Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
Возникновение и развитие электродинамики

Возникновение и развитие электродинамики

План

1. Преобразование электричества на магнетизм

2. Преобразование магнетизма в электричество

3. Идея поля

4. Физическое поле Фарадея

5. Две основы теории поля

6. Теория электромагнитного поля Максвелла

7. Основные предпосылки

8. Ток смещения

9. Реальность поля

10. Поле и эфир

Когда в декабре 1801 Алессандро Вольта впервые демонстрировал на торжественном собрании Французского института источник электрического тока, которое он изобрел, ни сам докладчик, ни присутствующие при этом известные французские ученые даже не подозревали, что главным направлением дальнейших исследований в этой области станет электромагнетизм. Впрочем, это новое направление проявил себя лишь через двадцать лет спустя в потоке чрезвычайных новых открытий, которые через полвека вызвали мощный технический переворот.

Преобразование электричества на магнетизм

Первые важные шаги в этом направлении сделал датский физик X. К. Эрстед (1777-1851). Находясь под влиянием идей Шеллинга о единстве "всех сил природы", Эрстед считал, что должен существовать связь между электрическими и магнитными явлениями. Эта связь ему удалось продемонстрировать в 1820 г.. В опытах, которые подтвердили влияние электрического тока на магнитную стрелку. Опыты произвели на современников сильное впечатление; их немедленно повторили в Германии, Швейцарии, Франции.

В том же 1820 французский физик А. Ампер (1775-1836) выступил с сообщением о новом явлении взаимодействие двух проводников, по которым течет ток. В этом же сообщении Ампер впервые высказал мысль об электрической природе магнетизма. В течение очень короткого времени он выполнил ряд важных исследований, блестяще подтвердили его мнение. Все полученные результаты Ампер систематизировал в книге "Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», опубликованной в 1826 Отныне с магнитными жидкостямибыло покончено, теперь в них не было необходимости. Магнитные явления, как оказалось, обусловлены электрическими токами. Магнит нужно рассматривать, исходя из совокупности круговых электрических токов, плоскости которых перпендикулярны к прямой, проведенной через полюса магнита. Спираль с током (соленоид) уподоблялась магнита. С полным правом Ампер мог заявить: «Таким образом, все магнитные явления я свел к чисто электрических действий". Разрабатывая основы электродинамики нового направления, объединивший электричество и магнетизм, ученый предложил выражение для силы, с которой взаимодействуют два элемента тока; это выражение есть во всех современных учебниках по электродинамике. В частности, он обратил внимание на то, что электродинамические силы, в отличие от известных в то время гравитационных и электростатических не является центральным.

Преобразование магнетизма в электричество

В 20-х годах XIX в. проблемами электромагнетизма заинтересовался гениальный английский ученый-самоучка Майкл Фарадей (1791-1867). Эрстед и Ампер превратили электричество на магнетизм; Фарадей поставил перед собой задачу превратить магнетизм в электричество. С 1831 он начал систематическую публикацию своих исследований, в результате чего возникла многотомный труд под общим названием "Экспериментальные исследования по электричеству". В первой серии этой работы (1831) описаны знаменитые опыты Фарадея, которые привели к открытию явления электромагнитной индукции. Фарадей доказал, что изменение магнитного потока во времени порождает электродвижущую силу индукции, и, следовательно, приводит к возникновению электрического тока в замкнутом контуре. Направление этого тока определяется правилом, которое установил молодой профессор Петербургского университета Э. X. Ленц (1804-1865).

Во второй серии своих "Экспериментальные исследования" (1832) Фарадей продолжает изучение электродинамической индукции. В третьей серии (1833) он доказал, что разнообразие видов электричества является притворной. Изучая действия, выполненные обычной, вольтовой, "животной", термической, магнитной электричеством, он дийшов выводу: "Все виды электричества идентичны по своей природе". Правда, сама эта природа не была еще понятной того времени. Фарадей осторожно заметил по этому поводу: "В током я имею в виду что-то такое, что движется поступательно все равно, что при этом находится в движении: электрическая жидкость или две жидкости, которые движутся в противоположных направлениях".

