Основни понятия и закони на теорията на електромагнитните полета. Училищна енциклопедия

В съвременната физика, когато се разглеждат много явления, заедно с понятието материя, се въвежда понятието поле: електромагнитно, гравитационно, поле ядрени силии т. н. С други думи, приема се, че са възможни две форми на съществуване на материята: материя и поле. Въпреки факта, че материята и електромагнитното поле са различни форми на съществуване на материята, техните свойства са сходни в много отношения.

Веществото се състои от отделни частици: молекули, атоми, елементарни частици (протони, електрони, неутрони и др.). Но разпространяващото се електромагнитно поле (електромагнитни вълни) може да се разглежда като поток от дискретни частици - фотони. Електромагнитното поле, подобно на материята, се характеризира с енергия, маса и импулс. Вярно е, че масата и импулсът са характерни само за разпространението електро магнитно поле(електромагнитни вълни). За разлика от материята, електромагнитното поле няма маса на покой. Повлияват се електромагнитните вълни гравитационни сили... Известно е, че пътят на разпространение на светлинните вълни забележимо се огъва под въздействието на гравитационните сили големи масивещества, например слънцето. Импулсът на електромагнитните вълни се проявява в натиска, който те оказват върху материалните тела. От друга страна, такива свойства, характерни за електромагнитните вълни, като дифракция и интерференция, също са присъщи на материалните частици. Например, явленията на дифракция и интерференция на електроните са известни.

Енергията на електромагнитното поле може да се преобразува в други видове енергия. Всъщност самото съществуване на живот на Земята се дължи на превръщането на електромагнитната енергия (енергията на слънчевите лъчи) в топлинна, химическа и други видове енергия.

Класическата или Максуеловата теория на електромагнитното поле отчита само макроскопичните свойства на материята: приема се, че размерите на разглежданата област на пространството и разстоянието от източниците на полето до разглежданата точка са големи в сравнение с размера на молекулите, а времевата характеристика на промяна в електромагнитното поле (например периодът на трептения) е голяма в сравнение с времето, характерно за вътрешномолекулните колебателни процеси. Въз основа на класическата теория на електромагнитното поле може да се изследва широк кръг от въпроси. vрадиотехника. Въпреки това, класическата теория на полето не обхваща всички нейни свойства. Извън неговите граници остават явления като излъчване и поглъщане на електромагнитни вълни с много висока честота (например светлина), фотоелектричният ефект и др. При стриктния анализ на такива явления трябва да се вземе предвид микроструктурата на материята и следователно, трябва да се основава на квантовата теория на полето. В рамките на този курс се изучава класическата теория на електромагнитното поле, т.е. изследват се само неговите макроскопски свойства.

Електромагнитното поле обикновено се разделя на две взаимосвързани полета: електрическо и магнитно.

Електрическите заряди са източници на електромагнитно поле. Стационарните заряди създават само електрическо поле. Движещите се заряди създават както електрически, така и магнитни полета. Проводимите и конвекционните токове са електрически заряди, движещи се по подреден начин и също така създават електромагнитно поле. Зарядите взаимодействат един с друг и силата на тяхното взаимодействие се определя от закона на Кулон.

Разделянето на едно електромагнитно поле на електрическо и магнитно е от относителен характер: зависи от избраната референтна система. Например електрически заряд, движещ се по права линия с постоянна скорост, създава както електрическо, така и магнитно поле около него. Но за наблюдател, движещ се в същата посока със същата скорост, този заряд е неподвижен и следователно създава само електрическо поле.

И двете полета се проявяват под формата на механични или, както ги наричат, "пондеромотивни" сили. Ако тестов електрически заряд се въведе в електрическо поле, то под въздействието на тези сили то ще се движи. По същия начин магнитното поле променя посоката на движение на тестовия електрически заряд и също така ориентира тестовия постоянен магнит (магнитна игла). Електрическо поле действа както върху неподвижни, така и върху движещи се заряди, магнитно поле само върху движещи се. Действието на електромагнитното поле има определена посока, поради което се въвеждат векторни количества, за да го опишат. Помислете за основните вектори, характеризиращи електромагнитното поле.

Хипотезата на Френел за напречните светлинни вълни постави редица трудни проблеми за физиката относно природата на етера, тоест хипотетичната среда, в която се разпространяват светлинните трептения. Преди тези проблеми се оттеглиха на заден план и въпросите относно природата на материалните частици, излъчващи светлинни вълни, и проблема за намирането на механизма на излъчване в атоми и молекули.

Трябваше да се отговори на следните въпроси: в каква посока възникват трептения в линейно поляризирана вълна? Защо няма надлъжни светлинни вълни и какви свойства трябва да притежава етерът, за да допуска само напречни вълни? И накрая, как се държи етерът спрямо телата, движещи се през него?

В оптиката след Френел значително внимание е отделено на търсенето на отговори на тези въпроси. При отговора на първия въпрос бяха направени две хипотези: хипотезата на Френел и хипотезата на Франц Нойман (1798-1895). Според хипотезата на Френел светлинните вибрации в линейно поляризирана вълна възникват в посока, перпендикулярна на посоката на равнината на поляризация. В същото време етерът в тежки тела и свободният етер се различават по своята плътност, докато еластичността му остава непроменена. Според хипотезата на Нойман, етерните вибрации възникват в равнината на поляризация, етерът в тежки тела и свободният етер се различават по еластичност, а не по плътност.

За да се обясни напречната природа на светлинните вълни, са предложени различни хипотези: хипотеза за абсолютно несвиваем етер, етер, подобен на обущарския - твърдо вещество за бързи промени и течност за бавни промени, етер като среда, пълна с жироскопи и т.н. , и т.н. към движещите се тела, етерът се разглеждаше като неподвижна среда, като среда, частично увлечена от тела, като среда напълно увлечена. Всички тези странни, противоречиви хипотези отнеха много енергия на физиците и въпреки това учените дори не поставиха такъв въпрос: не са ли безплодни тези опити? Съществува ли етер изобщо?

Съществуването на етера изглеждаше сигурно след краха на корпускулярната теория за светлината. Трябва да има среда, в която се разпространяват светлинни вибрации. „Светлинните явления след неуспешната „теория на изтичането“ се обясняват като вибрации на най-малките частици от светещи тела – вибрации, които се предават от вълни на етер“. С тези думи А. Г. Столетов започва раздела „физическа оптика” от учебника си „Въведение в акустиката и оптиката”. И това беше възприетата гледна точка. По-нататък Столетов обосновава в няколко точки „необходимостта да се допусне тази специална среда“, тоест етерът. Той вече знае за електромагнитната теория на светлината, знае, че „светлинните вълни са напречни вълни на „електрически трептения” на етера и въпреки че все още не му е ясно какъв е механизмът на тези трептения, той не се съмнява, че носител на тези трептения служи като етер.

Столетов изнася лекции по акустика и оптика през 1880-1881 г. През 1895 г. излиза „Въведение в акустиката и оптиката”. През 1902 г. излиза втората част на „Курса по физика” от Н. А. Умов. В него разделът, посветен на оптиката, започва с думите: „До сравнително скоро тънката безтегловна материя, проникваща в тела и запълваща цялото пространство, наречена етер, се смяташе за място само на светлинни явления. В момента ние разглеждаме светлината само като специален случай на явления, възможни в етера."

Година преди излизането на Столетовото "Въведение", през 1894 г., то е публикувано на Немскикурсът на електричеството от П. Друде (1863-1906), носещ заглавието "Физика на етера на електромагнитна основа". През 1901-1902г. Г. А. Лоренц прочете курс от лекции "Теория и модели на етера" в университета в Лайден. Те са публикувани на холандски през 1922 г превод на английскипрез 1927 г. и на руски през 1936 г., тоест когато етерът отдавна е бил заровен от теорията на относителността. В заключителните думи на своите лекции Лоренц внимателно пише: „Напоследък механичното обяснение на процесите, протичащи в етера, все повече отстъпва на заден план“. Въпреки това той вярваше, че механичните аналогии „все пак запазват известно значение“.

Тази надежда на Лоренц беше премахната от развитието на съвременната теоретична физика, която изхвърли зад борда визуални модели и ги замени с математически описания. Парадоксално е, че исторически фактче този процес на преход към математическо описание започва от Максуел, който поставя основите на своята електромагнитна теория, разработвайки специфични механични модели на процесите в етера. Обсъждайки тези модели, Максуел стига до установяването на уравнения, отразяващи немеханичните процеси на електромагнитните явления. Обобщавайки в „Трактат за електричеството и магнетизма“ резултатите от дългогодишните си изследвания върху теорията на електричеството и магнетизма, Максуел заявява, че „вътрешните взаимовръзки на различните клонове на науката, предмет на нашето изследване, са много по-многобройни и сложни отколкото която и да е научна дисциплина, разработена досега", включително числото, очевидно, и механиката. Нещо повече, Максуел пише, че законите на науката за електричеството „изглежда показват нейното особено значение като наука, която помага да се обясни природата“. Това означава, че наред с механиката, теорията на електричеството, според Максуел, е фундаментална наука, „помагаща да се обясни природата“. „Въз основа на това“, казва Максуел, „ми се струва, че изучаването на електромагнетизма във всичките му проявления като средство за придвижване на науката напред винаги придобива особено значение“. От времето на брилянтните открития на Фарадей, бизнесът с технически приложения на електричеството е напреднал значително. По времето, когато е създаден Трактатът, електромагнитният телеграф е станал широко разпространен, появяват се линии за комуникация на дълги разстояния: трансатлантическият кабел, свързващ Европа и Америка (1866 г.), Индоевропейският телеграф, свързващ Лондон и Калкута (1869 г.), комуникационната линия между Европа и Южна Америка (1872).

Появиха се първите генератори електрически ток: Кромуел и Варли (1866), Сименс (1867), Уитстоун (1867), Грам (1870-1871), както и електрически двигатели, започвайки с двигателя на руския академик Борис Семенович Якоби (1834) и завършвайки с Пачиноти двигател с пръстеновидна котва (1860 г.). Наближаваше ерата на електротехниката. Но Максуел има предвид не само и не толкова бързия напредък на електротехниката. Електромагнитните процеси навлизаха все по-дълбоко в науката: физиката и химията. Започна ерата на електромагнитната картина на света, която замени механичната.

Максуел ясно видя основното значение на електромагнитните закони, след като извърши грандиозен синтез на оптика и електричество. Именно той успя да сведе оптиката до електромагнетизъм, създавайки електромагнитната теория на светлината и по този начин проправяйки нови пътища не само в теоретичната физика, но и в технологиите, проправяйки пътя за радиотехниката.

Джеймс Клерк Максуел принадлежеше към знатно шотландско семейство. Баща му Джон Клерк, който приема фамилията Максуел, е човек с различни културни интереси, пътешественик, изобретател, учен. На 13 юни 1831 г. в Единбург семейство Максуел имат син Джеймс, бъдещият велик физик. Израсна като роден натуралист. Бащата поощрявал любопитството на сина си, самият той го запознал с астрономията, научил го да наблюдава небесните тела през телескоп. Той искаше да подготви сина си за университет у дома, но промени решението си и го изпрати в Единбургската академия, средно образователна институциятип класическа гимназия, когато Максуел беше на 10 години. До пети клас Джеймс учи без особен интерес. Едва от пети клас започва да се интересува от геометрия, прави модели геометрични тела, измисли свои методи за решаване на проблеми. Докато все още е петнадесетгодишен ученик, той представя изследване върху овалните извивки на Кралското общество на Единбург. Тази младежка статия от 1846 г. отваря двутомна колекция от научни статии на Максуел.

През 1847 г. Максуел постъпва в Единбургския университет. По това време неговата научни интересирешил, той започнал да се интересува от физика. През 1850 г. в Кралското общество на Единбург той прави доклад за равновесието на еластичните тела, в който освен всичко друго доказва „теоремата на Максуел”, добре позната в теорията на еластичността и здравината на материалите. През същата година Максуел е преместен в университета в Кеймбридж, в известния колеж Тринити, който обучава Нютон и много други известни физици за човечеството.

През 1854 г. Максуел издържа последния изпит втори. Той пише писмо до своя старши приятел Уилям Томсън, в което казва, че, „влизайки в ужасната класа на ергените“, решава „да се върне към физиката“ и преди всичко „да атакува електричеството“. Той разсъждава върху кривината на повърхностите, цветното зрение и Експерименталните изследвания на Фарадей. Още през 1855 г. той изпраща на Единбургското кралско общество доклад „Експерименти върху цвета“, проектира цветен горнище и разработва теория за цветното зрение. През същата година той започва работа по мемоарите си „На линиите на Фарадей“ (1855-1856), първата част от които докладва на Кеймбриджското философско дружество през 1855 г.

През 1856 г. умира бащата на Максуел, който е не само негов баща, но и близък приятел. През същата година Максуел получава професорска длъжност в университета в Абърдийн в Шотландия. Новата позиция и притесненията за имението отнеха много време. Въпреки това Максуел работи интензивно в областта на науката. През 1857 г. той изпраща на Фарадей мемоарите си „По силовите линии на Фарадей“, които силно докосват Фарадей. „Вашата работа е приятна за мен и ми дава голяма подкрепа“, пише той на Максуел, Фарадей не се е сбъркал: Максуел осигури голяма подкрепа на идеите му, той завърши работата на Фарадей с достойнство.

Айнщайн сравнява имената на Галилей и Нютон в механиката с имената на Фарадей и Максуел в науката за електричеството. Наистина аналогията тук е доста подходяща. Галилей положи основите на механиката, Нютон я завърши. И двамата тръгнаха от системата на Коперник в търсене на нейната физическа основа, която в крайна сметка беше открита от Нютон.

Фарадей подхожда по нов начин към изучаването на електричеството и магнитните явления, като изтъква ролята на средата и въвежда понятието за поле, описано от него с помощта на силови линии. Максуел придава на идеите математическа пълнота, въвежда точния термин "електромагнитно поле", който Фарадей все още не е имал, формулира математическите закони на това поле. Галилей и Нютон положиха основите на механичната картина на света, Фарадей и Максуел, основите на електромагнитната картина на света.

