Conceptos básicos y leyes de la teoría de campos electromagnéticos. Enciclopedia de la escuela

En la física moderna, al considerar muchos fenómenos, junto con el concepto de materia, se introduce el concepto de campo: electromagnético, gravitacional, campo fuerzas nucleares etc. En otras palabras, se supone que son posibles dos formas de existencia de la materia: materia y campo. A pesar de que la materia y el campo electromagnético son formas diferentes de existencia de la materia, sus propiedades son similares en muchos aspectos.

La sustancia consta de partículas individuales: moléculas, átomos, partículas elementales (protones, electrones, neutrones, etc.). Pero el campo electromagnético en expansión (ondas electromagnéticas) puede considerarse como una corriente de partículas discretas: fotones. El campo electromagnético, como la materia, se caracteriza por la energía, la masa y el momento. Es cierto que la masa y el momento son característicos sólo de la propagación. electro campo magnético(ondas electromagnéticas). A diferencia de la materia, un campo electromagnético no tiene masa en reposo. Las ondas electromagnéticas se ven afectadas fuerzas gravitacionales... Se sabe que el camino de propagación de las ondas de luz se dobla notablemente bajo la influencia de las fuerzas gravitacionales. grandes masas sustancias, por ejemplo, el sol. El impulso de las ondas electromagnéticas se manifiesta en la presión que ejercen sobre los cuerpos materiales. Por otro lado, propiedades características de las ondas electromagnéticas como la difracción y la interferencia también son inherentes a las partículas materiales. Por ejemplo, se conocen los fenómenos de difracción e interferencia de electrones.

La energía del campo electromagnético se puede convertir en otros tipos de energía. De hecho, la existencia misma de vida en la Tierra se debe a la conversión de energía electromagnética (energía de los rayos del sol) en energía térmica, química y de otro tipo.

La teoría clásica o maxwelliana del campo electromagnético tiene en cuenta solo las propiedades macroscópicas de la materia: se supone que las dimensiones de la región considerada del espacio y la distancia desde las fuentes de campo al punto en consideración son grandes en comparación con las dimensiones de las moléculas y el tiempo característico de un cambio en el campo electromagnético (por ejemplo, el período de oscilaciones) es grande en comparación con el tiempo característico de los procesos oscilatorios intramoleculares. Sobre la base de la teoría clásica del campo electromagnético, se pueden estudiar una amplia gama de cuestiones. v ingeniería de radio. Sin embargo, la teoría de campos clásica no cubre todas sus propiedades. Fenómenos como la emisión y absorción de ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia (por ejemplo, la luz), el efecto fotoeléctrico, etc., quedan fuera de sus límites. Un análisis riguroso de tales fenómenos debe tener en cuenta la microestructura de la materia y, por tanto, debe basarse en la teoría cuántica de campos. En el marco de este curso se estudia la teoría clásica del campo electromagnético, es decir sólo se investigan sus propiedades macroscópicas.

El campo electromagnético generalmente se divide en dos campos interconectados: eléctrico y magnético.

Las cargas eléctricas son las fuentes del campo electromagnético. Las cargas estacionarias crean solo un campo eléctrico. Las cargas en movimiento crean campos eléctricos y magnéticos. Las corrientes de conducción y las corrientes de convección son cargas eléctricas que se mueven de manera ordenada y también crean un campo electromagnético. Las cargas interactúan entre sí y la fuerza de su interacción está determinada por la ley de Coulomb.

La división de un solo campo electromagnético en eléctrico y magnético es de naturaleza relativa: depende del marco de referencia seleccionado. Por ejemplo, una carga eléctrica que se mueve en línea recta a una velocidad constante crea un campo eléctrico y magnético a su alrededor. Sin embargo, para un observador que se mueve en la misma dirección a la misma velocidad, esta carga es estacionaria y, por lo tanto, crea solo un campo eléctrico.

Ambos campos se manifiestan en forma de fuerzas mecánicas o, como se les llama, fuerzas "ponderomotrices". Si se introduce una carga eléctrica de prueba en un campo eléctrico, entonces, bajo la influencia de estas fuerzas, se moverá. De manera similar, el campo magnético cambia la dirección de movimiento de la carga eléctrica de prueba y también orienta el imán permanente de prueba (aguja magnética). Un campo eléctrico actúa tanto sobre cargas estacionarias como en movimiento, un campo magnético solo sobre cargas en movimiento. La acción del campo electromagnético tiene cierta dirección, por lo que se introducen cantidades vectoriales para describirlo. Considere los principales vectores que caracterizan el campo electromagnético.