Пятая серия посвящена электролиза. Здесь, а также в следующих трех сериях Фарадей исследует "химические воздействия" электрического тока. Всего вышло двадцать серий. В девятнадцать серии рассматривается открытое Фарадеем явление вращения плоскости поляризации света в намагниченном среде. "Таким образом, заключил ученый, впервые, по моему мнению, установлено настоящий непосредственную связь и зависимость между светом и магнитными и электрическими силами и тем самым сделан большое дополнение к фактам и суждениям, которые служат для доказательства того, что все природные силы связаны между собой и имеют единое общее происхождение ".

Идея поля

Физическое поле Фарадея

Фарадей отказался от ньютоновской концепции дальнего действия; он ввел в физику совершенно новый объект физическое поле. Согласно новой концепции влияние одного тока на другой объясняется тем, что первый ток создает вокруг себя в пространстве магнитное поле, а это поле действует на второй ток, находится в нем. Аналогично: второй ток создает свое магнитное поле, которое действует на первый ток. По этому поводу Д. К. Максвелл писал Фарадею (1857): "Теперь, насколько мне известно, Вы первым человеком, у которого возникла идея о том, что тела действуют друг на друга на расстоянии с помощью приведения окружающей среды в состояние напряжения, идея, в которую действительно стоит поверить. У нас были когда-то потоки крючков, летающие вокруг магнитов, а также картинки, на которых изображены окружены ими магниты; но нет ничего более понятного, чем Ваше описание. Мне кажется, что Вы четко видите, как силовые линии огибают препятствия, гонят всплески напряжения в проводниках, п вертають вдоль определенных направлений в кристаллах и несут с собой все ту же количество способности к привлечению, распределенную розридженише или гуще в зависимости от того, расширяются эти линии или сгущаются ".

Свойства самого поля являются существенными для описания явления. Различия между источниками поля является принципиальным вопросом. Значение понятия поля проявляется в том, что оно приводит к новым экспериментальных фактов. Поле оказалось очень полезным понятием. Оно возникло как нечто такое, что находится между источником и магнитной иглой для того, чтобы описать действующую силу. Его воспринимали как "агента" тока, через который выполнялись все его действия. Но агент действует как переводчик, который переводит законы на простой, понятный язык.

Первый успех описания с помощью поля показал, что оно может быть удобным для изучения всех действий токов, магнитов и зарядов. Поле можно рассматривать как нечто, что всегда связано с током. Оно существует, даже если отсутствует магнитный полюс, с помощью которого можно установить его существования. Если электрический заряд и магнитный полюс находятся в состоянии покоя, то между ними нет никакой взаимной действия ни притяжения, ни отталкивания. Выражая подобный факт языке поля, мы можем утверждать: электростатическое поле не влияет на магнитостатических и наоборот. Понятие "статическое поле" означает, что речь идет о поле, которое не меняется во времени. Магниты и заряды могли бы вечно оставаться рядом, если бы никакая внешняя сила не нарушала их состояния. Электростатические магнитостатического и гравитационные поля имеют различный характер. Они не смешиваются: каждое сохраняет свою индивидуальность независимо от других.

Две основы теории поля

Первая основа теории электрического и магнитного поля это связь между электрическим полем, меняется, и магнитным полем. Вторая связывает магнитное поле, изменяющееся с индукционным током и основывается на опыте Фарадея. Обе они лежат в основе количественного описания поля.

Необходимо упомянуть еще об одном следствие теории поля. пусть ми имеем контур, по которому течет ток, источником которого является, например, батарея Вольта. Внезапно связь между проводником и источником тока разрывается. Теперь, конечно, никакого тока нет. Но в момент этого короткого разрыва наблюдается сложный процесс, который опять-таки можно было бы предусмотреть с помощью теории поля. Перед разрывом потока тока вокруг проводника существовало магнитное поле. Оно перестало существовать в момент, когда поток тока прервалась. Итак, из-за разрыва потока тока магнитное поле исчезло. Количество силовых линий, проходящих через поверхность, окруженную контуром, очень быстро изменилась. Но такая быстрая смена, как бы она ни происходила, должна вызвать индукционного тока. Что действительно имеет значение, так это изменение магнитного поля, которая возбуждает индукционный ток, сила которого тем больше, чем значительнее была смена поля. Разрыв потока тока должен сопровождаться возникновением сильного кратковременного индукционного тока при этом наблюдается искра. Эта искра указывает на огромную разницу потенциалов, вызванную быстрым изменением магнитного поля.