Електромагнитната теория Максуел развива в трудовете „За физическите силови линии“ (1861-1862) и „Теория на динамичното поле“ (1864-1865). Тези произведения той пише вече не в Абърдийн, а в Лондон, където получава професорска длъжност в King College. Тук Максуел се срещна и с Фарадей, който вече беше стар и болен. Максуел, след като получи данни, потвърждаващи електромагнитната природа на светлината, ги изпрати на Фарадей. Максуел пише: „Електромагнитната теория на светлината, предложена от него (Фарадей) в Thoughts on Ray Vibrations (Phil. Mag., май 1846) или Experimental Investigations (Exp. Rec., P. 447), по същество е същата, която започнах да се развие в тази статия ("Теория на динамичното поле" -Phil. Mag., 1865), с изключение на това, че през 1846 г. няма данни за изчисляване на скоростта на разпространение. JCM". Максуел признава приоритета на Фарадей в това откритие. Максуел не би могъл да знае за запечатаното писмо на Фарадей през 1832 г. и се позовава на неговата статия, публикувана през 1846 г. Но той заяви със сигурност, че Фарадей вече е изразил това, което е дал в своята „Теория на динамичното поле“, с изключение на количествените данни за съвпадението на скоростта на разпространение на светлината с постоянно съотношение на електромагнитни и електростатични единици заряд и ток.

През 1865 г., когато се появява теорията на динамичното поле, Максуел претърпява инцидент по време на езда. Той напуска професорското място в Лондон и заминава за имението си Glenlair, където продължава статистическите изследвания, започнати през 1859 г.

През 1871 г. това се случи важно събитие... За сметка на потомък на известен учен от 18 век. Хенри Кавендиш, херцог на Кавендиш, е създаден катедрата по експериментална физика в Кеймбриджския университет и започва изграждането на бъдещата известна Кавендиш лаборатория. Максуел е поканен от първия професор в Кавендиш. На 8 октомври 1871 г. той изнася встъпителната си лекция за функциите на експерименталната работа в университетското образование. Лекцията се оказа програма на всички бъдещи дейности на лабораторията по преподаване на експериментална физика. В тази дейност Максуел вижда търсенето на времето.

„Трябва да започнем в лекционната зала с курс от лекции по някакъв клон на физиката, като използваме експерименти като илюстрация, и да завършим в лабораторията с поредица от изследователски експерименти.“ Максуел изразява важни мисли за назначаването на учител. Основното за учителя е да фокусира вниманието на ученика върху проблема. Като спори срещу противниците на експерименталното обучение, Максуел заявява, че ако човек е увлечен от проблем, влага цялото си сърце в решаването му, ако разбира основната употреба на математиката при прилагането й за обяснение на природата, тогава основната специалност няма да бъде повредени, експериментални знания няма да объркат вярата в учебниците по формули, ученикът няма да бъде прекалено уморен.

Максуел започва кариерата си в Кеймбридж, като изнася лекции за топлота. Той отдели много време на изграждането и организацията на лабораторията. Изучава опита от създаването на лаборатории в чужбина и в собствената си страна, посещава лабораторията Thomson, лабораторията Clarendon. Лабораторията Кларендън послужи до голяма степен като модел за Кеймбридж. На 16 юни 1874 г. лабораторията е открита.

Лабораторията представляваше солидна триетажна сграда. На долния етаж имаше стаи за изследване на магнетизма, махалата и топлината. В него се помещавали килери, кухня, всекидневна. На втория етаж има голяма лаборатория, професорска стая и лаборатория, лекционна зала и помещение за оборудване. На горния етаж се помещавали акустична лаборатория, стаи за изчисления и графики, лъчиста топлина, оптика, електричество и тъмна стая за фотографска работа. Всички маси в лабораторията се опираха на греди, независими от пода, което позволяваше много деликатни експерименти. На покрива на лабораторията беше прикрепен метален стълб. Всички зрители се присъединиха към него, за да може всеки момент да бъде измерен потенциалът на атмосферното електричество. Плъзгащите се врати в лабораторните подове позволяваха тегленето на проводници между етажите, окачването на махалото на Фуко и т. н. Разбира се, всички лаборатории имаха газ, вода, светлина.

Три години след откриването на лабораторията Максуел пише, че тя включва всички „инструменти, изисквани от днешното състояние на науката“. Списък с тези устройства е публикуван. По отношение на този списък J.J. Thomson каза през 1936 г.: „Това е поразителен пример за разликата между устройствата, които някога са били смятани за перфектни, и тези, които са сега“.

Кавендишката лаборатория, която по-късно се превърна в основен център на физическите науки, дължи много на първия си професор. Максуел имаше трудна задача да създаде нов столекспериментална физика. Новото винаги си пробива път трудно. Студентските ментори ги обезкуражаваха да ходят в лабораторията. Това обяснява факта, че в началото в лабораторията идват няколко души. Тези, които преминаха математическата хватка и искаха да получат умения, първи дойдоха тук. практическа работа(W.Hick, G. Crystal, S. Sounder, D. Gordon, A. Schuster).

Например Георг Кристал (1851-1911), по-късно професор по математика в Единбургския университет, тества валидността на закона на Ом (експеримент, който Максуел избра за него). Необходимостта от тази проверка възникна, тъй като имаше проучвания, които поставиха под съмнение валидността на този закон. Максуел пише на Кембъл, че Кристъл „... работи непрекъснато от октомври, тествайки закона на Ом и Ом излиза от изпитанията с триумф“.

Също така Кристъл и С. Саундер, в доклад на Британската асоциация, съобщават за резултатите от сравняването на съпротивителни единици с единиците на Британската асоциация – Трудни изследвания x, които по-късно са продължени от Глазеб-рук и Флеминг. По-късно, по времето на Рейли, това изследване се разпростира до цялата област на електрическите измервания и превръща лабораторията в Кавендиш в център за определяне на стандарти за електрически единици.

Като цяло всички служители на Максуел, преди да се впуснат в първоначалното изследване, преминаха през малка обща работилница, изучаваха инструменти, измерваха времето, научиха се да смятат и т.н., тоест Максуел положи основите на бъдеща обща лабораторна работилница.

Трудно е да се надцени значението на работата на Максуел за бъдещото развитие на лабораторията Кавендиш. Уилям Томсън пише през 1882 г.: „Влиянието на Максуел в Кеймбридж има неоспорим голям ефект при насочването на математическото обучение към по-плодотворни канали от тези, по които те са течали в продължение на много години. Той е публикуван научни статиии книгите, работата му като изпитващ в Кеймбридж, преподавателските му лекции - всичко това допринесе за този ефект. Но преди всичко работата му в планирането и организацията на Кавендишката лаборатория. Тук всъщност е възходът на физическата наука в Кеймбридж през последните десет години и това се дължи изцяло на влиянието на Максуел."

Като професор в Кавендиш Максуел извършва голяма научна и педагогическа работа. През 1873 г. излиза основното му произведение „Трактат за електричеството и магнетизма“. Започва да пише популярното изложение на своята теория „Електричеството в елементарна презентация“, но няма време да го завърши. Като професор в Кавендиш, Максуел извлича непубликуваната работа на Кавендиш от архива, включително работата му, където той открива закона за електрическите взаимодействия няколко години преди Кулон. Максуел повтори експеримента на Кавендиш с по-точен електрометър и потвърди закона обратна пропорцияквадратно разстояние с висока степенточност. Мемоарите на Хенри Кавендиш с неговите коментари са публикувани от Максуел през 1879 г. През същата година, на 5 ноември, Максуел умира от рак.

Максуел беше многостранен учен: теоретик, експериментатор, техник. Но в историята на физиката името му се свързва преди всичко с теорията на създаденото от него електромагнитно поле, която се нарича теория на Максуел или Максуелова електродинамика. Той влезе в историята на науката заедно с такива фундаментални обобщения като нютонова механика, релативистична механика, квантова механика и бележи началото на нов етап във физиката. В съответствие със закона за развитие на науката, формулиран от Аристотел, той издигна знанието за природата на ново, по-високо ниво и в същото време беше по-неразбираемо, абстрактно от предишните теории, „по-малко очевидно за нас“, казано на Аристотел.

Това обстоятелство доведе до относително дълго отхвърляне на теорията на Максуел от физиците и едва след експериментите на Херц започна нейното признаване. Тя получава "права на гражданство" във физиката след експеримента на Майкелсън, след първата работа на Лоренц върху електронната теория. Така нейното усвояване съвпада с началото на създаването на електронната и релативистката физика. Историята на теорията на Максуел е преплетена с историята на тези области на физиката, водеща до сегашното й състояние.

Максуел започва да развива теорията си през 1854 г. На 20 февруари тази година, в писмо до своя старши приятел У. Томсън, той пише за намерението си да „атакува електричеството“. В писмо от Кеймбридж от 13 ноември 1854 г. той пише, че той, „начинаещ в електричеството“, успява да разреши „огромна маса съмнения“, използвайки няколко прости идеи. „Научих доста лесно основните принципи на електричеството под напрежение“ (т.е. електростатиката), казва той и информира Томсън, че много му е помогнала аналогията с топлопроводимостта, открита от Томсън. Освен това Максуел съобщава, че въпреки че се е възхищавал, четейки произведенията на Ампер, би искал да изследва възгледите му "философски". Струва му се, че методът на линията на магнитното поле на Фарадей е много полезен за тази цел, но други предпочитат да използват концепцията за директно привличане на токови елементи. Максуел разработва картина на магнитните силови линии, генерирани от тока, говори за магнитното поле, въвежда съответните понятия и пише математически уравнения.

Мислите, изразени от Максуел в това писмо, са развити в първото му произведение „За линиите на Фарадей“, написано в Кеймбридж през 1855-1856 г. Той поставя за цел на тази работа „да покаже как прякото приложение на идеите и методите на Фарадей може най-добре да изясни взаимните отношения на различни класове явления, открити от него“. В работата си „За силовите линии на Фарадей“ Максуел изгражда хидродинамичен модел на среда, която предава електрически и магнитни взаимодействия. Той успява да опише стационарни процеси, използвайки визуална картина на движеща се течност. Зарядите и магнитните полюси на тази картина представляват източниците и поглъщанията на течащата течност. „Опитах се – пише Максуел – ... да представя математическите идеи във визуална форма, използвайки системи от линии или повърхности, а не използвайки само символи, които не са особено подходящи за изразяване на възгледите на Фарадей и не отговарят напълно към естеството на явленията, които се обясняват."

Въпреки това, за описанието на индукционните процеси на електротоничното състояние на Фарадей, моделът се оказа неподходящ и Максуел беше принуден да прибегне до математически символи. Той характеризира електротоничното състояние с помощта на три функции, които той нарича електротонични функции или компоненти на електротоничното състояние. В съвременната нотация тази векторна функция съответства на потенциалния вектор. Криволинейният интеграл на този вектор по затворената линия Максуел нарича "общия електротоничен интензитет по затворената крива". За тази стойност той намира първия закон на електротоничното състояние: „Общият електротоничен интензитет по границата на повърхностен елемент служи като мярка за количеството магнитна индукция, преминаваща през този елемент, или, с други думи, мярка за броят на магнитните силови линии, проникващи в този елемент." В съвременна нотация този закон може да се изрази с формулата:

където A е компонентът на потенциалния вектор

в посока на елемента на кривата dl, Bn е нормалната компонента на индукционния вектор B в посока на нормалата към елемента на повърхността dS.

свързване на магнитната индукция B с вектора на силата на магнитното поле H.

Третият закон свързва силата на магнитното поле H със силата на тока, който го създава I. Максуел го формулира по следния начин: „Общият магнитен интензитет по линия, ограничаваща част от повърхността, служи като мярка за количеството електрически ток, протичащ през тази повърхност." В съвременната нотация това изречение се описва с формулата

,

което сега се нарича първото уравнение на Максуел в интегрална форма. То отразява експериментален фактоткрит от Ерстед: токът е заобиколен от магнитно поле.

Четвъртият закон е законът на Ом:

За да характеризира силовите взаимодействия на токовете, Максуел въвежда величина, която той нарича магнитен потенциал. Тази стойност се подчинява на петия закон: „Общият електромагнитен потенциал на затворен ток се измерва чрез произведението на количеството тока на общия електротоничен интензитет по веригата, преброен по посока на тока:

».

Шестият закон на Максуел се отнася до електромагнитна индукция: "Електродвижещата сила, действаща върху проводящ елемент, се измерва с производната по време на електротоничния интензитет, независимо дали тази производна се дължи на промяна в големината или посоката на електротоничното състояние." В съвременните нотации този закон се изразява с формулата:

което е второто уравнение на Максуел в интегрална форма. Забележете, че Максуел нарича циркулацията на вектора на силата на електрическото поле електродвижеща сила. Максуел обобщава закона за индукцията на Фарадей - Ленц - Нойман, като приема, че промяна във времето в магнитния поток (електротонично състояние) генерира вихрово електрическо поле, което съществува независимо от това дали има затворени проводници, в които това поле възбужда ток или не. Максуел все още не е обобщил закона на Ерстед.

Максуел завършва формулирането на шестте закона със следните думи: „Направих опит да дам в тези шест закона математически израз на идеята, която според мен стои в основата на хода на мисълта на Фарадей в неговите Експериментални изследвания. Това твърдение на Максуел е напълно вярно, както и друго твърдение, че уводът „ математически функцииза изразяване на електротоничното състояние на Фарадей и за определяне на електродинамичните потенциали и електродвижещи сили” е направено от него за първи път.

Следващата стъпка в развитието на теорията на електромагнитното поле е направена от Максуел през 1861-1862 г., след като публикува редица статии под общото заглавие „За физическите силови линии“. И тук Максуел прибягва до механичен модел на електромагнитното поле. Но този модел е много по-сложен от картината на полето на скоростта на движеща се течност, която той разработи в предишната си работа. Максуел разработи този модел, като се възползва напълно от таланта си на механик и конструктор и излезе със своите известни уравнения. „Максуел“, пише Болцман, „откри своите уравнения в резултат на желанието да докаже с помощта на механични модели възможността за обяснение на електромагнитните явления въз основа на концепцията за близко действие и само тези модели показаха първия начин за тези експерименти, които окончателно и решително установиха факта на близко действие. и в момента те образуват най-простата и най-надеждната основа на уравненията, намерени по други начини.

Не е трудно да се намерят уравненията на Максуел, но е невъзможно да се „изведат“, както е невъзможно да се изведат законите на Нютон. Разбира се, както уравненията на Нютон, така и уравненията на Максуел могат да бъдат извлечени от други принципи, които трябва да бъдат приети без доказателство, но тези принципи, като самите уравнения на Максуел или Нютон, са обобщения на опита. „Теорията на Максуел е уравненията на Максуел“, каза Херц.

