свойства у электричества и магнетизма был Франц Ульрих Теодор Эпинус (1724 – 1802), немецкий ученый, принявший российское подданство. На мысль о сходстве электрических и магнитных явлений его натолкнуло сделанное им в 1756 году открытие, когда он заметил, что при нагревании кусочков кристалла турмалина, он электризуется таким образом, что один его конец становится заряженным положительно, а второй – отрицательно. Затем это было названо пироэлектрическим эффектом. Он усмотрел в этом сходство с полюсами магнита.
Ханс Кристиан Эрстед
Но все-таки особенно большую роль для появления электромагнетизма сыграл один опыт Ханса Кристиана Эрстеда (1777 – 1851). Это произошло не то в конце 1819, не то в начале 1820 года на одной из лекций курса «Электричество, гальванизм и магнетизм», который читал Эрстед. На одной из лекции он положил рядом с проводом магнитную стрелку (компас), а когда по проводу пустили ток от вольтова столба, стрелка неожиданно отклонилась от своего первоначального положения. По другой версии Эрстед на самой лекции действительно проводил такой эксперимент, но который ничего не показал, т.к. провод был расположен перпендикулярно первоначальному направлению магнитной стрелки, но зато после лекции Эрстед решил расположить стрелку параллельно проводу и тогда уже заметил влияние электрического тока на компас. Есть еще и третья версия, по которой Экстед демонстрировал студентам только лишь то, что электрический ток способен нагревать проводник, а компас рядом оказался случайно, причем влияние тока на магнитную стрелку заметил не сам Эрстед, а один из студентов. Впрочем, сам Эрстед третий вариант опровергал. Но как бы там ни было, но именно этот опыт по сути заложил основу для электромагнетизма, науки, объединяющей и электрические и магнитные явления.
После этого Эрстед провел аналогичные опыты с более мощным источником тока, и только в июле 1820 года было публично объявлено об открытии. А в сентябре того же года французский академик Доминик Франсуа Араго (1786 – 1853) рассказал об этом открытии на заседании Парижской академии наук. В этом же году Араго изобрел электромагнит и показал, что железный сердечник способен вызывать магнитные действия, если пропустить ток, через проволоку, намотанную на этот самый сердечник.
Жан-Батист Био
Пьер-Симон Лаплас
В этом же году два француза Жан-Батист Био (1774 – 1862) и Феликс Савар (1791 – 1841) экспериментально определили закон, по которому можно определить силу, с которой действует прямолинейный проводник с током, и ее направление на магнитную стрелку. Точнее они определили закон, по которому можно узнать направление и величину вектора магнитной индукции. Чуть позже другой француз Пьер Симон Лаплас (1749 – 1827) показал, что с помощью этого закона можно вычислить магнитное поле движущегося точечного заряда, если считать движение одной заряженной частицы током. Обобщенный закон сейчас называют законом Био-Савара-Лапласа. Как видите, в то время французская школа была очень сильна в электричестве, в том числе и благодаря тому, что Наполеон стал усиленно материально поддерживать ученых. Он же учредил ежегодную премию в 60 тысяч франков за лучшую работу для ученых, работающих в области «вольтаического электричества». Кстати, Лаплас был одним и преподавателей Наполеона в военной школе.
Опыты Эрстеда добавили новую головную боль ученым. До этого все известные взаимодействия были направлены вдоль линии, соединяющей взаимодействующие тела, а в данном случае направление взаимодействия было перпендикулярно такой линии. Это было непривычно для ньютоновской теории мира.
Карл Фридрих Гаусс
Здесь хотелось бы немного отвлечься от экспериментов и немного поговорить о теории, а заодно вспомнить сверстника Эрстеда, немецкого математика и физика – Карла Фридриха Гаусса (1777 – 1855). Именно Гаусс во многом заложил основы математической теории электромагнетизма. Гаусс в 1832 году предложил все физические величины свести к трем – единице длинны, массы и времени. Гаусс предложил использовать для этих величин соответственно миллиметр, миллиграмм и секунду. В 1851 году Вебер дополнил эту систему электрическими величинами. Позже система единиц, введенная Гауссом, хоть и немного в измененном виде, будет заложена в основу международной системы СГС (сантиметр-грамм-секунда).