Тот же самый процесс можно рассматривать с другой точки зрения, с точки зрения энергии. Магнитное поле исчезло, но появилась искра. Искра имеет некоторую энергию, поэтому и магнитное поле должно иметь энергию. Чтобы последовательно применять понятие поля и его язык, мы должны воспринимать магнитное поле как запас энергии. Только на этом пути мы сможем описать магнитные и электрические явления в соответствии с законом сохранения энергии. Приписывание полю энергии является дальнейшим шагом в развитии, в котором понятие поля становится все более существенным, а субстанциональные концепции, присущие механистической точке зрения, все больше отходят на задний план.

Теория электромагнитного поля Максвелла

Основные предпосылки

Представление Фарадея о поле очень заинтересовали Д. К. Максвелла (1831-1879). Он не только развил их, но и предоставил им математической формы так появились знаменитые уравнения Максвелла.

Максвелл, который в отмину математиков континента, которые считали Фарадея простоватым экспериментатором, отнесся к его работам как к источнику мудрости по электричеству, начал свои исследования в этой области с попытки подать идеи Фарадея в математической форме, то есть, с попытки описать четким языком, понятным для математиков, то, что, как он считал, открыл Фарадей. "С моей изложения, надеюсь, понятно, что я не ставлю себе целью установить какую-нибудь физическую теорию в той области науки, в которой я не сделал почти ни опыта, а намерен только показать, каким образом благодаря непосредственному применению идей и методов Фарадея к движению воображаемой жидкости можно наглядно объяснить все, что касается этого движения, а отсюда получить теорию притяжения электрических и магнитных тел и проводимости электрических токов ».

Теория электричества и магнетизма, открыта Фарадеем в 1830 p., Основывалась на следующих положениях:

1. Электрические заряды вызывают силы, действующие между этими зарядам и и описываются законом Кулона или электрическими полями.

2. Проводники, несущие токи, вызывают силы, действующие между этими проводниками и описываются законом Ампера или магнитными полями.

3. Магнитные заряды не существуют.

4. Переменные магнитные поля возбуждают электрические поля закон Фарадея.

5. Электрический заряд сохраняется полный заряд в любой части пространства остается неизменным, если в эту часть не входящих (и из нее не выходят) другие заряды.

Максвелл, который первым записал уравнения электричества и магнетизма, заметил, рассматривая указанные выше утверждение как постулаты, они внутренне противоречивы, несмотря на то, что все утверждения об электричестве и магнетизме были тщательно отобраны в результате экспериментальных наблюдений. Почему же тогда они противоречат друг другу и как их можно изменить? Любое наблюдение, экспериментальное или какое-либо другое, касается только части того, что доступно с опыта. Записанные же уравнения или правила вступают в универсальности, что выходит за пределы этой "участки" опыта. В неочевидной форме они включают в себя утверждение еще и о опыт, не проверенный, и о явлениях, не наблюдалось. Если мы хотим изменить свои постулаты, не вступая при этом в противоречие с опытом, то должны это сделать так, чтобы те выводы, описывающие явления, которые уже наблюдались, остались неизменными; те же выводы из постулатов, описывающих новые явления, могут после модификации постулатов измениться.

Максвелл нашел противоречие среди постулатов электромагнетизма в законе Ампера. Если этот закон, записанный в известной тогда форме, справедливый, он противоречит закону сохранения заряда. Согласно этому закону, магнитные поля возбуждаются только токами, что честно говоря, при правильном формулировании может показаться довольно странным. Так как электрические поля возбуждаются как зарядами, так и (согласно закону Фарадея) переменными магнитными полями. Если заботиться к симметрию, то можно было бы предположить, что и магнитные поля возбуждаются не только токами, но и переменными электрическими полями. Именно это уточнение в закон Ампера позволило Максвеллу устранить противоречие по закону сохранения электричества.