Във „физическите силови линии“ Максуел преди всичко обосновава израза на силата, действаща върху всеки елемент от средата, в която има заряди, токове, магнити. Максуел мисли за среда, пълна с молекулярни вихри, силите, действащи в тази среда в една и съща точка, зависят от посоката, те са, както сега казваме, тензорни по природа. Тогава Максуел записва известните си уравнения. Ново в сравнение с работата по силовите линии на Фарадей тук е ясното установяване на връзката между промените в магнитното поле и появата на електродвижещата сила. Неговото уравнение (по-точно „триплета“ на уравненията за компонентите) определя „връзката между промените в състоянието на магнитното поле и причинените от тях електродвижещи сили“.

Друга важна новина е въвеждането на понятията за изместване и изместващи течения. Изместването, според Максуел, е характеристика на състоянията на диелектрика в електрическо поле. Общият поток на преместване през затворена повърхност е равен на алгебричната сума на зарядите вътре в повърхността. „Това изместване“, пише Максуел, „не представлява реален ток, защото, достигайки определена стойност, той остава постоянен. Но това е началото на тока и промените в отклонението генерират токове в положителна или отрицателна посока в зависимост от това дали отклонението се увеличава или намалява." Това въвежда основната концепция за тока на изместване. Този ток, подобно на тока на проводимост, създава магнитно поле. Следователно Максуел обобщава уравнението, което сега се нарича първото уравнение на Максуел, и въвежда тока на изместване в първата част. В съвременни нотации това уравнение на Максуел има формата:

Накрая Максуел открива, че напречните вълни се разпространяват в неговата еластична среда със скоростта на светлината. Този фундаментален резултат го води до важен извод: „Скоростта на трептения на напречната вълна в нашата хипотетична среда, изчислена от електромагнитните експерименти на Колрауш и Вебер, съвпада толкова точно със скоростта на светлината, изчислена от оптичните експерименти на Физо, че можем да едва ли отхвърля заключението, че светлината се състои от напречни вибрации на същата среда, която причинява електрически и магнитни явления. Така в началото на 60-те години на XIX век. Максуел вече е намерил основите на своята теория за електричеството и магнетизма и е направил важното заключение, че светлината е електромагнитно явление.

Продължавайки развитието на теорията, Макуел през 1864-1865г. публикува своята "Теория на динамичното поле". В тази работа теорията на Максуел придобива завършена форма и нов обект научно изследваневъведено от Фарадей, електромагнитното поле е точно определено. „Теорията, която предлагам“, пише Максуел, „може да се нарече теория на електромагнитното поле, защото се занимава с пространството около електрически или магнитни тела, а може да се нарече и динамична теория, тъй като приема, че в това пространство има движеща се материя, чрез която се произвеждат наблюдаваните електромагнитни явления.

Електромагнитното поле е тази част от пространството, която съдържа и заобикаля тела, които се намират в електрически или магнитно състояние».

Това е първото определение за електромагнитно поле в историята на физиката, Фарадей не използва термина "поле", той говори за реалното съществуване на физически линии на сила. Едва от времето на Максуел във физиката се появява концепцията за поле, което служи като носител на електромагнитна енергия.

За да опише полето, Максуел въвежда скаларни и векторни функции на координатите. Той обозначава вектори с главни буквиНемска готика, но в изчисленията оперира с техните компоненти. Той рисува векторни уравнения в координати, получавайки съответните триплети („триплети“) от уравнения.

В своя Трактат за електричеството и магнетизма той обобщава основните величини, използвани в неговата електромагнитна теория. Термините, обозначенията, самото значение, вложено от Максуел в съдържанието на въведените понятия, често се различават значително от съвременните. И така, количеството "електромагнитен момент" или "електромагнитен импулс" в точка, което играе основна роля в концепцията на Максуел, в съвременната физика, е помощна величина, векторът е потенциал А. Вярно е, в квантовата теория той отново придоби фундаментално значение, но експерименталната физика, радиотехниката и електротехниката му придават чисто формално значение.

В теорията на Максуел тази величина е свързана с магнитния поток. Циркулацията на потенциалния вектор по затворен контур е равна на магнитния поток през повърхността, покрита от контура. Магнитният поток има инерционни свойства, а електродвижещата сила на индукцията, според правилото на Ленц, е пропорционална на скоростта на изменение на магнитния поток, взета с обратен знак. Оттук и силата на индукционното електрическо поле:

Максуел смята, че този израз е аналогичен на израза за инерционната сила в механиката:

Механичен импулс или импулс. Тази аналогия обяснява термина Максуел, въведен за векторния потенциал. Самите уравнения на електромагнитното поле в теорията на Максуел имат вид, различен от съвременния.

В съвременния си вид системата от уравнения на Максуел има следната форма:

С тези уравнения векторът на магнитната индукция B и векторът на силата на електрическото поле E се изразяват чрез векторния потенциал A и скаларния потенциал V. Максуел допълнително записва израза за пондеромотивната сила f, действаща от страната на полето с магнитна индукция B на единица обем на проводник, обикалян от ток с плътност j:

Към този израз той добавя "уравнението на намагнитването":

и "уравнението на електрическите токове" (сега първото уравнение на Максуел):

Връзката между вектора на изместване D и силата на електрическото поле E при Максуел се изразява чрез уравнението:

След това той изписва уравнението divD = p и уравнението където

,

а също и граничното условие:

Това е системата от уравнения на Максуел. Най-важното заключение от тези уравнения е съществуването на напречни електромагнитни вълни, разпространяващи се в намагнетизиран диелектрик със скорост: където

Това заключение е получено от него в последния раздел на "Теория на динамичното поле", който носи името "Електромагнитна теория на светлината". „... Науката за електромагнетизма“, пише Максуел тук, „води до точно същите заключения като оптиката по отношение на посоката на смущенията, които могат да се разпространяват през полето; и двете науки утвърждават напречната природа на тези вибрации и двете дават една и съща скорост на разпространение." В етера тази скорост c е скоростта на светлината (Максуел я обозначава V), в диелектрика е по-малка, където

По този начин показателят на пречупване n, според Максуел, се определя от електрическия и магнитни свойствасряда. В немагнитен диелектрик където

Това е прочутото съотношение на Максуел.

В „Трактат“ Максуел пише: „Според теорията, че светлината е електромагнитно смущение, разпространяващо се в същата среда, през която се разпространяват други електромагнитни действия, V трябва да бъде скоростта на светлината, чиято числена стойност може да се определи чрез различни методи . От друга страна, v е броят на електростатичните единици в една електромагнитна единица и методите за определяне на това количество бяха описани в предишната глава. Те са напълно независими методи за определяне на скоростта на светлината. Следователно съвпадението или несъвпадението на стойностите на Y и v осигурява тест на електромагнитната теория на светлината.

Максуел дава обобщение на дефинициите на V и v, от което следва, че „скоростта на светлината и съотношението на единиците са от един и същи порядък“. Въпреки че Максуел не смята това съвпадение за достатъчно точно, той се надява, че при по-нататъшни експерименти връзката между двете величини може да бъде определена по-точно. Във всеки случай наличните данни не опровергават теорията. Но по отношение на закона на Максуел положението беше по-лошо. Беше сам експериментален резултатполучено чрез определяне на диелектричната константа на парафина. Оказа се, че е равно на e = 1,975. От друга страна, стойностите на парафиновия индекс на пречупване за линиите на Фраунхофер - A, D, H се оказаха равни на n = 1,420 вместо на

Тази разлика е доста голяма и не може да се дължи на грешка в наблюдението. Максуел го смята за индикация за необходимостта от значително подобрение на теорията за структурата на материята, „преди да можем да изведем оптичните свойства на телата от техните електрически свойства“. Тази много фина и дълбока забележка беше напълно оправдана в историята на физиката.

По времето на Максуел дълговълновият участък на електромагнитния спектър все още не е бил открит и, естествено, стойностите на индекса на пречупване не са били измерени за него. В оптичната област обаче вече е открита аномална дисперсия, което показва, че показателят на пречупване зависи от честотата по много сложен начин. Необходими универсални експериментални и теоретични изследванияда се каже с пълна сигурност за валидността на закона на Максуел. Самият Максуел беше дълбоко убеден в правилността на своите заключения и не се смути от отклонението на експерименталните данни от теоретичните стойности. Той следи отблизо изследванията в тази област, въпреки че предупреди: „Едва ли можем да се надяваме дори на приблизителна проверка, ако сравним резултатите от нашите бавно протичащи електрически експерименти със светлинни вибрации, възникващи милиарди пъти в секунда.“ Въпреки това той приветства резултатите на Болцман, който измерва диелектричните константи на газовете и показва валидността на отношението на Максуел n2 = e за редица газове. Той включва резултатите на Болцман в последната си работа "Електричество в елементарно представяне", публикувана посмъртно . В него са включени и резултатите на руските физици Н. Н. Шилер (1848-1910) и П. А. Зилов (1850-1921).

Н. Н. Шилер през 1872-1874 г измерва диелектричната константа на редица вещества в променливи електрически полета с честота около 10 Hz. За редица диелектрици той намери приблизително потвърждение на закона n2 = e, но за други, например за стъкло, несъответствието беше много значително. П. А. Зилов през 1876 г. измерва диелектричните константи за някои течности. За терпентина той установи: e = 2,21, e (1/2) = 1,49, n = 1,456. Зилов отлично разбира, че дължината на електрическите вълни „е безкрайно голяма в сравнение с дължината на светлинните вълни“ и формулира закона на Максуел по следния начин: „Квадратният корен от диелектричната константа на изолатора е равен на неговия показател на пречупване за лъчите на безкрайно дълга вълна."

Н. Н. Шилер и П. А. Зилов бяха ученици на Столетов. Самият Столетов се интересуваше дълбоко от теорията на Максуел и предприе измерване на съотношението на единиците, за да потвърди заключението на Максуел. В Русия теорията на Максуел срещна съчувствие и разбиране, а руските физици допринесоха много за нейния успех.

В теорията на Максуел енергията се разпределя в пространството с обемна плътност. Очевидно е, че електромагнитната вълна, разпространяваща се в пространството, носи енергия със себе си. Максуел твърди, че падайки върху поглъщаща повърхност, вълната създава натиск върху тази повърхност, равен на обемната енергийна плътност. Това заключение на Максуел е критикувано от У. Томсън (Келвин) и други физици. Както ще видим по-долу, руският физик П. Н. Лебедев доказа правотата на Максуел.

Теорията за движението на енергията е разработена от руския физик Н. А. Умов.

Н. А. Умов е роден на 23 януари 1846 г. в семейството на лекар от Симбирск. След като завършва Първа московска гимназия през 1863 г., УМОВ постъпва в Московския университет, който завършва през 1867 г. като кандидат. През 1871 г. Умов защитава магистърска теза„Теория на термомеханичните явления в твърди еластични тела“ и е избран за асистент на Новоросийския университет в Одеса. През 1874 г. защитава докторска дисертация "Уравнения на движението на енергията в телата". Спорът беше труден. Идеята за движение на енергията изглеждаше неприемлива дори за такива физици като А. Г. Столетов. През 1875 г. Умов става необикновен, а през 1880 г. обикновен професор в Новоросийския университет. През 1893 г. се мести в Москва във връзка с избирането му за университетски професор. Три години по-късно той заема катедрата по физика, която е овакантена след смъртта на Столетов.

Под ръководството на Умов се проектира и изгражда сградата на Физическия институт на университета. Умов умира на 15 януари 1915 г.

В своя труд „Уравнения на движението на енергията в телата” Умов разглежда движението на енергията в среда с равномерно разпределение на енергията в целия обем, така че всеки елемент от обема на средата „съдържа в дадения момент определен количество енергия." Умов обозначава обемната енергийна плътност през E, а през lx, 1y, lz - „компонентите по правоъгълните координатни оси x, y и z на скоростта, с която се движи енергията в разглежданата точка на средата“. Освен това Умов установява диференциално уравнение, което се подчинява на промяната в енергийната плътност E във времето:

Подобно на Максуел, Умов обозначава частични производни с

Днес пишем наобратно:

По този начин промяната в енергията вътре в обема се определя от нейния поток през повърхността. През всяка единица повърхност за единица време протича количеството енергия El „, равно на нормалната компонента на вектора A1 = = y. Този вектор сега се нарича вектор на Умов.

На 17 декември 1883 г. Рейли представя на Кралското общество послание от Джон Пойнтинг (1852-1914) „За преноса на енергия в електромагнитно поле“. Това съобщение е прочетено от Пойнтинг на 10 януари 1884 г. и публикувано в сборника на дружеството през 1885 г., тоест 11 години след издаването на Умов. Без да знае тази публикация, която се появи в Одеса през 1874 г. като отделна брошура, Пойнтинг решава същия въпрос във връзка със случая с движението на електромагнитната енергия. Изхождайки от израза на Максуел за обемната плътност на електромагнитната енергия, Пойнтинг намира теорема, която формулира, както следва: „Промяната в сумата от електрическата и магнитната енергия, съдържаща се в повърхността за секунда, заедно с топлината, развивана от токове, е равна на стойността, за която всеки елемент от повърхността допринася със своя дял, в зависимост от стойностите на електрическата и магнитната сила върху този елемент.

Това означава, че „енергията тече... перпендикулярно на равнината, съдържаща линиите на електрически и магнитни сили, и че количеството енергия, което пресича единичната повърхност на тази равнина за секунда, е равно на произведението: електродвижеща сила, магнитна сила, синусът на ъгъла между тях, разделен на 4, докато посоката на потока се определя от три величини – електродвижеща сила, магнитна сила и енергиен поток, свързани в дясна винтова връзка”.

В съвременната нотация векторът на енергийния поток на Пойнтинг по големина и посока се определя от израза:

В нашата литература този вектор се нарича вектор на Умов-Пойнтинг.