Гаусс же ввел и понятие потенциала электрического поля, а в 1839 году в сочинении «Общая теория сил притяжения и отталкивания, действующих обратно пропорционально квадрату расстояния», изложил основные принципы теории потенциала, в частности, ряд положений и теорем. Среди них – основную теорему электростатики (теорема Гаусса-Остроградского). Также Гаусс выдвигал предположение, что скорость распространения электромагнитного взаимодействия является конечной, что противоречило теории дальнодействия, которая в то время принималась многими учеными.
Андре-Мари Ампер
Следующий шаг по объединению электричества и магнетизма сделал Андре-Мари Ампер (1775 – 1836), он показал, что два проводника с током взаимодействуют так же, как и магниты, но перед этим он заметил, что на магнитную стрелку действует только так называемое гальваническое электричество, статическое электричество стрелку не отклоняет. Именно Ампер ввел понятие «сила тока», чтобы оценивать величину взаимодействия магнитной стрелки и гальванического электричества. Для эксперимента, который окончательно соединил электрические и магнитные явления, Ампер использовал проводящие спирали, которые вели себя как магниты, когда по ним протекал ток. То есть они могли притягиваться и отталкиваться в зависимости от направления протекания тока. И именно Ампер свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам, то есть по сути заложил основы электродинамики.
Майкл Фарадей
Ученых интересовало, если электрический ток способен вызывать магнитное действие, то может ли магнит вызывать электрические действия. Точку в этом вопросе поставил Майкл Фарадей (1791 – 1867). Фарадей начал исследования, направленные на извлечения электричества из магнитов в 1822 году, а удалось ему это в 1831 году. Установка Фарадея состояла из следующих элементов: две катушки, намотанные на один каркас, внутрь которого мог легко входить железный сердечник. Одна катушка была подключена к электрической батарее, а вторая к гальванометру. Фарадей с помощником заметили, что после того, помощник Фарадея (сержант Андерсен) вдвигает сердечник в катушку, на короткое время в цепи вторичной обмотки возникает ток. Таким образом, Фарадей показал, что только при изменении магнитной индукции возникает электрический ток. Говорят, что Ампер проводил такие же эксперименты, но он, чтобы добиться наибольшей точности, устанавливал катушки в одной комнате, а гальванометр в другой, и пока шел смотреть на показания гальванометра, то возникающий ток уже затухал.
Именно Фарадей ввел понятия силовых линий, с помощью которых он пытался объяснить как взаимодействуют между собой магниты и проводники с током. Кстати, многие ученые не принимали силовые линии, так как они противоречили теории дальнодействия, согласно которой тела взаимодействуют между собой мгновенно и непосредственно, без помощи каких-то третьих тел на любом расстоянии. Ампер, между прочим, был сторонником именно дальнодейтсвия. А Фарадей считал, что все пространство заполнено силовыми линиями, через которые и передается взаимодействие между магнитами. Он также использовал понятие «силовой трубки», с помощью которых он рассчитывал находить направление вектора напряженности магнитного поля и его величину. В 1833 году Фарадей окончательно доказал, что статическое электричество, гальваническое (химическое) и электричество, полученное с помощью электромагнитной индукции – это одно и то же электричество.Гальванизм
Это продолжение первых двух записей про историю электродинамики (первая часть – магнетизм, вторая часть – электростатика).