La hipótesis de Fresnel de las ondas de luz transversales planteó una serie de problemas difíciles para la física relacionados con la naturaleza del éter, es decir, el medio hipotético en el que se propagan las oscilaciones de la luz. Antes, estos problemas pasaron a un segundo plano y las cuestiones relativas a la naturaleza de las partículas materiales que emiten ondas de luz y el problema de encontrar el mecanismo de radiación en átomos y moléculas.

Era necesario responder a las siguientes preguntas: ¿en qué dirección ocurren las oscilaciones en una onda linealmente polarizada? ¿Por qué no hay ondas de luz longitudinales y qué propiedades debería tener el éter para admitir solo ondas transversales? Y finalmente, ¿cómo se comporta el éter en relación con los cuerpos que lo atraviesan?

En la óptica post-Fresnel, se ha prestado una atención considerable a la búsqueda de respuestas a estas preguntas. Al responder a la primera pregunta, se formularon dos hipótesis: la hipótesis de Fresnel y la hipótesis de Franz Neumann (1798-1895). Según la hipótesis de Fresnel, las vibraciones de la luz en una onda polarizada linealmente ocurren en una dirección perpendicular a la dirección del plano de polarización. Al mismo tiempo, el éter en cuerpos pesados ​​y el éter libre difieren en su densidad, mientras que su elasticidad permanece sin cambios. Según la hipótesis de Neumann, las vibraciones del éter ocurren en el plano de polarización, el éter en cuerpos ponderables y el éter libre difieren en elasticidad, no en densidad.

Para explicar la naturaleza transversal de las ondas de luz se han propuesto varias hipótesis: la hipótesis de un éter absolutamente incompresible, un éter similar al de un zapatero - sólido para cambios rápidos y fluido para cambios lentos, el éter como medio lleno de giroscopios, etc. , etc. a los cuerpos en movimiento, el éter se consideró como un medio estacionario, como un medio parcialmente arrastrado por los cuerpos, como un medio completamente arrastrado. Todas estas hipótesis extrañas y contradictorias les quitaron mucha energía a los físicos y, sin embargo, los científicos ni siquiera plantearon tal pregunta: ¿no son estos intentos infructuosos? ¿Existe el éter?

La existencia del éter parecía segura después del colapso de la teoría corpuscular de la luz. Debe haber un entorno en el que se propaguen las vibraciones ligeras. "Los fenómenos de la luz después de la fallida" teoría del flujo de salida "se explican como vibraciones de las partículas más pequeñas de cuerpos luminosos, vibraciones que se transmiten por ondas de éter". Con estas palabras, AG Stoletov inició el apartado "óptica física" de su libro de texto "Introducción a la acústica y la óptica". Y ese fue el punto de vista aceptado. Stoletov fundamenta además en varios puntos “la necesidad de admitir este entorno especial”, es decir, el éter. Él ya conoce la teoría electromagnética de la luz, sabe que “las ondas de luz son ondas transversales de“ oscilaciones eléctricas ”del éter, y aunque todavía no tiene claro cuál es el mecanismo de estas oscilaciones, no tiene ninguna duda de que el portador de estas oscilaciones sirve como éter.

Stoletov dio conferencias sobre acústica y óptica en 1880-1881. En 1895 se publicó "Introducción a la acústica y la óptica". En 1902 se publicó la segunda parte de "Un curso de física" de NA Umov. En él, la sección dedicada a la óptica comenzaba con las palabras: “Hasta hace relativamente poco tiempo, la materia delgada, ingrávida, penetrando en los cuerpos y llenando todo el espacio, llamado éter, era considerada un lugar de fenómenos exclusivamente lumínicos. En la actualidad, consideramos la luz sólo como un caso especial de fenómenos posibles en el éter ".

Un año antes de la publicación de la "Introducción" de Stoletov, en 1894, se publicó el alemán el curso de la electricidad de P. Drude (1863-1906), con el título "Física del éter sobre una base electromagnética". En 1901-1902. G. A. Lorentz leyó un curso de conferencias "Teoría y modelos del éter" en la Universidad de Leiden. Fueron publicados en holandés en 1922, en Traducción en inglés en 1927 y en ruso en 1936, es decir, cuando el éter había estado enterrado durante mucho tiempo por la teoría de la relatividad. En las palabras finales de sus conferencias, Lorenz escribió cuidadosamente: "Recientemente, la explicación mecánica de los procesos que tienen lugar en el éter está retrocediendo cada vez más hacia un segundo plano". Sin embargo, creía que las analogías mecánicas "no obstante conservan algún significado".