Говорейки за постиженията на теорията за близкото взаимодействие, към която принадлежи теорията на Максуел, не бива да забравяме, че тази теория не се радваше на подкрепата на мнозинството водещи физици. Максуел, в предговора към първото издание на своя Трактат за електричеството и магнетизма от 1 февруари 1873 г., пише, че методът на Фарадей е равен на метода на математиците, които тълкуват електричеството от гледна точка на действие на разстояние. „Открих“, пише Максуел, „че резултатите от двата метода като цяло са еднакви, така че те обясняват едни и същи явления и едни и същи закони се извличат от двата метода“. Той обаче подчертава, че плодотворните методи, открити от математиците, „могат да бъдат изразени чрез идеи, заимствани от Фарадей, много по-добре, отколкото в оригиналната им форма“. Това според Максуел е теорията на потенциала, ако потенциалът се разглежда като величина, която удовлетворява частно диференциално уравнение. Максуел подкрепя и защитава метода на Фарадей. „Този ​​път, въпреки че може да изглежда по-малко определен в някои части, според мен е в по-вярно съответствие с нашето действително познание, както в това, което твърди, така и в това, което оставя неразрешено.“ Завършвайки своя трактат с анализ на теорията на действието от разстояние, Максуел посочва, че всички те са били в опозиция на концепцията за полето, са били „против предположението за съществуването на среда, в която се разпространява светлина“. Но Максуел твърди, че концепцията за действие на далечни разстояния неизбежно се сблъсква с въпроса: „Ако нещо се разпространява на разстояние от една частица до друга, тогава в какво състояние ще бъде то, когато е напуснало една частица и все още не е достигнало друга? " Максуел смята, че единственият разумен отговор на този въпрос е хипотезата за междинна среда, която прехвърля действието на една частица върху друга, хипотезата за близко действие. Ако приемем тази хипотеза, тогава тя, както смята Максуел, „трябва да заеме видно място в нашето изследване и ние трябва да се опитаме да изградим ментална картина на всички детайли на това действие“. „И това беше моята постоянна цел в този трактат“, заключава Максуел.

Така още в „Трактат” Максуел посочва наличието на сериозна опозиция сред привържениците на дългосрочните действия срещу новите идеи. Той ясно чувства, че новата концепция за полето означава издигане на нашето разбиране за електромагнитните явления на ново по-високо ниво и в това той определено е прав. Но този ново нивовъвеждането на неясна, неразбираема от нас концепция за полето, ни отдалечава по-далеч от обикновените сетивни репрезентации, от обичайните понятия. Указанието на Аристотел беше повторено още веднъж, че познанието отива към „по-очевидно по природа“, но „по-малко очевидно за нас " Необходими са нови резултати, за да стане теорията на Максуел достояние на физиката. Решаващата роля за победата на теорията на Максуел изигра немският физик Хайнрих Херц.

Херц. Хайнрих Рудолф Херц е роден на 22 февруари 1857 г. в семейството на адвокат, който по-късно става сенатор. В ерата на Херц индустрията, науката и технологиите се развиват интензивно в обединена Германия. В Берлинския университет Хелмхолц създава световна научна школа, под негово ръководство през 1876 г. е построен физически институт. ( За създаването и структурата на Института по физика Хелмхолц вижте книгата: A.V. Lebedinski. и др. Хелмхолц.-М.: Наука 1966, с. 148-153.) В същото време Вернер Сименс (1816-1892) работи интензивно в областта на силнотоковата електротехника. Siemens е организатор на най-големите електротехнически фирми Siemens и Halske, Siemens и Schunkert. Заедно с Хелмхолц той е един от инициаторите за създаването на Физико-техническия институт, най-висшата метрологична институция в Германия. Приятел и роднина на Siemens, Хелмхолц е първият президент на този институт.

Hertz също влезе в средата на тези лидери на немската наука и технологии. След като завършва гимназията през 1875 г., Херц учи първо в Дрезден, а след това в Мюнхенското висше техническо училище. Но скоро осъзнава, че неговото призвание е науката и се премества в Берлинския университет, където учи физика под ръководството на Хелмхолц.

Херц беше любим ученик на Хелмхолц и именно той беше поръчан от Хелмхолц да тества експериментално теоретичните заключения на Максуел. Херц започва известните си експерименти като професор във Висшето техническо училище в Карлсруе и ги завършва в Бон, където е професор по експериментална физика.

Херц умира на 1 януари 1894 г. Неговият учител Хелмхолц, който пише некролог за своя ученик, умира същата година на 8 септември.

В своя некролог Хелмхолц припомня началото на научната кариера на Херц, когато му предложи тема за студентска работа в областта на електродинамиката, „като е сигурен, че Херц ще се интересува от този въпрос и ще го реши успешно“. Така Хелмхолц въвежда Херц в областта, в която впоследствие трябва да направи фундаментални открития и да се увековечи. Описвайки състоянието на електродинамиката по това време (лятото на 1879 г.), Хелмхолц пише: „... Полето на електродинамиката се превърна по това време в безпътна пустиня, факти, основани на наблюдения и последици от много съмнителни теории - всичко това беше смесено заедно " . Имайте предвид, че тази характеристика се отнася до 1879 г. - годината на смъртта на Максуел. Херц е роден като учен точно през тази година. Нелицеприятна характеристика на електродинамиката в края на 70-те - началото на 80-те години на XIX век. дадено от Енгелс през 1882 г.

Енгелс отбелязва „всеприсъствието на електричеството“, което се проявява в изучаването на различни природни процеси, нарастващото му приложение в промишлеността и посочва, че въпреки това „това е именно тази форма на движение, за чиято същност има все още най-голямата неизвестност."

„В доктрината... за електричеството,“ продължава Енгелс, „ние имаме пред нас хаотична купчина стари, ненадеждни експерименти, които не са получили нито окончателно потвърждение, нито окончателно опровержение, някакво несигурно лутане в мрака, несвързани изследвания и опитът на много отделни учени, атакуващи непозната област в безпорядък, като орда от номадски ездачи "( Енгелс ф. Диалектика на природата. - К. Маркс, Ф. Енгелс Съчинения, 2-ро изд., Т. 20, с. 433-434.). Въпреки че Енгелс се изразява по-остро от Хелмхолц, техните характеристики са в основата си еднакви: „безпътна пустиня“, „лутане в мрака“. Но Хелмхолц не казва и дума за Максуел, а Енгелс отбелязва „решителния напредък“ на етерните теории за електричеството и „един безспорен успех“, позовавайки се на експерименталното потвърждение на Болцман на закона на Максуел n2 = e.

„Така“, обобщава Енгелс, „специално Максуеловата теория за етера беше потвърдена експериментално“ ( Енгелс ф. Диалектика на природата. - К. Маркс, Ф. Енгелс Съчинения, 2-ро изд., Т. 20, с. 439.) Но решаващото потвърждение тепърва предстоеше.

Междувременно младият учен в трудовете си „Опит за определяне на горната граница за кинетичната енергия на потока на електричество“ (1880 г.), докторската си дисертация „За индукцията във въртящи се тела“ (март 1880 г.), „За връзката на Максуелови електродинамични уравнения с противоположната електродинамика“ (1884) трябваше да си проправи път през „безпътната пустиня“, чувствайки мостове между съперничещи си теории. В работата си от 1884 г. Херц показва, че максуеловата електродинамика има предимства пред обикновената електродинамика, но смята за недоказано, че тя е единствената възможна. По-късно обаче Херц се спря на компромисната теория на Хелмхолц. Хелмхолц взе от Максуел и Фарадей признанието за ролята на околната среда в електромагнитните процеси, но за разлика от Максуел той вярва, че действието на отворените токове трябва да бъде различно от действието на затворените токове. Действието на затворените токове се извлича от двете теории по един и същи начин, докато за отворените токове според Хелмхолц трябва да се наблюдават различни последствия от двете теории. „За всеки, който знае действителното състояние на нещата по това време“, пише Хелмхолц, „беше ясно, че пълно разбиране на теорията на електромагнитните явления може да се постигне само чрез точно изследване на процесите, свързани с тези моментни отворени токове. ”

Този въпрос е изследван в лабораторията на Хелмхолц от Н. Н. Шилер, който посвети докторската си дисертация "Диелектрични свойства - краища на отворени токове в диелектриците" (1876) на това изследване. Шилер не открива разликата между затворени и отворени токове, както би трябвало да бъде според теорията на Максуел. Но очевидно Хелмхолц не е доволен от това и предлага на Херц да провери отново теорията на Максуел и да се справи с проблема, поставен през 1879 г. от Берлинската академия на науките: „за да покаже експериментално съществуването на някаква връзка между електродинамичните сили и диелектричната поляризация на диелектриците " Изчисленията на Херц показаха, че очакваният ефект, дори при най-благоприятни условия, би бил твърде малък и той „отказал да развие проблема“. Оттогава обаче той не спира да мисли за възможните начини за решаването му и вниманието му „се изостря по отношение на всичко, свързано с електрическите трептения“.

Всъщност при ниски честоти ефектът от тока на изместване, а именно това е основната разлика между теорията на Максуел и теорията за действие на далечни разстояния, е незначителен и Херц правилно е разбрал, че за успешното решаване са необходими високочестотни електрически трептения проблемът. Какво се знае за тези колебания?

През 1842 г. американският физик Дж. Хенри, повтаряйки експериментите на Савард през 1826 г., установява, че изхвърлянето на лейденския буркан „изглежда не е ... еднократно прехвърляне на безтегловна течност от една посока, а след това няколко отразени действия напред-назад, всяко от които е по-слабо от предишното, продължава до настъпване на равновесие."

Хелмхолц в мемоарите си „За запазването на мощността“ също заявява, че разреждането на батерия от лейденски буркани трябва да се представя „не като просто движение на електричество в една посока, а като движението му напред-назад между двете плочи, като вибрации които намаляват все повече и повече, докато цялата им жива сила не бъде унищожена от сбора на съпротивите."

У. Томсън през 1853 г. изследва разряда на проводник с даден капацитет през проводник с дадена форма и съпротивление. Прилагайки закона за запазване на енергията към процеса на разреждане, той извежда уравнението на процеса на разреждане в следната форма:

където q е количеството електричество върху разредения проводник в даден момент t, C е капацитетът на проводника, k е галваничното съпротивление на отводителя, A е "константа, която може да се нарече електродинамичен капацитет на отводителя" и който сега наричаме коефициент на самоиндукция или индуктивност. Томсън, анализирайки решението на това уравнение за различни корени на характеристичното уравнение, открива, че когато количеството

има реална стойност (1 / CA> 4 * (k / A) 2), тогава решението показва, че „че главният проводник губи заряда си, зарежда се с по-малко електричество от противоположен знак, отново се разрежда, отново се оказва да бъдат заредени с още по-малко електричество от първоначалния знак и това явление се повтаря безкраен брой пъти, докато се установи равновесие." Цикличната честота на тези затихващи трептения е:

По този начин периодът на трептене може да бъде представен с формулата:

За малки стойности на съпротивлението получаваме добре познатата формула на Томсън:

Електромагнитните трептения са експериментално изследвани от W. Feddersen (1832-1918), който изследва изображението на искров разряд на Leyden буркан във въртящо се огледало, фотографирайки тези изображения, Федерсен установява, че „в електрическа искра протичат алтернативно противоположни токове“ и че времето на едно трептене „нараства до степен, в която се увеличава квадратният корен от електрифицираната повърхност, „тоест периодът на трептене е пропорционален на квадратния корен от капацитета, както следва от формулата на Томсън. Нищо чудно, че Томсън, препубликувайки през 1882 г. работата си „За преходните електрически токове“, обсъдена по-горе, й предостави бележка от 11 август 1882 г.: отличното фотографско изследване на Федерсен на електрическата искра. Томсън по-нататък посочва, че неговата теория „е била подложена на много важно и забележително извършено експериментално изследване в лабораторията на Хелмхолц в Берлин“, позовавайки се на работата на NN Шилер през 1874 г. „Някои експериментални изследвания на електрическите трептения“. Томсън отбелязва, че наред с други „значими резултати“ от това изследване, „специфичните индуктивни капацитети (т.е. диелектрични константи) на определени твърди изолационни вещества са определени от измервания на периодите на наблюдаваните трептения“.

Така до началото на изследванията на Херц електрическите трептения са били изследвани както теоретично, така и експериментално. Херц, със своето силно внимание към този въпрос, работещ в най-високото техническо училищев Карлсруе, откри в изследването по физика двойка индукционни намотки, предназначени за демонстрации на лекции. „Бях изумен“, пише той, „че, за да се генерират искри в една намотка, не е било необходимо да се разреждат големи батерии през друга и освен това, че малките лейденски банки и дори разрядите на малък индукционен апарат са достатъчни за това , ако само разрядът проби искровата междина.” Експериментирайки с тези намотки, Херц идва с идеята за първия си експеримент;

Експерименталната настройка и самите експерименти са описани от Херц в статия, публикувана през 1887 г. „За много бързи електрически трептения“. Херц описва тук начин за генериране на трептения „около сто пъти по-бързо от тези, наблюдавани от Федерсен“. „Периодът на тези флуктуации“, пише Херц, „определен, разбира се, само с помощта на теорията, се измерва в сто милионни части от секундата. Следователно, по отношение на продължителността, те заемат средно място между звуковите вибрации на тежките тела и светлинните вибрации на етера." Тази работа обаче не говори за никакви електромагнитни вълни с дължина около 3 m. Всичко, което той направи, беше да конструира генератор и приемник на електрически трептения, изучавайки индуктивния ефект на осцилаторния кръг на генератора върху осцилаторния кръг на приемника на максимално разстояние от 3 m между тях.

Осцилаторната верига в крайния експеримент се състоеше от проводници C и C1, разположени на разстояние 3 m един от друг, свързани с медна жица, в средата на която имаше разрядник за индукционна намотка. Приемникът беше с правоъгълен контур със страни 80 и 120 см, с искрова междина в една от късите страни. Индуктивният ефект на генератора върху приемника беше открит от слаба искра в този процеп.

Ориз. 43. Опитът на Херц

Тогава Херц направи приемна верига под формата на две топки с диаметър 10 см, свързани с медна жица, в средата на която имаше искрова междина. Описвайки резултатите от експеримента, Херц заключи: „Мисля, че тук за първи път беше показано експериментално взаимодействието на праволинейни отворени токове, имащи такива голямо значениеза теория". Всъщност, както знаем, именно отворените вериги позволиха избора между конкуриращи се теории. Въпреки това, Херц не говори за максуелски електромагнитни вълни нито в тази първа работа, нито в трите последващи, той все още не ги вижда. Дотук той говори за "взаимодействието" на проводниците и изчислява това взаимодействие според теорията на далечното действие. Проводниците, с които работи Херц тук, са навлезли в науката под името вибратор и резонатор на Херц.Проводникът се нарича резонатор, защото най-силно се възбужда от вибрации, които резонират със собствените му вибрации.