Георг Зульцер
До сих пор все исследования электричества сводились к электростатике, то есть к взаимодействию одиночных зарядов между собой, но в конце 18 века Луиджи Гальвани изобрел первый источник постоянного электричества. Но прежде чем переходить к описанию опытов Гальвани, хотелось бы упомянуть немецкого философа и профессора математики Иоганна Георга Зульцера (1720 – 1779). Он не занимался исследованием электричества, но зато еще в 1752 году, почти за 30 лет до открытия Гальвани, в своей работе «Исследование происхождения приятных и неприятных ощущений» заметил, что если свинцовую пластину соединить с серебряной и положить их на язык, то появится вкус железного купороса, хотя по отдельности эти металлы таким вкусом не обладают. На исследование электричества это никак не сказалось, но интересно как бы отреагировал философ, если бы он узнал, что и через 250 лет многие люди будут лизать батарейки, чтобы таким способом узнать на сколько они заряжены.
Луиджи Гальвани
В 1780 году итальянский врач Луиджи Гальвани изучал вместе со своими ассистентами нервную систему лягушек, а неподалеку стояла электрическая машина. О дальнейших событиях, подтолкнувших к открытию гальванического электричества, существуют несколько версий. По одной из них препарированную мертвую лягушку Гальвани по неосторожности положил стол недалеко от электрической машины, где лежал и скальпель, который касался лягушки. Когда вошла его жена, то она с ужасом увидела, что нога лягушки дергалась, когда в электрической машине проскакивали искры.
По другой версии один ассистентов препарировал лягушку и случайно прикоснулся скальпелем к бедренному нерву лягушки, а другому ассистенту показалось, что в это время проскочила искра в электрической машине. Гальвани заинтересовался эффектом и начал проводить опыты, чтобы определить что именно заставляет мышцы лапок лапки лягушек сокращаться. Он и его ассистенты смогли заставить дергаться лапки лягушек от электрического разряда. После этого Гальвани решил проверить вызовет ли атмосферное электричество (молния во время грозы) такой же эффект. Тогда он взял несколько препарированных лягушек, зацепил их медными (по другой версии латунными) крючьями и подвесил на железную решетку. Во время грозы сокращение мышц лапок тоже происходило, но физик заметил, что лапки иногда дергались и в тихую погоду. Сначала он не мог понять почему так происходит и винил в этом «изменение электрического состояния атмосферы», но заметил, что мышцы также сокращались, если прижать медные крючья к железной решетке, после чего он решил провести эксперименты у себя в лаборатории. Цитата самого Гальвани:
Я провел опыт с другими металлами в разное время суток, в разные дни, в разных местах и все время получал почти одинаковый результат, если не считать, что при использовании некоторых металлов сокращения были более сильными. После этого я провел опыты с различными телами, не проводящими электричество (стекло, клеи, смолы, камни, сухое дерево), но ничего не происходило.
Он заметил, что конечности лягушки сокращаются, если нервы и мышцы лягушки соединить металлической дугой, которая обычно состоит из двух разнородных металлов. После этого он предположил, что сокращения вызываются особой жидкостью, которую сразу же назвали гальванизмом или животным электричеством. Гальвани предположил, что электричество вырабатывается внутри лягушек (в общем случае внутри животных). Он считал, что это то же самое электричество, которое может вырабатывать электрический скат, и что это та же самая электрическая жидкость, о которой говорил Франклин. Причем жидкость по мнению Гальвани содержалась в нервной системе. Свои выводы он публиковал в 1791 году в трактате «Об электрических силах в мускуле». После этого многие ученые стали проводить эксперименты по выявлению гальванизма у других животных, в том числе и в трупах людей. Эти опыты довольно сильно помогли изучению физиологии.
После публикации трудов Гальвани ученые разделились на три лагеря. Первые полностью приняли теорию Гальвани о животном электричестве, вторые считали, что животное электричество и обычное электричество – это разные жидкости, третьи утверждали, что никакой особой жидкости в нервной системе нет.