Ток смещения

Наблюдая перезарядки двух шаров, соединенных проводником, Максвелл отчетливо увидел, что данный случай существенно отличается от тех явлений, с которыми имел дело Ампер в своей лаборатории. Ампер измерял силу, с которой действует один проводник на другой, когда по ним протекает постоянные токи. В рассматриваемом примере ток не будет постоянным. Заряд будет перетекать от одной пули в другую, а потом обратно, и его движение будет напоминать движение маятника, который совершает колебательные движения. Максвелл понял, что закон Ампера оправдывается для замкнутых токов, и поднял вопрос о том, что будет происходить, если ток будет незамкнутым. Описывая так называемый "электротонических состояние" Фарадея, Максвелл использует уравнение неразрывности для замкнутых токов и пишет: "Поэтому наше исследование ограничивается пока замкнутыми струмамы, и мы мало знаем о действии незамкнутых токов, обладающие способностью к намагничивания ".

В наше время мы могли бы уверенно утверждать, выяснив противоречия в исходных постулатах теории, закон Ампера оправдывается только о постоянных и замкнутых токов. Максвелл предположил, что в закон Ампера нужно добавить еще один член, играет существенную роль, только когда токи меняются очень быстро. Этот член, который Максвелл назвал током смещения и который исчезает в тех условиях, при которых Ампер проводил свои измерения, устраняет противоречие между законом Ампера и законом сохранения заряда, предоставляя уравнению электричества и магнетизма симметричного вида, так как этот член описывает возникновение магнитного поля под действием переменного электрического поля.

максвелловская модификация закона Ампера привела к тому, что уравнения электромагнетизма стали непротиворечивыми и симметричными: из закона Фарадея следует, что переменное магнитное поле порождает электрическое поле, а теперь, после введения Максвеллом тока смещения, можно утверждать, что и переменное электрическое поле возбуждает магнитное поле.

По разным чисто техническим причинам эффекты тока смещения очень трудно наблюдать, пока скорость изменения полей не становится слишком большой; понадобилось 20 лет, прежде чем Герц, уже после смерти Максвелла, удалось получить первое экспериментальное подтверждение теории Максвелла.

Работы Максвелла позволили сформулировать уравнение для электрических и магнитных полей в размере, эквивалентном таким шести утверждением:

1. Электрическое поле, соответствует какому-либо распределения зарядов, определяется по закону Кулона.

2. Магнитные заряды не существуют.

3. Закон Фарадея: переменное магнитное поле возбуждает электрическое поле.

4. Закон Ампера: токи и переменные электрические поля возбуждают магнитное поле.

5. Заряд сохраняется.

Электрическое и магнитное поля действуют на заряды с силой, которая определяется по формуле Лоренца.

Реальность поля

Количественное, математическая формулировка законовполя находим в так называемых уравнениях Максвелла. их простая форма скрывает глубину и богатое содержание, которые становятся понятными только при тщательном изучении. Формулировка этих уравнений является самым важным событием со времен Ньютона не только с точки зрения ценности их содержания, но и потому, что они являются образцом нового типа законов. Характерную черту уравнений Максвелла, оказывается и во всех других уравнениях современной физики, можно выразить одним предложением: уравнения Максвелла выражают законы структуры поля.

К уравнений Максвелла приводят два важных шага. Первый шаг: в рассмотренных опытах Эрстеда круговые линии магнитного поля, замыкаются вокруг тока, должны сходиться в точке; в опыте Фарадея круговые линии электрического поля, замыкаются вокруг переменного магнитного поля, тоже должны сходиться в точку. Взимание силовых линий электрических и магнитных полей в точку дает возможность выражать структуру поля дифференциальными уравнениями в частных производных.

Второй шаг заключается в трактовке поля как чего-то реального. Созданное один раз электромагнитное поле существует, действует и изменяется в соответствии с законами Максвелла. Уравнения Максвелла описывают структуру электромагнитного поля. Ареной действия этих законов является все пространство, а не одни только точки, в которых находятся вещество или заряды, как это справедливо для механических законов.

В механике, зная положение и скорость частиц в начальный момент времени, зная действующие силы, можно предвидеть всю траекторию, которую частица опишет в будущем. В теории Максвелла, если только

Загрузка...

Страницы: 1 2