В следващия труд „За влиянието на ултравиолетовата светлина върху електрически разряд“, който влезе в „Протоколите на Берлинската академия на науките“ на 9 юни 1887 г., Херц описва важно явление, открито от него и по-късно наречено фотоелектричен ефект . Това забележително откритие е направено поради несъвършенството на метода на Херц за откриване на трептения: възбудените в приемника искри са толкова слаби, че Херц решава да постави приемника в тъмен корпус, за да улесни наблюдението. Оказа се обаче, че максималната дължина на искрата в този случай е много по-къса, отколкото при отворена верига. Последователно премахвайки стените на кутията, Херц забеляза, че стената, обърната към искрата на генератора, има интерфериращ ефект. Изучавайки задълбочено това явление, Херц открива причината, която улеснява искрата на приемника - ултравиолетовото сияние на искрата на генератора. Така чисто случайно, както пише самият Херц, се открива важен факт, който няма пряко отношение към целта на изследването. Този факт веднага привлече вниманието на редица изследователи, включително професорът от Московския университет А. Г. Столетов, който особено внимателно проучи нов ефект, който той нарече актиноелектричен.

Hertz вибратор опит

А. Г. Столетов. Александър Григориевич Столетов е роден на 10 август 1839 г. във Владимир в търговско семейство. След като завършва Владимирската гимназия, Столетов постъпва във Физико-математическия факултет на Московския университет и е оставен там, за да се подготви за преподаване. От 1862 до 1865 г. Столетов е в командировка в чужбина, по време на която се запознава с видни немски учени Кирхоф, Магнус и др. През 1866 г. Столетов става университетски преподавател и преподава курс по математическа физика. През 1869 г. защитава магистърска теза „Общият проблем за електростатиката и нейното свеждане до най-простия случай”, след което е одобрен от доцента на университета.

След като защитава докторската си дисертация "Изследване на функцията на намагнитване на мекото желязо" през 1872 г., Столетов е одобрен за изключителен професор в Московския университет и организира лаборатория по физика, която обучава много руски физици. В тази лаборатория Столетов - започва своите актиноелектрични изследвания през 1888 г. ( За повече информация относно лабораторията на A. G. Stoletov вижте VKN Teplyakov GM, Kudryavtsev P. S. Alexander G. Stoletov. - М. - Образование, 1966)

Херц, в статията си за ефекта на ултравиолетовата светлина върху електрическия разряд, посочва способността на ултравиолетовото лъчение да увеличава искровата междина на междина на индуктора и подобни отводители. „Условията, при които проявява своето действие в такива разряди, разбира се, са много сложни и би било желателно да се изследва действието в по-прости условия, по-специално чрез елиминиране на индукцията“, пише Херц. В бележка той посочи, че не е в състояние да намери условия, които биха могли да заменят „толкова малко разбрания процес на искра с по-просто действие“. За първи път само Г. Галвачс (1859-1922) успява да направи това. Но Галвакс, Видеман и Еберт изучават, подобно на Херц, ефекта на светлината върху електрическите разряди с високо напрежение.

Столетов решава да проучи „дали подобен ефект ще се получи с електричество със слаби потенциали“. Посочвайки предимствата на този метод, Столетов продължи: „Опитът ми беше успешен отвъд очакванията. Първите експерименти започват около 20 февруари 1888 г. и продължават непрекъснато... до 21 юни 1888 г. Наричайки изследваното явление актиноелектрическо, Столетов съобщава, че е продължил опитите през втората половина на 1888 г. и през 1889 г. и все още не ги смята за завършени.

За да получи фотоелектричния ефект (термин, който измести термина на Столетов), Столетов използва инсталация, която е прототипът на съвременните фотоклетки. Два метални диска (Столетов ги наричаше сега "арматури", сега "електроди") - единият от метална мрежа, а другият твърд - свързани към полюсите на галванична батерия чрез галванометър, образувайки кондензатор, свързан към веригата на акумулатора . Пред мрежестия диск е поставена дъгова лампа, чиято светлина, преминавайки през мрежата, пада върху металния диск.

„Вече предварителните експерименти... ме убедиха, че не само батерия от 100 клетки..., но и много по-малка дава несъмнен ток в галванометъра по време на осветяването на дисковете, ако само твърдият (задният) диск е свързан към отрицателния му полюс, а мрежата (предна) - положителна.

Феноменът на фотоелектричния ток беше възпроизведен толкова просто и чисто. Именно Столетов извади това явление от объркването на сложните отношения на електрическия разряд, изобрети прост дизайн на първата фотоклетка и по този начин положи основата за плодотворно изследване на фотоелектричния ефект. Столетов за първи път ясно и ясно показа еднополярността на ефекта: „От самото начало на моето изследване аз категорично настоявах за съвършената еднополярност на актиноелектричното действие, тоест за нечувствителността на положителните заряди към лъчите“. Той също така доказа безинерционността на действието: „Актиноелектричният ток моментално (практически казано) спира, щом лъчите се забавят от екрана“; показа, че фотоелектричният ефект е свързан "с поглъщането на активни лъчи" от осветения електрод: "Лъчите трябва да се абсорбират от отрицателно заредена повърхност. Очевидно е важно абсорбирането в най-тънкия горен слой на електрода, в слоя, където, така да се каже, седи електрическият заряд.

Изследвайки времето, изминало от осветяването на електрода до появата на фототока (беше много трудно и не много надеждно), Столетов установи, че това време „е много незначително, с други думи, действието на лъчите може да се разглежда, практически погледнато , моментално." "Практически казано, токът се появява и изчезва едновременно с осветяването." Столетов установи също, че зависимостта на фототока от напрежението не е линейна; "Токът е приблизително пропорционален на електродвижещата сила само при най-малките стойности. До последно и след това, като се увеличава, въпреки че също расте, но все по-бавно."

Така Столетов задълбочено и задълбочено изследва фотоелектричния ефект. Той ясно видя същността на явлението, но преди откриването на електроните, той, естествено, все още не можеше да разкрие истинската му същност: изтръгването на електрони от светлина. Още по-удивително е, че още в първия параграф на заключенията си той пише: „Лъчите на волтова дъга, падайки върху повърхността на отрицателно заредено тяло, отвеждат заряд от него.“

Името на Столетов с право е един от пионерите на фотоелектричния ефект.

През 1890 г. Столетов продължава изследванията си. Резултатите от нови изследвания са публикувани в статията "Актиноелектрични явления в разредени газове". Тук Столетов изследва ролята на налягането на газа във фотоклетка. Той установи, че с намаляване на налягането на газа токът нараства отначало бавно, след това по-бързо, достигайки максимум при определено налягане, което Столетов нарече критично и означен с RT. След достигане на критичното налягане токът спада, приближавайки се до крайната граница. Столетов открива закон, свързващ критичното налягане със заряда на кондензатора. "Критичното налягане е пропорционално на заряда на кондензатора, с други думи, - ^ L- = const". Този закон влезе във физиката на газовия разряд под името на закона на Столетов.

Актиноелектричните изследвания бяха последвани от статиите на Столетов за критично състояние, разгледани по-горе.

В резултат на изучаването на тази глава ученикът трябва:

зная

• емпирични и теоретични основи на теорията на електромагнитното поле;
• историята на създаването на теорията на електромагнитното поле, историята на откриването на налягането на светлината и електромагнитните вълни;
• физическата същност на уравненията на Максуел (в интегрална и диференциална форма);
• основните етапи от биографията на Джей Си Максуел;
• основните направления на развитие на електродинамиката след J.C. Maxwell;
• Постиженията на J.C. Maxwell в молекулярна физикаи термодинамика;

да може

• оценява ролята на Максуел в развитието на теорията за електричеството и магнетизма, основното значение на уравненията на Максуел, мястото на книгата "Трактат за електричеството и магнетизма" в историята на науката, исторически преживяванияГ. Херц и П. Н. Лебедев;
• да обсъдят биографиите на най-големите учени, работили в областта на електромагнетизма;

собствен

Умения за работа с основните понятия от теорията на електромагнитното поле.

Ключови термини:електромагнитно поле, уравнения на Максуел, електромагнитни вълни, светлинно налягане.

Откритията на Фарадей революционизираха науката за електричеството. С леката му ръка електричеството започна да завладява нови позиции в технологиите. Електромагнитният телеграф започна да работи. В началото на 70-те години. През 19 век той вече свързва Европа със САЩ, Индия и Южна Америка, появяват се първите генератори на електрически ток и електрически двигатели, електричеството започва да се използва широко в химията. Електромагнитните процеси навлизаха все по-дълбоко в науката. Настъпи ерата, когато електромагнитната картина на света беше готова да замени механичната. Необходим беше гениален човек, който, подобно на Нютон по негово време, можеше да съчетае натрупаните по това време факти и знания и въз основа на тях да създаде нова теория, описваща основите на новия свят. Джей Си Максуел стана такъв човек.

Джеймс Клерк Максуел(Фиг. 10.1) е роден през 1831 г. Баща му, Джон Клерк Максуел, очевидно е изключителен човек. Професия адвокат, той все пак посвещава значително време на други, по-интересни за него неща: пътува, проектира машини, прави физически експерименти и дори публикува няколко научни статии. Когато Максуел е на 10 години, баща му го изпраща да учи в Единбургската академия, където прекарва шест години - докато влезе в университета. На 14-годишна възраст Максуел написва първата си научна статия за геометрията на овалните криви. Резюме от него е публикувано в Proceedings of the Royal Society of Edinburgh, 1846.

През 1847 г. Максуел постъпва в университета в Единбург, където започва да изучава задълбочено математика. По това време още двама научна работанадарени студенти бяха публикувани в Proceedings of the Royal Society of Edinburgh. Професор Келанд запозна обществото със съдържанието на една от тях (за кривите на търкаляне), другата (за еластичните свойства на твърдите тела) е представена за първи път от самия автор.

През 1850 г. Максуел продължава образованието си в Peterhouse - St. Peter's College, Cambridge University, а оттам се премества в колежа на Светата Троица - Trinity College, който дава на света И. Нютон, а по-късно В. В. Набоков, Б. Ръсел , и др.. През 1854 г. г-н Максуел полага изпита и получава бакалавърска степен. След това е оставен в Тринити Колидж като учител. Той обаче се занимаваше повече с научни проблеми. В Кеймбридж Максуел започва да изучава цветовете и цветното зрение. През 1852 г. той стига до извода, че смесването на спектрални цветове не съвпада със смесването на цветовете. Максуел разработва теория за цветното зрение, конструира цветен въртящ се върх (фиг. 10.2).

Ориз. 10.1.

Ориз. 10.2.

В допълнение към старите си хобита – геометрията и проблема с цветовете, Максуел се интересува и от електричеството. През 1854 г., 20 февруари, той пише писмо от Кеймбридж до Глазгоу У. Томсън. Ето началото на това известно писмо:

Скъпи Томсън! Сега, когато влязох в класа на лошия ерген, започнах да мисля за четене. Много е приятно понякога да съм сред заслужено признатите книги, които все още не съм чел, но трябва да прочета. Но имаме силно желание да се върнем физически обектии някои от нас тук искат да атакуват електричеството."

След като завършва обучението си, Максуел става член на Тринити Колидж, Кеймбриджския университет, а през 1855 г. става член на Кралското общество на Единбург. Скоро обаче напуска Кеймбридж и се завръща в родната си Шотландия. Професор Форбс го информира, че в Абърдийн, в колежа на Маришал, се е отворило свободно място за професор по физика и той има всички шансове да го вземе. Максуел приема предложението и през април 1856 г. (на 24-годишна възраст!) заема нова позиция. В Абърдийн Максуел продължава да работи по проблемите на електродинамиката. През 1857 г. той изпраща на М. Фарадей своя труд „За силовите линии на Фарадей“.

Сред другите творби на Максуел в Абърдийн, работата му върху стабилността на пръстените на Сатурн е широко известна. От изучаването на механиката на пръстените на Сатурн беше напълно естествено да преминем към разглеждане на движенията на газовите молекули. През 1859 г. Максуел говори на среща на Британската асоциация за напредък на науките с доклад „За динамичната теория на газовете“. Този доклад бележи началото на неговите ползотворни изследвания в кинетичната теория на газовете и статистическата физика.

През 1860 г. Максуел приема покана от Кралския колеж в Лондон и работи там пет години като професор. Той не беше брилянтен лектор и не обичаше особено да чете лекции. Следователно последвалата пауза в преподаването беше по-желана, отколкото досадна за него и му позволи напълно да се потопи в решаването на завладяващи проблеми на теоретичната физика.

Според А. Айнщайн, Фарадей и Максуел играят същите роли в науката за електричеството, които Галилей и Нютон играят в механиката. Точно както Нютон даде на откритите от Галилей механични ефекти математическа форма и физическа основа, така Максуел го направи във връзка с откритията на Фарадей. Максуел дава на идеите на Фарадей строга математическа форма, въвежда термина "електромагнитно поле", формулира математически закони, описващи това поле. Галилей и Нютон положиха основите на механична картина на света, Фарадей и Максуел - електромагнитна.

Максуел започва да размишлява върху идеите си за електромагнетизма през 1857 г., когато е написана вече споменатата статия „За силовите линии на Фарадей“. Тук той използва широко хидродинамични и механични аналогии. Това позволи на Максуел да приложи математическия апарат на ирландския математик У. Хамилтън и по този начин да изрази електродинамичните отношения на математически език. По-късно хидродинамичните аналогии бяха заменени от методите на теорията на еластичността: понятията за деформация, налягане, вихри и др. Изхождайки от това, Максуел стига до уравненията на полето, които на този етап все още не са сведени до единна система. Изучавайки диелектриците, Максуел изразява идеята за "ток на изместване", както и, по все още неясен начин, идеята за връзката между светлината и електромагнитното поле ("електротонично състояние") във формулировката на Фарадей, която След това Максуел използва.

Тези идеи са изложени в статиите "За физическите линии на силите" (1861-1862). Те са написани през най-плодотворния лондонски период (1860-1865). В същото време са публикувани известните статии на Максуел "Динамичната теория на електромагнитното поле" (1864-1865), където се изразяват мисли за единната природа на електромагнитните вълни.