Алессандро Вольта
Алессандро Вольта (1745 – 1827) был сторонником третьего лагеря, и именно он в 1792 году предположил, что электричество возникает вследствие контактов двух разных металлов. Удивительно, но сам Гальвани до этого не додумался, хотя в своих опытах он использовал разные металлы. Вот что пишет Вольта на счет гальванизма:
Металлы, которые были использованы при проведении опытов, будучи приложенными к мокрым животным тканям, сами по себе и в силу своих свойств способны возбуждать и выводить электрическую жидкость из состояния покоя, так что органы животного действуют пассивно.
Вольта даже предлагал изменить название «животное электричество» на «металлическое электричество».
Гальвани и его последователи были не согласны с Вольтой, а в 1827 году Леопольде Нобили (1784-1835) провел эксперимент, в котором с помощью гальванометра зафиксировал ток, протекающий в цепи, составленной лапками и туловищем лягушки, таким образом подтвердив существование «животного электричества», или, как это называется сейчас, биоэлектричество. Получилась интересная ситуация, когда две казалось бы конкурирующие теории оказались правы, причем в качестве доказательства первой теории (животного электричества) использовались эксперименты, относящиеся ко второй (теорию Вольты о контакте между металлами). И на самом деле сторонники двух теорий спорили по поводу совершенно разных эффектов.
Но к концу XVIII века гальваническое электричество, которое можно было получить, было очень слабым по сравнению со статическим электричеством (представляете сколько сейчас понадобилось бы лягушачьих лапок, чтобы питать мобильник), поэтому интерес к нему начал пропадать, но в 1800 году все тот же Вольта открыл способ как значительно усилить гальванический эффект. Он изобрел то, что потом стали называть Вольтов столб, он взял несколько пар соединенных между собой медных и цинковых пластинок, а между этими парами проложил мокрый картон. Получился такой бутерброд: медь, цинк, картон, медь, цинк, картон и т.д. Если теперь замкнуть две крайние пластины, то при этом проскакивает искра, а если прикоснуться к одновременно к самому верхнему и самому нижнему кружочкам, то можно почувствовать удар и покалывание. Причем действие столба, в отличие от лейденской банки, было не кратковременным, а постоянным. Вольта писал, что если замкнуть крайние пластинки через тело, то появляется ощущение жжения, «которое не только не утихает, но делается все сильнее и сильнее».
Чтобы доказать, что соединение между металлами дает тот же самый электрический эффект, что и электризация тел, Вольта провел следующий эксперимент. Он на какое-то время соединил две пластинки (цинковую и медную), а затем их разъединил и поднес к электроскопу, который показал, что пластинки оказались заряженными.
Открытие Вольты подтолкнуло ученых к дальнейшим исследованиям теперь уже постоянного тока и уже через месяц после открытия гальванического элемента при создании первого в Англии столба Никольсон (1753 – 1815) и Карлейль (1768 – 1840) открыли эффект электролиза воды. Открыли они его случайно, для лучшего контакта между пластиной столба и проводником, который должен идти к нагрузке, на место их соединения ученые нанесли каплю воды и заметили, что в этом месте образуется газ. Чуть позже Уильям Хайд Волластон (1766-1828) осуществил разложение воды с помощью электричества, полученного с помощью трения. Этот же опыт показал, что статическое электричество и гальваническое – это один и тот же тип электричества. В ноябре 1800 года Хэмфри Дэви (1778 – 1829) показал, что столб не производит
www.ronl.ru
Министерство Образования Российской Федерации
Балтийский Государственный Технический Университет
им. Д. Ф. Устинова «ВОЕНМЕХ»учебная дисциплина:
ФИЗИКА
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМЛабораторная работа №4
«Определение диэлектрических проницаемостей жидкостей и поляризуемости неполярных молекул резонансным методом»Выполнил:
Студентка группы
Проверил:Санкт-Петербург
2009г.