От 1866 до 1871 г. Максуел живее в семейното си имение Мидълби, като от време на време отива в Кеймбридж за изпити. Занимаван с икономически въпроси, Максуел не напуска научните си изследвания. Работи усилено върху основното произведение на живота си "Трактат за електричеството и магнетизма", пише книгата "Теория на топлината", редица статии по кинетичната теория на газовете.

През 1871 г. се случи важно събитие. За сметка на потомците на Г. Кавендиш се създава Катедрата по експериментална физика в Кеймбридж и започва изграждането на експериментална лабораторна сграда, която в историята на физиката е известна като Кавендиш лаборатория (фиг. 10.3). Максуел е поканен да стане първият професор на катедрата и да оглави лабораторията. През октомври 1871 г. той изнесе встъпителна лекция за насоките и значението на експерименталните изследвания в университетското образование. Тази лекция се превърна в учебна програма за преподаване на експериментална физика за много години напред. На 16 юни 1874 г. е открита Кавендишката лаборатория.

Оттогава лабораторията се превърна в център на световната физическа наука в продължение на много десетилетия, същото е и сега. За повече от сто години хиляди учени са преминали през него, включително много от онези, които са направили славата на световната физическа наука. След Максуел много изтъкнати учени са начело на Кавендишката лаборатория: J.J. Thomson, E. Rutherford, L. Bragg, N.F. Mott, A.B. Pippard и др.

Ориз. 10.3.

След излизането на "Трактат за електричеството и магнетизма", в който е формулирана теорията на електромагнитното поле, Максуел решава да напише книга "Електричество в елементарна презентация", за да популяризира и разпространява идеите си. Максуел работеше по книгата, но здравето му се влошаваше. Той умира на 5 ноември 1879 г., така и не е свидетел на триумфа на своята теория.

Нека се спрем на творческото наследство на учения. Максуел остави дълбока следа във всички области на физиката. Не без причина редица физични теории носят неговото име. Той предложи термодинамичен парадокс, който преследва физиците в продължение на много години - "демонът на Максуел". В кинетичната теория той въвежда понятията, известни като: "разпределение на Максуел" и "статистика на Максуел-Болцман". Той също така е написал изящно изследване на стабилността на пръстените на Сатурн. Освен това Максуел създава много малки научни шедьоври в различни области – от първата цветна фотография в света до разработването на начин за радикално премахване на мастните петна от дрехите.

Да преминем към дискусията теория на електромагнитното поле- квинтесенцията на научното творчество на Максуел.

Прави впечатление, че Джеймс Клерк Максуел е роден през същата година, когато Майкъл Фарадей открива феномена на електромагнитната индукция. Максуел е особено впечатлен от книгата на Фарадей „ Експериментални изследванияна електричество“.

По времето на Максуел имаше двама алтернативни теорииелектричество: теорията за "силовите линии" Фарадей и теорията, разработена от френските учени Кулон, Ампер, Био, Савард, Араго и Лаплас. Началната позиция на последния е концепцията за действие на далечни разстояния - моментално прехвърляне на взаимодействие от едно тяло на друго без помощта на каквато и да е междинна среда. Реалистично мислещият Фарадей не можеше да се примири с подобна теория. Той беше абсолютно убеден, че „материята не може да действа там, където я няма”. Средата, през която се предава ударът, Фарадей нарича „поле“. Според него полето е проникнато с магнитни и електрически „силови линии“.

През 1857 г. статията на Максуел „За силовите линии на Фарадей“ се появява в Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. Той заложи цялата програма за изследвания на електричеството. Имайте предвид, че в тази статия уравненията на Максуел вече бяха написани, но досега без тока на изместване. Статията „По силовите линии на Фарадей“ изискваше продължение. Електрохидравличните аналогии дадоха много. С тяхна помощ бяха написани полезни диференциални уравнения. Но не всичко беше подчинено на електрохидравлични аналогии. Най-важният закон за електромагнитната индукция по никакъв начин не се вписваше в тяхната рамка. Беше необходимо да се измисли нов спомагателен механизъм, който да улесни разбирането на процеса, отразяващ както транслационното движение на токове, така и ротационната, вихрова природа на магнитното поле.

Максуел предложи специална среда, в която вихрите са толкова малки, че се вписват вътре в молекулите. Въртящите се "молекулярни вихри" произвеждат магнитно поле. Посоката на осите на вихрите на молекулите съвпада с техните силови линии, а самите те могат да бъдат представени като тънки въртящи се цилиндри. Но външните, контактуващи части на вихрите трябва да се движат в противоположни посоки, т.е. възпрепятстват взаимното движение. Как можете да осигурите въртене на две съседни предавки в една и съща посока? Максуел предполага, че между редиците от молекулярни вихри има слой от малки сферични частици („неактивни колела“), способни да се въртят. Сега вихрите могат да се въртят в една посока и да взаимодействат един с друг.

Максуел също започва да изучава поведението на своя механичен модел в случая на проводници и диелектрици и стига до извода, че електрически явления могат да се появят и в среда, която предотвратява преминаването на ток – в диелектрик. Нека "колелата на празен ход" не могат да се движат транслационно в тези среди под действието на електрическото поле, но когато електрическото поле се приложи и премахне, те се изместват от своите позиции. Отне много научна смелост на Максуел, за да идентифицира това изместване на свързаните заряди с електрически ток. В крайна сметка този ток - ток на отклонение- все още никой не е гледал. След това Максуел неизбежно трябваше да направи следващата стъпка – да признае, че този ток има способността да създава свое собствено магнитно поле.

Така механичният модел на Максуел направи възможно да се направи следващ изход: промяна в електрическото поле води до появата на магнитно поле, т.е. до явление, противоположно на Фарадей, когато промяната в магнитното поле води до появата на електрическо поле.

Следващата статия на Максуел за електричеството и магнетизма е „За физическите силови линии“. Електрическите явления изискваха твърд като стоманен етер за своето обяснение. Максуел неочаквано се озовава в ролята на О. Френел, който е принуден да „измисли” своя „оптичен” етер, твърд като стомана и пропусклив като въздух, за да обясни поляризационните явления. Максуел отбелязва сходството на две среди: "светеща" и "електрическа". Той постепенно се приближава до своето голямо откритие за "единната природа" на светлината и електромагнитните вълни.

В следващата статия - "Динамична теория на електромагнитното поле" - Максуел за първи път използва термина "електромагнитно поле". „Теорията, която предлагам, може да се нарече теория на електромагнитното поле, тъй като се занимава с пространството около електрически или магнитни тела, а също така може да се нарече динамична теория, защото предполага, че в това пространство има материя, която е в движение, с помощта на което се произвеждат наблюдаваните електромагнитни явления”.

Когато Максуел изведе своите уравнения в „Динамичната теория на електромагнитното поле“, едно от тях изглежда свидетелства точно за това, за което говори Фарадей: магнитните влияния наистина се разпространяват под формата на напречни вълни. Тогава Максуел не забеляза, че от неговите уравнения следва повече: заедно с магнитния ефект, електрическото смущение се разпространява във всички посоки. Електромагнитна вълна в пълния смисъл на думата, включваща както електрически, така и магнитни смущения, се появява в Максуел по-късно, вече в Мидълби, през 1868 г., в статията „За метода за директно сравнение на електростатичната сила с електромагнитната сила с коментар към електромагнитната теория на светлината"...

В Мидълби Максуел завършва основното произведение на живота си – „Трактат за електричеството и магнетизма“, публикуван за първи път през 1873 г. и впоследствие преиздаван няколко пъти. Съдържанието на тази книга, разбира се, бяха предимно статии за електромагнетизма. „Трактатът“ систематично дава основите на векторното смятане. След това следват четири части: електростатика, електрокинематика, магнетизъм, електромагнетизъм.

Имайте предвид, че изследователският метод на Максуел се различава рязко от методите на други изследователи. Не само всеки математическа стойност, но всяка математическа операция е надарена с дълбоко физическо значение. В същото време на всяка физическа величина съответства ясна математическа характеристика. Една от главите на "Трактат" се нарича "Основни уравнения на електромагнитното поле". Ето основните уравнения на електромагнитното поле от този трактат. Така, с помощта на векторно смятане, Максуел направи по-просто това, което беше направил по-рано с помощта на механични модели - изведе уравненията на електромагнитното поле.

Помислете за физическото значение на уравненията на Максуел. Първото уравнение казва, че токове и променящо се във времето електрическо поле са източниците на магнитното поле. Гениалното предположение на Максуел е, че той въвежда фундаментално ново понятие - ток на изместване - като отделен термин в обобщения закон на Ампер-Максуел:

където н- вектор на силата на магнитното поле; j- векторът на плътността на електрическия ток, към който е добавен токът на изместване от Максуел; д- вектор на електрическата индукция; c - някаква константа.

Това уравнение изразява магнитоелектричната индукция, открита от Максуел и базирана на концепцията за токове на изместване.

Друга идея, която веднага спечели признанието на Максуел, беше идеята на Фарадей за естеството на електромагнитната индукция - появата на индукционен ток във веригата, броят на магнитните силови линии, в които се променя или поради относителното движение на веригата и магнит, или поради промяна в магнитното поле. Максуел написа следното уравнение:

където Йо- вектора на силата на електрическото поле; V- век-

тор на силата на магнитното поле и съответно: - -

промяна на магнитното поле във времето, s - някаква константа.

Това уравнение отразява закона на Фарадей за електромагнитната индукция.

Необходимо е да се вземе предвид още едно важно свойство на векторите на електрическата и магнитната индукция Йои B. Докато електрическите линии на сила започват и завършват върху заряди, които са източници на полето, силовите линии на магнитното поле са затворени върху себе си.

В математиката за обозначаване на характеристиките на векторно поле се използва операторът "дивергенция" (диференциране на потока на полето) - div. Възползвайки се от това, Максуел добавя още две уравнения към двете съществуващи уравнения:

където p е плътността на електрическите заряди.

Третото уравнение на Максуел изразява закона за запазване на количеството електричество, четвъртото - вихровият характер на магнитното поле (или отсъствието на магнитни заряди в природата).

Векторите на електрическата и магнитната индукция и векторите на силите на електрическото и магнитното поле, включени в разглежданите уравнения, са свързани с прости отношения и могат да бъдат записани под формата на следните уравнения:

където e е диелектричната константа; p е магнитната проницаемост на средата.

Освен това можете да запишете още една връзка, свързваща вектора на напрежението Йои специфична проводимост y:

За да се представи пълната система от уравненията на Максуел, е необходимо да се напишат повече гранични условия. Тези условия трябва да бъдат задоволени от електромагнитното поле на интерфейса между двете среди.

където О- повърхностна плътност на електрическите заряди; i е повърхностната плътност на тока на проводимост в разглеждания интерфейс. В частния случай, когато няма повърхностни течения, последното условие се превръща в:

Така Дж. Максуел стига до дефиницията на електромагнитното поле като вид материя, изразявайки всичките му проявления под формата на система от уравнения. Обърнете внимание, че Максуел не е използвал векторна нотация и е записал своите уравнения в доста тромава форма на компонент. Съвременната форма на уравненията на Максуел се появява около 1884 г. след трудовете на О. Хевисайд и Х. Херц.

Уравненията на Максуел са едно от най-големите постижения не само във физиката, но и в цивилизацията като цяло. Те съчетават строгата последователност, характерна за естествени науки, красота и пропорция, което отличава изкуството и хуманитарни науки... Уравненията отразяват естеството на природните явления възможно най-точно. Потенциалът на уравненията на Максуел далеч не е изчерпан, на тяхна основа има все повече нови произведения, обяснения най-новите откритияв различни области на физиката – от свръхпроводимост до астрофизика. Системата от уравнения на Максуел е в основата на съвременната физика и досега няма нито един експериментален факт, който да противоречи на тези уравнения. Познаването на уравненията на Максуел, поне за тяхната физическа същност, е задължително за всеки образован човек, а не само за физик.

Уравненията на Максуел са предшествениците на новата некласическа физика. Въпреки че самият Максуел, според научните си убеждения, е бил „класически“ човек до основи, уравненията, които е написал, принадлежат на друга наука, различна от тази, която е била известна и близка на учения. Това се доказва най-малкото от факта, че уравненията на Максуел са неинвариантни спрямо галилеевите трансформации, но са инвариантни спрямо трансформациите на Лоренц, които от своя страна са в основата на релативистката физика.

Въз основа на получените уравнения Максуел решава конкретни задачи: определя се коефициентите на електрическа пропускливост на редица диелектрици, изчисляват се коефициентите на самоиндукция, взаимна индукция на бобини и др.

Уравненията на Максуел позволяват да се направят редица важни изводи. Може би основният е - съществуването на напречни електромагнитни вълни, разпространяващи се със скорост c.

Максуел открива, че неизвестният брой c е приблизително равен на съотношението на електромагнитните и електростатичните единици заряд, което е около 300 000 километра в секунда. Убеден в универсалността на своите уравнения, той показва, че „светлината е електромагнитно смущение“. Признаването на крайната, макар и много висока скорост на разпространение на електромагнитното поле камък върху камък не остави привържениците на „моментално действие на разстояние“ от теориите.

Най-важното следствие от електромагнитната теория на светлината е предсказаното от Максуел лек натиск.Той успя да изчисли това при ясно време слънчева светлинапогълнат от самолета в едно квадратен метър, дава 123,1 килограма енергия в секунда. Това означава, че той притиска тази повърхност в посока на падането си със сила от 0,41 милиграма. Така теорията на Максуел беше засилена или рухнала в зависимост от резултатите от експерименти, които все още не са били проведени. Има ли електромагнитни вълни в природата със свойства, подобни на светлината? Има ли лек натиск? След смъртта на Максуел Хайнрих Херц отговаря на първия въпрос, а Петър Николаевич Лебедев отговаря на втория.

Дж. К. Максуел е гигантска фигура във физическите науки и като личност. В паметта на хората Максуел ще живее, докато съществува човечеството. Името на Максуел е увековечено в името на кратер на Луната. Най-високите планини на Венера са кръстени на великия учен (Максуелските планини). Те се издигат с 11,5 км над средното ниво на повърхността. Също така неговото име носи най-големият телескоп в света, който може да работи в субмилиметровия диапазон (0,3-2 мм) - телескопът на име Джей Си Максуел (JCMT). Намира се на Хавайските острови (САЩ), във високопланинските райони на Мауна Кеа (4200 м). 15-метровото главно огледало на телескопа JCMT е съставено от 276 отделни алуминиеви части, които прилягат плътно една към друга. Телескопът на Максуел се използва за изследване Слънчева система, междузвезден прахи газ, както и далечни галактики.

След Максуел електродинамиката стана коренно различна. Как се разви? Нека отбележим най-важната посока на развитие - експериментално потвърждение на основните положения на теорията. Но самата теория също изискваше известна интерпретация. В тази връзка е необходимо да се отбележат заслугите на руския учен Николай Алексеевич Умов,който ръководи катедрата по физика в Московския университет от 1896 до 1911 г.

Николай Алексеевич Умов (1846-1915) - руски физик, роден в Симбирск (днес Уляновск), завършва Московския университет. Преподава в Новоросийския университет (Одеса), а след това в Московския университет, където от 1896 г., след смъртта на А. Г. Столетов, ръководи катедрата по физика.

Работите на Умов са посветени на различни проблеми на физиката. Основното е създаването на учението за движението на енергията (вектора на Умов), което той очертава през 1874 г. в докторската си дисертация. Умов бей е надарен с висока гражданска отговорност. Заедно с други професори (V.I. Vernadsky, K.A.Timiryazev,

Н. Д. Зелински, П. Н. Лебедев), той напуска Московския университет през 1911 г. в знак на протест срещу действията на реакционния министър на образованието Л. А. Касо.

Умов беше активен популяризатор на науката, популяризатор научно познание... Той на практика е първият физик, който разбира необходимостта от сериозни и целенасочени изследвания на методите на обучение по физика. Повечето от учените-методисти от по-старото поколение са негови ученици и последователи.

Основната заслуга на Умов е развитие на доктрината за движението на енергията.През 1874 г. получава общ изразза вектора на плътността на енергийния поток, приложен към еластични среди и вискозни течности (вектор Umov). 11 години по-късно английски учен Джон Хенри Пойнтинг(1852-1914) направи същото за потока от електромагнитна енергия. Така се появи добре познатата теория на електромагнетизма Вектор на Умов - Пойнтинг.

Пойнтинг беше един от онези учени, които веднага приеха теорията на Максуел. Не може да се каже, че е имало достатъчно такива учени, което самият Максуел е разбрал. Теорията на Максуел не беше разбрана веднага дори в създадената от него лаборатория Кавендиш. Въпреки това, с появата на теорията за електромагнетизма, познанието за природата се издигна на качествено ново ниво, което, както винаги се случва, все повече ни отдалечава от преките сетивни идеи. Това е нормален, естествен процес, който съпътства цялото развитие на физиката. Историята на физиката дава много примери за това. Достатъчно е да запомните разпоредбите квантова механика, специална теорияотносителността, други съвременни теории. По същия начин електромагнитното поле по времето на Максуел беше трудно достъпно за разбирането на хората, включително научната среда, и още повече, че не беше достъпно за тяхното сетивно възприятие. Въпреки това, след експерименталната работа на Hertz, се появиха идеи за създаване на безжична комуникация с помощта на електромагнитни вълни, което завърши с изобретяването на радиото. По този начин появата и развитието на радиокомуникационната технология превърна електромагнитното поле в концепция, позната и позната на всички.

Решаваща роля в победата на теорията на Максуел за електромагнитното поле изигра немски физик Хайнрих Рудолф Херц.Интересът на Херц към електродинамиката е стимулиран от Г. Л. Хелмхолц, който, считайки за необходимо да се "рационализира" тази област на физиката, предлага на Херц да се занимава с процеси в отворени електрически вериги. Първоначално Херц изоставя темата, но след това, докато работи в Карлсруе, открива там устройства, които могат да се използват за подобни изследвания. Това предопредели избора му, особено след като самият Херц, познавайки добре теорията на Максуел, беше напълно подготвен за подобни изследвания.

Хайнрих Рудолф Херц (1857-1894) - немски физик, е роден през 1857 г. в Хамбург в семейството на адвокат. Учи в Мюнхенския университет, а след това в Берлин при Х. Хелмхолц. От 1885 г. Херц работи във Висшето техническо училище в Карлсруе, където започва изследванията си, довели до откриването на електромагнитните вълни. Те са продължени през 1890 г. в Бон, където Херц се мести, заменяйки Р. Клаузиус като професор по експериментална физика. Тук той продължава да изучава електродинамика, но постепенно интересите му се изместват към механиката. Херц умира на 1 януари 1894 г. в разцвета на таланта си на 36-годишна възраст.

В началото на работата на Херц електрическите трептения вече са били проучени в някои подробности. Уилям Томсън (лорд Келвин) получи израз, който сега е известен на всеки ученик:

където T- период на електрически трептения; А- индуктивност, която Томсън нарече "електродинамичен капацитет" на проводника; C е капацитетът на кондензатора. Формулата е потвърдена в експерименти Беренда Вилхелм Федерсен(1832-1918), който изучава колебанията на искровия разряд на лейденския буркан.

В статията "За много бързи електрически трептения" (1887) Херц дава описание на своите експерименти. Тяхната същност е обяснена на фигура 10.4. В крайната си форма осцилаторната верига, използвана от Hertz, се състоеше от два CuC "проводника, разположени на разстояние около 3 m един от друг и свързани с медна жица, в средата на която имаше разрядник Vиндукционна намотка. Приемникът беше верига acdbс размери 80 х 120 см, с искрова междина Мв една от късите страни. Откриването се определя от наличието на слаба искра в искровата междина М.Проводниците, с които Херц експериментира, са, казано на съвременен език, антена с детектор. Сега те носят имена вибратори резонатор на Херц.

Ориз. 10.4.

Същността на получените резултати беше, че електрическата искра в искровата междина Vзапали искра в искровата междина М.Отначало Херц, обяснявайки експериментите, не говори за максуелови вълни. Той говори само за "взаимодействието на проводниците" и се опитва да търси обяснение в теорията на действието от разстояние. Провеждайки експерименти, Херц установява, че на малки разстояния естеството на разпространение на "електрическата сила" е подобно на полето на дипол, а след това намалява по-бавно и има ъглова зависимост. Сега бихме казали, че отводникът има анизотропна диаграма на посоката. Това, разбира се, коренно противоречи на теорията за действие от разстояние.

След като анализира резултатите от експериментите и провежда собствените си теоретични изследвания, Херц приема теорията на Максуел. Той стига до извода за съществуването на електромагнитни вълни, разпространяващи се с ограничена скорост. Сега уравненията на Максуел вече не са абстрактна математическа система и трябва да бъдат приведени в такава форма, че да е удобно да се използват.

Херц получава електромагнитните вълни, експериментално предсказани от теорията на Максуел, и, не по-малко важно, доказва тяхната идентичност със светлината. За да направите това, беше необходимо да се докаже, че с помощта на електромагнитни вълни е възможно да се наблюдават добре познатите ефекти на оптиката: пречупване и отражение, поляризация и т.н. Херц извършва тези изследвания, които изискват виртуозни експериментални умения: той провежда експерименти върху разпространението, отражението, пречупването, поляризацията на откритите от него електромагнитни вълни. Той изгражда огледала за експерименти с тези вълни (огледала на Херц), призма от асфалт и др. Огледалата на Hertz са показани на фиг. 10.5. Експериментите показват пълна идентичност на наблюдаваните ефекти с тези, които са били добре известни за светлинните вълни.

Ориз. 10.5.

През 1887 г., в своя труд „За въздействието на ултравиолетовата светлина върху електрически разряд“, Херц описва явление, което по-късно става известно като външен фотоелектричен ефект.Той установи, че когато високоволтовите електроди се облъчват с ултравиолетови лъчи, се получава разряд на по-голямо разстояниемежду електродите, отколкото без облъчване.

След това този ефект беше изчерпателно проучен от руски учен Александър Г. Столетов (1839-1896).

През 1889 г., на конгрес на немските естествоизпитатели и лекари, Херц чете лекция „За връзката между светлината и електричеството“, в която изразява мнение за огромното значение на теорията на Максуел, сега потвърдено от експерименти.

Експериментите на Херц нашумяха в научния свят. Те се повтаряха и варираха многократно. Един от тези, които направиха това беше Петър Николаевич Лебедев.Той получава най-късите електромагнитни вълни по това време и през 1895 г. прави експерименти с тях за двойно пречупване. В работата си Лебедев постави задачата постепенно да намали дължината на вълната на електромагнитното излъчване, за да ги затвори в крайна сметка с дълги инфрачервени вълни. Самият Лебедев не успя да направи това, но руските учени го направиха през 20-те години на миналия век. Александра Андреевна Глаголева-Аркадиева(1884-1945) и Мария Афанасиевна Левицкая (1883-1963).

Петър Николаевич Лебедев (1866-1912) - руски физик, роден през 1866 г. в Москва, завършва Страсбургския университет и през 1891 г. започва работа в Московския университет. Лебедев остана в историята на физиката като експериментален виртуоз, автор на изследвания, извършени със скромни средства на ръба на техническите възможности на онова време, както и основател на общопризната научна школа в Москва, откъдето известният Руските учени PP Лазарев, SI Вавилов, A.R. Colley и др.

Лебедев умира през 1912 г. малко след като заедно с други професори напуска Московския университет в знак на протест срещу действията на реакционния министър на образованието Л. А. Касо.

Въпреки това, основната заслуга на Лебедев към физиката е, че той експериментално измерва светлинното налягане, предвидено от теорията на Максуел. Лебедев посвещава целия си живот на изследването на този ефект: през 1899 г. е проведен експеримент, който доказва наличието на светлинен натиск върху твърдите тела (фиг. 10.6), а през 1907 г. - върху газовете. Работата на Лебедев за лек натиск става класическа, те са един от върховете на експеримента от края на 19 - началото на 20 век.

Експериментите на Лебедев върху лекото налягане му донесоха световна слава. В тази връзка У. Томсън каза: „Цял живот се борих с Максуел, без да разпознавам движението му на светлината, но... Лебедев ме накара да се предам на неговите експерименти“.

Ориз. 10.6.

Експериментите на Херц и Лебедев най-накрая потвърдиха приоритета на теорията на Максуел. Що се отнася до практиката, т.е. практическо приложение на законите на електромагнетизма, след това до началото на XX век. човечеството вече живее в свят, в който електричеството започва да играе огромна роля. Това беше улеснено от бурната изобретателска дейност в областта на приложение на електрически и магнитни явления, открити от физиците. Нека отбележим някои от тези изобретения.

Едно от първите приложения на електромагнетизма е открито в комуникационните технологии. Телеграфът съществува от 1831 г. През 1876 г. американски физик, изобретател и предприемач Александър Бел(1847-1922) изобретява телефона, който след това е подобрен от известния американски изобретател Томас Алва Едисон (1847-1931).

През 1892 г. английският физик Уилям Крукс(1832-1912) формулира принципите на радиокомуникацията. руски физик Александър Степанович Попов(1859-1906) и италиански учен Гул'елмо Маркони(1874-1937) всъщност едновременно ги прилага на практика. Обикновено възниква въпросът за приоритета на настоящото изобретение. Попов преди това демонстрира възможностите на създаденото от него устройство, но не го патентова, както направи Маркони. Последното определя традицията на Запад Маркони да се счита за „баща“ на радиото. Това беше улеснено от присъждането на Нобеловата награда за него през 1909 г. Попов най-вероятно също щеше да бъде сред лауреатите, но по това време той вече не беше между живите и Нобелова наградаприсъждани само на живи учени. Повече за историята на изобретяването на радиото ще бъде разказано в част VI на книгата.

Те се опитват да използват електрически феномени за осветление още през 18 век. (волтаична дъга), по-късно това устройство е подобрено Павел Николаевич Яблочков(1847-1894), който през 1876 г. изобретява първия практичен електрически източник на светлина (свещта на Яблочков)... Въпреки това, той не намери широко приложение, главно защото през 1879 г. Т. Едисън създава лампа с нажежаема жичка с достатъчно издръжлив дизайн и удобна за промишлено производство. Имайте предвид, че лампата с нажежаема жичка е изобретена през далечната 1872 г. от руски електроинженер Александър Николаевич Лодигин (1847- 1923).

Контролни въпроси

• 1. Какви изследвания е направил Максуел, докато е работил в Marishal College? Каква роля изигра Максуел в развитието на теорията за електричеството и магнетизма?
• 2. Кога е създадена лабораторията Кавендиш? Кой стана първият му директор?
• 3. Кой закон не може да бъде описан с помощта на електрохидравлични аналогии?
• 4. С помощта на кой модел Максуел стига до извода за съществуването на ток на изместване и явлението магнитоелектрична индукция?
• 5. В коя статия Максуел за първи път използва термина "електромагнитно поле"?
• 6. Как се записва системата от уравнения на Максуел?
• 7. Защо уравненията на Максуел се считат за едно от триумфалните постижения на човешката цивилизация?
• 8. Какви изводи направи Максуел от теорията на електромагнитното поле?
• 9. Как се развива електродинамиката след Максуел?
• 10. Как Херц стигна до заключението за съществуването на електромагнитни вълни?
• 11. Какъв е основният принос на Лебедев към физиката?
• 12. Как се използва теорията на електромагнитното поле в техниката?

Задачи за самообучение

• 1. Джей Си Максуел. Биография и научни постижения в електродинамиката и други области на физиката.
• 2. Емпирични и теоретични основи на теорията за електромагнитното поле на Максуел.
• 3. Историята на създаването на уравненията на Максуел.
• 4. Физическа същност на уравненията на Максуел.
• 5. Джей Си Максуел е първият директор на Кавендишката лаборатория.
• 6. Как се записва системата от уравнения на Максуел в момента: а) в интегрална форма; б) в диференциална форма?
• 7. Г. Херц. Биография и научни постижения.
• 8. История на откриване на електромагнитни вълни и идентифицирането им със светлината.
• 9. Опитите на П. Н. Лебедев за откриване на светлинно налягане: схема, задачи, трудности и значение.
• 10. Работи на А. А. Глаголева-Аркадиева и М. А. Левицкая за генериране на къси електромагнитни вълни.
• 11. История на откриването и изследването на фотоелектричния ефект.
• 12. Развитие на електромагнитната теория на Максуел. Творби на Дж. Г. Пойнтинг, Н. А. Умов, О. Хевисайд.
• 13. Как е изобретен и подобрен електрическият телеграф?
• 14. Исторически етапи на развитие на електротехниката и радиотехниката.
• 15. Историята на създаването на осветителни устройства.