Цель задания 1: Определение диэлектрических проницаемостей жидкостей и поляризуемости неполярной молекулы резонансным методом.Цель задания 2: Расчет резонансных кривых для силы тока в колебательном контуре с использованием ЭВМ и исследования зависимости остроты резонансных кривых от добротности контура.Описание установки
Основной блок – колебательный контур, содержащий катушку индуктивности L, закрепленную в корпусе из оргстекла И один из измерительных конденсаторов C. Резистор R1 имеет вспомогательное значение и обеспечивает нужный режим работы генератора. Измерительные конденсаторы смонтированы на общей подели и представляют собой коаксиальные цилиндры. Пространство между обкладками цилиндрических конденсаторов заполняется исследуемым диэлектриком. В конденсаторе 1 диэлектриком является воздух, в конденсаторе 2 – керосин, в конденсаторе 3 – масло.
Катушка индуктивности при помощи лапок крепится к клеммам измерительного конденсатора. В цепь колебательного контура подключается высокочастотный конденсатор Г синусоидального напряжения и ламповый вольтметр ЛВ, который служит для измерения напряжения на конденсаторе. Расчетные формулы
1.Поляризуемость молекулы, где - плотность диэлектрика, - молярная масса диэлектрика, - число Авогадро.
2. Электроемкость колебательного контура, где L – индуктивность контура, - резонансная частота.
3. Электроемкость цилиндрического конденсатора , где h – высота конденсатора, r2 и r1 внешний и внутренний радиусы обкладок конденсатора.
4. Резонансная частота , L – индуктивность катушки, С – емкость конденсатора.
5. Волновое сопротивление
6. Добротность контура , где R – сопротивление резистора.
7.Амплитудное значение силы тока , где амплитудное значение входного напряжения.Таблица необходимых измерений
| Конденсатор 1 | Конденсатор 2 | Конденсатор 3 | |||
| v, МГц | U ,B | v, МГц | U ,B | v, МГц | U ,B |
Обработка результатовКонтрольные вопросы
1. Перечислить типы поляризации диэлектриков. В чем состоит различие в поляризации диэлектриков с полярными и неполярными молекулами?
2. Дать определение поляризованности, и объяснить ее физический смысл. Указать связь между векторами .
3. Что называется электроемкостью конденсатора, и от чего она зависит? Рассказать об электроемкости цилиндрического конденсатора. В каком случае для вычисления электроемкости цилиндрического конденсатора можно пользоваться формулой для плоского конденсатора?
4. В чем состоит явление резонанса? При каком условии наступает резонанс в цепи, состоящий из последовательно соединенных катушки индуктивности, конденсатора и сопротивления? Как зависит от параметров колебательного контура резонансная частота?
Контрольные ответы1. Три типа поляризации: Ориентационная – В итоге совместного действия поля и теплового движения возникает преимущественная ориентация дипольных электрических моментов вдоль поля, возрастающая с увеличением напряженности электрического поля и с уменьшением температуры. Электронная – под действием внешнего электрического поля у молекул диэлектриков этого типа возникают индуцированные дипольные моменты, направленные вдоль поля, т. е. по направлению вектора Е. Ионная – происходит в твердых диэлектриках, имеющих ионную кристаллическую решетку. Внешнее электрическое поле вызывает в таких диэлектриках смещение всех + ионов в направлении напряженности поля, а всех - ионов в противоположную сторону.
Неполярный диэлектрик (с неполярными молекулами) – в отсутствии внешнего электрического поля «центры тяжести в молекулах этого диэлектрика совпадают(l=0) и дипольные моменты молекул равны 0. Полярный диэлектрик (с полярными молекулами) – диэлектрик, молекулы которого имеют электроны, расположенные не симметрично относительно атомных ядер (Н2О, спирты).
2. Количественной мерой поляризации диэлектрика служит вектор Р, называемый паляризованностью (вектором поляризации) и равный отношению электрического дипольного момента малого объема диэлектрика к этому объему , где р – электрический дипольный момент , n – общее число молекул.