• 1. Кудрявцев, П.С.Курс по история на физиката. - 2-ро изд. - М.: Образование, 1982.
• 2. Кудрявцев, П.С.История на физиката: в 3 тома - М.: Образование, 1956-1971.
• 3. Спаски, Б.И.История на физиката: в 2 тома - М .: висше училище, 1977.
• 4. Дорфман, Я.Г.Световна история на физиката: в 2 тома - М.: Наука, 1974-1979.
• 5. Голин, Г.М.Класика на физиката (от древни времена до началото на XX век) / Г. М. Голин, С. Р. Филонович. - М.: Висше училище, 1989.
• 6. Храмов, Ю. А.Физици: биографичен справочник. - М .: Наука, 1983.
• 7. Виргински, В.С.Очерци по история на науката и техниката през 1870-1917 г. / В. С. Виргински, В. Ф. Хотеенков. - М .: Образование, 1988.
• 8. Витковски, Н.Сантиментална история на науката. - М.: CoLibri, 2007.
• 9. Максуел, J.C.Избрани трудове по теория на електромагнитното поле. - М.: GITTL, 1952.
• 10. Кузнецова, О.В.Максуел и развитието на физиката през XIX-XX век: сборник с трудове. статии / отв. изд. Л. С. Полак. - М .: Наука, 1985.
• 11. Максуел, J.C.Трактат за електричеството и магнетизма: в 2 тома - Москва: Наука, 1989.
• 12. Карцев, В.П.Максуел. - М .: Млада гвардия, 1974.
• 13. Нивен, В.Животът и научната дейност на Дж. К. Максуел: кратък очерк (1890) // Дж. К. Максуел. Материя и движение. - М .: Ижевск: РХД, 2001.
• 14. Харман, Р.М.Естествената философия на Джеймс Клерк Максуел. - Кеймбридж: University Press, 2001.
• 15. Болотовски, Б.М.Оливър Хевисайд. - М .: Наука, 1985.
• 16. Горохов, В.Г.Формиране на радиотехническата теория: от теория към практика на примера на техническите последици от откритието на Г. Херц // VIET. - 2006. - бр.2.
• 17. Поредица от книги„ZhZL“: „Хора на науката“, „Създатели на науката и технологиите“.

Физическо поле - Това е специална форма на материя, която съществува във всяка точка на пространството, която се проявява като въздействие върху вещество, което има свойство, сходно с това, което е създало това поле.

тяло + заряд  поле  тяло + заряд

Например, в случай на излъчване на единичен радиоимпулс на значително разстояние между предаващата и приемащата антена, в даден момент от време се оказва, че сигналът вече е бил излъчен от предавателната антена, но все още не е бил получено от приемащия. Следователно, в даден момент от време, енергията на сигнала ще бъде локализирана в пространството. В случая е очевидно, че енергийният носител не е позната материална среда, а е различна физическа реалност, която се нарича поле .

Има фундаментална разлика в поведението на материята и полето.

Основната разлика е гладкостта. Веществото винаги има остра граница на обема, който заема, и полето по принцип не може да има остра граница ( макроскопски подход ), се променя плавно от точка на точка. В една точка от пространството могат да съществуват безкраен брой физически полета, които не си влияят едно на друго, което не може да се каже за материята. Полето и веществото могат взаимно да проникват едно в друго.

ЕМП и електрическият заряд са основни понятия, свързани с физическите явления на електромагнетизма.

ЕМП Това е специална форма на материя, чрез която се осъществява взаимодействието между електрическите заряди, което е различно непрекъснато разпределение в пространството (EME, EMF на заредените частици) и откриване дискретност структура (фотони), характеризираща се със способността да се разпространява във вакуум със скорост, близка до с, упражняващ силов ефект върху заредените частици, в зависимост от тяхната скорост .

ЕМП може да бъде напълно описано с помощта на скаларни и векторни потенциали, които според теорията на относителността съставляват единичен четириизмерен вектор в пространство-времето, чиито компоненти се трансформират по време на прехода от една инерциална референтна система към друга в съответствие с трансформациите на Г. Лоренц.

Електрически заряд - свойство на частиците от вещество или тела, което характеризира връзката им със собствената им ЕМП и взаимодействието им с външна ЕМП; има два вида, известни като положителен заряд (заряд на протона) и отрицателен (заряд на електрон) заряд; количествено се определя от силовото взаимодействие на телата с електрически заряди .

Идеализацията е удобна за анализ на ЕМП "точково зареждане" - заряд, концентриран в точка. Най-малкият заряд в природата е зарядът на електрона д електронна поща = 1,60210 -19 C, така че зарядите на телата трябва да са кратни д електронна поща .

Въпреки това, често е удобно да се приеме, че зарядът е непрекъснато разпределен (макроскопичен подход). Има концепция за обемни (, C / m 3), повърхностни (
, C / m2) и линейни ( , C / m) плътност на заряда.

. (1.1)

. (1.2)

. (1.3)

ЕМП на стационарните електрически заряди е неразривно свързана с частиците, които го генерират, но ЕМП на заредена частица, движеща се с ускорена скорост, може да съществува независимо от веществото под формата на ЕМЕ .

EMV - ЕМ вибрации, разпространяващи се в пространството във времето с ограничена скорост.

При изследване на ЕМП се откриват две форми на неговото проявление - електрическо и магнитно поле, на които могат да се дадат следните определения.

Електрическо поле - едно от проявите на ЕМП, причинено от електрически заряди и промени в магнитното поле, оказващо силово въздействие върху заредени частици и тела, разкриващо се от силовия ефект върху неподвижен заредени тела и частици.

Магнитно поле - едно от проявите на ЕМП, причинено от електрически заряди движещ се заредени частици (и тела) и промяна в електрическото поле, което оказва силов ефект върху движещ се заредени частици, открити чрез силови действия, насочени нормално към посоката на движение на тези частици и пропорционални на тяхната скорост .

Разделянето на ЕМП на електрически и магнитни полета е от относително естество, тъй като зависи от избора на инерционната референтна система, в която се изучава ЕМП. Например, ако определена система се състои от електрически заряди в покой, тогава при изследване на ЕМП в тази система ще се установи наличието на електрическо поле и липсата на магнитно поле. Въпреки това, ако друга координатна система се движи спрямо тази система, тогава във втората система ще бъде открито магнитно поле.

Основните характеристики на ЕМПса считани (сила на електрическото поле ) и (магнитна индукция ), които описват проявата на механични сили в ЕМП и могат да бъдат директно измерени. Силата на електрическото поле може да се определи като сила, действаща върху точков заряд с известна стойност ( силата на С. Кулон ):

. (1.4)

Магнитна индукция се определя чрез силата, действаща върху точков заряд q известна стойност, движещ се в магнитно поле със скорост , (Г. Лоренц сила )
:

. (1.5)

Спомагателните характеристики на ЕМП са (електрическа индукция или електрическо изместване ) и (интензитет на магнитния компонент на ЕМП ). Имената на характеристиките на ЕМП не са безспорни, но те са се развили исторически. Мерните единици на основните характеристики на ЕМП са дадени на стр. 3. Ще използваме Международна система от единици SI най-удобно за практичен приложения.

Връзката между основните и спомагателните характеристики се осъществява чрез материални уравнения :

. (1.6)

. (1.7)

В повечето среди, вектори и като и ,колинеарна (Приложение 1). Но в случай на жироелектрически (фероелектрически) и жиромагнитни (феромагнитни) среди  и  да стане тензор стойности и векторите, посочени по двойки, могат да загубят колинеарност.

Величината
Наречен магнитен поток .

Величината  -проводимост сряда. Като вземем предвид тази стойност, можем да асоциираме плътност на тока на проводимост (j NS ) и сила на полето:

. (1.8)

Уравнение (1.8) е диференциалната форма Законът на Ом за секцията на веригата.

Полетата са разделени на скаларен , вектор и тензор .

Скаларно поле Това е скаларна функция с област на дефиниция, непрекъснато разпределена във всяка точка от пространството (фиг. 1.1). Скаларното поле се характеризира с равна повърхност (например на фиг. 1.1 - еквипотенциален линии), което се дава от уравнението:
.

Векторно поле Дали е непрекъсната векторна величина, дадена във всяка точка от пространството с област на дефиниция (фиг. 1.2) Основната характеристика на това поле е векторна линия , във всяка точка от които вектор полетата са насочени тангенциално. Физически запис лей линии :
.

Тензорно поле Това е непрекъсната тензорна величина, разпределена в пространството. Например, за анизотропен диелектрик, неговата относителна проницаемост става тензорна величина:
.

Към средата на XIX век. В онези клонове на физиката, където се изучават електрически и магнитни явления, е натрупан богат емпиричен материал, формулирани са редица важни закономерности: законът на Кулон, законът на Ампер, законът за електромагнитната индукция, законите за постоянен ток и др. Ситуацията с теоретичните концепции е по-сложно. Теоретичните схеми, изградени от физиците, се основават на концепцията за действие на далечни разстояния и корпускулярната природа на електричеството. Най-популярна е теорията на В. Вебер, която съчетава електростатиката и електромагнетизма по това време. Нямаше обаче пълно теоретично единство във възгледите на физиците за електрическите и магнитните явления. И така, концепцията за полето на Фарадей беше рязко различна от другите възгледи. Но концепцията на полето се разглеждаше като заблуда, тя беше премълчана и не критикувана остро само защото заслугите на Фарадей бяха твърде големи в развитието на физиката. По това време физиците се опитват да създадат единна теория за електрическите и магнитните явления. Един от тях беше успешен. Това беше теорията на Максуел, революционна по своето значение.

Максуел, завършва университета в Кеймбридж през 1854 г., започва да изучава електричество и магнетизъм в подготовка за професорска длъжност. Възгледите на Максуел за електрическите и магнитните явления се формират под влиянието на трудовете на М. Фарадей и У. Томсън.

Максуел изтънчено усеща и разбира същността на основното противоречие, което се развива в средата на 19 век. във физиката на електрическите и магнитните процеси. От една страна са установени множество закони на различни електрически и магнитни явления (които не предизвикват възражения и освен това се изразяват чрез количествени величини), но те нямат цялостна теоретична основа. От друга страна, концепцията на полето за електрически и магнитни явления, изградена от Фарадей, не е математически формализирана.

Максуел и си постави задачата, въз основа на идеите на Фарадей, да изгради строга математическа теория, да се получат уравнения, от които би било възможно да се изведат например законите на Кулон, Ампер и т.н., т.е. преведете идеите и възгледите на Фарадей на строг математически език. Като брилянтен теоретик и виртуозен майстор на математическия апарат, JC Максуел се справи с тази най-трудна задача - той създаде теорията на електромагнитното поле, която е изложена в работата "Динамична теория на електромагнитното поле", публикувана през 1864 г. .

Тази теория значително промени идеята за картината на електрическите и магнитните явления, комбинирайки ги в едно цяло. Основните положения и изводи на тази теория са следните.

Електромагнитното поле е реално и съществува независимо дали има проводници и магнитни полюси, които го откриват или не. Максуел дефинира това поле по следния начин: "... електромагнитното поле е тази част от пространството, която съдържа и заобикаля тела в електрическо или магнитно състояние" *.

* Максуел Дж.К.Избрани трудове по теория на електромагнитното поле. М.. 1952 г., стр. 253.

Промяната в електрическото поле води до появата на магнитно поле и обратно.

Векторите на силата на електрическото и магнитното поле са перпендикулярни. Тази позиция обяснява защо електромагнитната вълна е изключително напречна.

Преносът на енергия се извършва с ограничена скорост. По този начин беше обоснован принципът на действие с малък обсег.

Скоростта на предаване на електромагнитните вълни е равна на скоростта на светлината ( с). Това доведе до фундаменталната идентичност на електромагнитните и оптичните явления. Оказа се, че разликите между тях са само в честотата на трептенията на електромагнитното поле.

Експерименталното потвърждение на теорията на Максуел през 1887 г. в експериментите на Херц прави голямо впечатление на физиците. И оттогава теорията на Максуел е призната от огромното мнозинство учени, но въпреки това дълго време изглеждаше на физиците само набор от математически уравнения, чийто специфичен физически смисъл беше напълно неразбираем. Физиците от онова време казаха: "Теорията на Максуел е уравненията на Максуел",

След създаването на теорията на Максуел става ясно, че има само един етер - носител на електрически, магнитни и оптични явления, което означава, че може да се съди за природата на етера въз основа на електромагнитни експерименти. Но това не реши проблема с етера, а напротив, го направи още по-сложен - беше необходимо да се обясни разпространението на електромагнитни вълни и всички електромагнитни явления. Първоначално те се опитаха да решат този проблем, включително J.K. Максуел, по пътя на търсенето на механистични модели на етера.

Моделът на електромагнитния етер, използван от Максуел обаче, беше несъвършен и противоречив (самият той го смяташе за временен). Затова много учени са се опитали да го подобрят. Предложени са различни модели на излъчване. Сред тях има и такива, които се основават на концепцията за електромагнитното поле като набор от вихрови тръби, образувани в етера и др. Имаше произведения, в които етерът се разглеждаше дори не като медиум, а като машина; са построени модели с колела и т.н. В края на XIX век. съществуването на етера започна да се поставя под въпрос. Теориите, базирани на етерната хипотеза, бяха противоречиви и безплодни и все повече учени губиха увереност във възможността за конструктивно използване на тази концепция.

В крайна сметка, след много неуспешни опити за конструиране на механичен модел на етера, стана ясно, че тази задача не е изпълнима и електромагнитното поле е специална формаразпространяваща се в пространството материя, чиито свойства не се свеждат до свойствата на механичните процеси. Следователно, до края на XIX v. основното внимание от проблема за изграждане на механистични модели на етера беше прехвърлено на въпроса как да разширим системата от уравнения на Максуел, създадена за описване на системи в покой, до случая на движещи се тела (източници или приемници на светлина). С други думи, свързани ли са уравненията на Максуел за движещи се системи чрез трансформациите на Галилей? Или, с други думи, уравненията на Максуел са инвариантни спрямо трансформациите на Галилей?