D –вектор, электрическое смещение
P – вектор, поляризованность
E – вектор, напряженность
3. Электроемкость – скалярная величина С, равная абсолютному значению отношения электрического заряда одного проводника к разности электрических потенциалов двух проводников(проводники имеют одинаковые по модулю, но разные по знаку заряды).
Электроемкость двух проводников зависит от их формы, размеров, взаимного расположения, а так же от диэлектрических свойств окружающей среды.Цилиндрический конденсатор – состоит из двух соосных тонкостенных металлических цилиндров высотой h, и радиусов и , вставленных друг в друга. если зазор между обкладками конденсатора 4. Резонанс – явление резкого возрастания амплитуды силы тока в колебательном контуре.
Амплитуда силы тока в контуре зависит от амплитуды входного напряжения, параметров контура L, C, R и циклической частоты . Резонансная частота для силы тока совпадает с собственной частотой колебаний в контуре.
bukvasha.ru
Министерство Образования Российской Федерации
Балтийский Государственный Технический Университет
им. Д. Ф. Устинова «ВОЕНМЕХ»
учебная дисциплина:
ФИЗИКА
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ
Лабораторная работа №4
«Определение диэлектрических проницаемостей жидкостей и поляризуемости неполярных молекул резонансным методом»
Выполнил:
Студентка группы
Проверил:
Санкт-Петербург
2009г.
Цель задания 1: Определение диэлектрических проницаемостей жидкостей и поляризуемости неполярной молекулы резонансным методом.
Цель задания 2: Расчет резонансных кривых для силы тока в колебательном контуре с использованием ЭВМ и исследования зависимости остроты резонансных кривых от добротности контура.
Описание установки
Основной блок – колебательный контур, содержащий катушку индуктивности L, закрепленную в корпусе из оргстекла И один из измерительных конденсаторов C. Резистор R1 имеет вспомогательное значение и обеспечивает нужный режим работы генератора. Измерительные конденсаторы смонтированы на общей подели и представляют собой коаксиальные цилиндры. Пространство между обкладками цилиндрических конденсаторов заполняется исследуемым диэлектриком. В конденсаторе 1 диэлектриком является воздух, в конденсаторе 2 – керосин, в конденсаторе 3 – масло.
Катушка индуктивности при помощи лапок крепится к клеммам измерительного конденсатора. В цепь колебательного контура подключается высокочастотный конденсатор Г синусоидального напряжения и ламповый вольтметр ЛВ, который служит для измерения напряжения на конденсаторе.
Расчетные формулы
1.Поляризуемость молекулы, где — плотность диэлектрика, — молярная масса диэлектрика, — число Авогадро.
2. Электроемкость колебательного контура, где L – индуктивность контура, — резонансная частота.
3. Электроемкость цилиндрического конденсатора , где h – высота конденсатора, r2 и r1 внешний и внутренний радиусы обкладок конденсатора.
4. Резонансная частота , L – индуктивность катушки, С – емкость конденсатора.
5. Волновое сопротивление
6. Добротность контура , где R – сопротивление резистора.
7.Амплитудное значение силы тока , где амплитудное значение входного напряжения.
Таблица необходимых измерений
| Конденсатор 1 | Конденсатор 2 | Конденсатор 3 | |||
| v, МГц | U ,B | v, МГц | U ,B | v, МГц | U ,B |
Обработка результатов
Контрольные вопросы
1. Перечислить типы поляризации диэлектриков. В чем состоит различие в поляризации диэлектриков с полярными и неполярными молекулами?
2. Дать определение поляризованности, и объяснить ее физический смысл. Указать связь между векторами .
3. Что называется электроемкостью конденсатора, и от чего она зависит? Рассказать об электроемкости цилиндрического конденсатора. В каком случае для вычисления электроемкости цилиндрического конденсатора можно пользоваться формулой для плоского конденсатора?
4. В чем состоит явление резонанса? При каком условии наступает резонанс в цепи, состоящий из последовательно соединенных катушки индуктивности, конденсатора и сопротивления? Как зависит от параметров колебательного контура резонансная частота?
Контрольные ответы
1. Три типа поляризации: Ориентационная – В итоге совместного действия поля и теплового движения возникает преимущественная ориентация дипольных электрических моментов вдоль поля, возрастающая с увеличением напряженности электрического поля и с уменьшением температуры. Электронная – под действием внешнего электрического поля у молекул диэлектриков этого типа возникают индуцированные дипольные моменты, направленные вдоль поля, т. е. по направлению вектора Е. Ионная – происходит в твердых диэлектриках, имеющих ионную кристаллическую решетку. Внешнее электрическое поле вызывает в таких диэлектриках смещение всех + ионов в направлении напряженности поля, а всех — ионов в противоположную сторону.
Неполярный диэлектрик (с неполярными молекулами) – в отсутствии внешнего электрического поля «центры тяжести в молекулах этого диэлектрика совпадают(l=0) и дипольные моменты молекул равны 0. Полярный диэлектрик (с полярными молекулами) – диэлектрик, молекулы которого имеют электроны, расположенные не симметрично относительно атомных ядер (Н2О, спирты).
2. Количественной мерой поляризации диэлектрика служит вектор Р, называемый паляризованностью (вектором поляризации) и равный отношению электрического дипольного момента малого объема диэлектрика к этому объему , где р – электрический дипольный момент, n – общее число молекул.
D –вектор, электрическое смещение
P – вектор, поляризованность
E – вектор, напряженность
3. Электроемкость – скалярная величина С, равная абсолютному значению отношения электрического заряда одного проводника к разности электрических потенциалов двух проводников(проводники имеют одинаковые по модулю, но разные по знаку заряды).
Электроемкость двух проводников зависит от их формы, размеров, взаимного расположения, а так же от диэлектрических свойств окружающей среды.
Цилиндрический конденсатор – состоит из двух соосных тонкостенных металлических цилиндров высотой h, и радиусов и , вставленных друг в друга. если зазор между обкладками конденсатора
4. Резонанс – явление резкого возрастания амплитуды силы тока в колебательном контуре.
Амплитуда силы тока в контуре зависит от амплитуды входного напряжения, параметров контура L, C, R и циклической частоты . Резонансная частота для силы тока совпадает с собственной частотой колебаний в контуре.
www.ronl.ru
Министерство Образования Российской Федерации
Балтийский Государственный Технический Университет
им. Д. Ф. Устинова «ВОЕНМЕХ»
учебная дисциплина:
ФИЗИКА
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ
Лабораторная работа №4
«Определение диэлектрических проницаемостей жидкостей и поляризуемости неполярных молекул резонансным методом»
Выполнил:
Студентка группы
Проверил:
Санкт-Петербург
2009г.
Цель задания 1: Определение диэлектрических проницаемостей жидкостей и поляризуемости неполярной молекулы резонансным методом.
Цель задания 2: Расчет резонансных кривых для силы тока в колебательном контуре с использованием ЭВМ и исследования зависимости остроты резонансных кривых от добротности контура.
Описание установки
Основной блок – колебательный контур, содержащий катушку индуктивности L, закрепленную в корпусе из оргстекла И один из измерительных конденсаторов C. Резистор R1 имеет вспомогательное значение и обеспечивает нужный режим работы генератора. Измерительные конденсаторы смонтированы на общей подели и представляют собой коаксиальные цилиндры. Пространство между обкладками цилиндрических конденсаторов заполняется исследуемым диэлектриком. В конденсаторе 1 диэлектриком является воздух, в конденсаторе 2 – керосин, в конденсаторе 3 – масло.
Катушка индуктивности при помощи лапок крепится к клеммам измерительного конденсатора. В цепь колебательного контура подключается высокочастотный конденсатор Г синусоидального напряжения и ламповый вольтметр ЛВ, который служит для измерения напряжения на конденсаторе.
Расчетные формулы
1.Поляризуемость молекулы, где — плотность диэлектрика, — молярная масса диэлектрика, — число Авогадро.
2. Электроемкость колебательного контура, где L – индуктивность контура, — резонансная частота.
3. Электроемкость цилиндрического конденсатора , где h – высота конденсатора, r2 и r1 внешний и внутренний радиусы обкладок конденсатора.
4. Резонансная частота , L – индуктивность катушки, С – емкость конденсатора.
5. Волновое сопротивление
6. Добротность контура , где R – сопротивление резистора.
7.Амплитудное значение силы тока , где амплитудное значение входного напряжения.
Таблица необходимых измерений
| Конденсатор 1 | Конденсатор 2 | Конденсатор 3 | |||
| v, МГц | U ,B | v, МГц | U ,B | v, МГц | U ,B |
Обработка результатов
Контрольные вопросы
1. Перечислить типы поляризации диэлектриков. В чем состоит различие в поляризации диэлектриков с полярными и неполярными молекулами?
2. Дать определение поляризованности, и объяснить ее физический смысл. Указать связь между векторами .
3. Что называется электроемкостью конденсатора, и от чего она зависит? Рассказать об электроемкости цилиндрического конденсатора. В каком случае для вычисления электроемкости цилиндрического конденсатора можно пользоваться формулой для плоского конденсатора?
4. В чем состоит явление резонанса? При каком условии наступает резонанс в цепи, состоящий из последовательно соединенных катушки индуктивности, конденсатора и сопротивления? Как зависит от параметров колебательного контура резонансная частота?
Контрольные ответы
1. Три типа поляризации: Ориентационная – В итоге совместного действия поля и теплового движения возникает преимущественная ориентация дипольных электрических моментов вдоль поля, возрастающая с увеличением напряженности электрического поля и с уменьшением температуры. Электронная – под действием внешнего электрического поля у молекул диэлектриков этого типа возникают индуцированные дипольные моменты, направленные вдоль поля, т. е. по направлению вектора Е. Ионная – происходит в твердых диэлектриках, имеющих ионную кристаллическую решетку. Внешнее электрическое поле вызывает в таких диэлектриках смещение всех + ионов в направлении напряженности поля, а всех — ионов в противоположную сторону.
Неполярный диэлектрик (с неполярными молекулами) – в отсутствии внешнего электрического поля «центры тяжести в молекулах этого диэлектрика совпадают(l=0) и дипольные моменты молекул равны 0. Полярный диэлектрик (с полярными молекулами) – диэлектрик, молекулы которого имеют электроны, расположенные не симметрично относительно атомных ядер (Н2О, спирты).
2. Количественной мерой поляризации диэлектрика служит вектор Р, называемый паляризованностью (вектором поляризации) и равный отношению электрического дипольного момента малого объема диэлектрика к этому объему , где р – электрический дипольный момент, n – общее число молекул.
D –вектор, электрическое смещение
P – вектор, поляризованность
E – вектор, напряженность
3. Электроемкость – скалярная величина С, равная абсолютному значению отношения электрического заряда одного проводника к разности электрических потенциалов двух проводников(проводники имеют одинаковые по модулю, но разные по знаку заряды).
Электроемкость двух проводников зависит от их формы, размеров, взаимного расположения, а так же от диэлектрических свойств окружающей среды.
Цилиндрический конденсатор – состоит из двух соосных тонкостенных металлических цилиндров высотой h, и радиусов и , вставленных друг в друга. если зазор между обкладками конденсатора
4. Резонанс – явление резкого возрастания амплитуды силы тока в колебательном контуре.
Амплитуда силы тока в контуре зависит от амплитуды входного напряжения, параметров контура L, C, R и циклической частоты . Резонансная частота для силы тока совпадает с собственной частотой колебаний в контуре.
www.ronl.ru