Esta esperanza de Lorentz fue anulada por el desarrollo de la física teórica moderna, que arrojó por la borda los modelos visuales y los reemplazó por descripciones matemáticas. Es paradójico que hecho histórico que este proceso de transición a una descripción matemática lo inició Maxwell, quien sentó las bases de su teoría electromagnética, desarrollando modelos mecánicos específicos de procesos en el éter. Al discutir estos modelos, Maxwell llegó al establecimiento de ecuaciones que reflejan los procesos no mecánicos de los fenómenos electromagnéticos. Resumiendo en el "Tratado de Electricidad y Magnetismo" los resultados de sus muchos años de investigación sobre la teoría de la electricidad y el magnetismo, Maxwell afirma que "las interrelaciones internas de varias ramas de la ciencia objeto de nuestro estudio son mucho más numerosas y complejas que cualquier disciplina científica desarrollada hasta ahora ”, incluyendo el número, obviamente, y la mecánica. Además, Maxwell escribe que las leyes de la ciencia de la electricidad "parecen indicar su particular importancia como ciencia para ayudar a explicar la naturaleza". Esto significa que, junto con la mecánica, la teoría de la electricidad, según Maxwell, es una ciencia fundamental que "ayuda a explicar la naturaleza". “En base a esto”, dice Maxwell, “me parece que el estudio del electromagnetismo en todas sus manifestaciones como medio para hacer avanzar la ciencia siempre adquiere especial importancia”. Desde la época de los brillantes descubrimientos de Faraday, el negocio de las aplicaciones técnicas de la electricidad ha avanzado mucho. Cuando se creó el Tratado, el telégrafo electromagnético se había generalizado, aparecieron las líneas de comunicación de larga distancia: el cable transatlántico que conecta Europa y América (1866), el telégrafo indoeuropeo que conecta Londres y Calcuta (1869), la línea de comunicación entre Europa y Sudamerica (1872).

Aparecieron los primeros generadores corriente eléctrica: Cromwell y Varley (1866), Siemens (1867), Wheatstone (1867), Gram (1870-1871), así como motores eléctricos, comenzando con el motor del académico ruso Boris Semenovich Jacobi (1834) y terminando con el Pacinotti. motor de anillo de ancla (1860). Se acercaba la era de la ingeniería eléctrica. Pero Maxwell tiene en mente no solo y no tanto el rápido progreso de la ingeniería eléctrica. Los procesos electromagnéticos penetraron cada vez más en la ciencia: la física y la química. Comenzó la era de la imagen electromagnética del mundo, que reemplazó a la mecánica.

Maxwell vio claramente la importancia fundamental de las leyes electromagnéticas, habiendo llevado a cabo una síntesis grandiosa de óptica y electricidad. Fue él quien logró reducir la óptica al electromagnetismo, creando la teoría electromagnética de la luz y abriendo así nuevos caminos no solo en física teórica, sino también en tecnología, allanando el camino para la ingeniería de radio.

James Clerk Maxwell pertenecía a una noble familia escocesa. Su padre John Clerk, que tomó el apellido Maxwell, era un hombre con diversos intereses culturales, viajero, inventor, científico. El 13 de junio de 1831, en Edimburgo, los Maxwell tuvieron un hijo, James, el futuro gran físico. Creció como un naturalista nato. El padre alentó la curiosidad de su hijo, él mismo lo introdujo a la astronomía, le enseñó a observar los cuerpos celestes a través de un telescopio. Quería preparar a su hijo para la universidad en casa, pero cambió de opinión y lo envió a la Academia de Edimburgo, secundaria. institución educativa tipo de escuela primaria clásica cuando Maxwell tenía 10 años. Hasta el quinto grado, James estudió sin mucho interés. Solo a partir del quinto grado se interesó por la geometría, hizo modelos. cuerpos geométricos, ideó sus propios métodos para resolver problemas. Cuando todavía es un estudiante de quince años, presenta un estudio sobre curvas ovaladas a la Royal Society of Edinburgh. Este artículo juvenil de 1846 abre una colección de dos volúmenes de artículos científicos de Maxwell.

En 1847 Maxwell ingresó en la Universidad de Edimburgo. En este momento su intereses científicos Decidido, se interesó por la física. En 1850, en la Royal Society de Edimburgo, realizó un informe sobre el equilibrio de los cuerpos elásticos, en el que, entre otras cosas, demostró el "teorema de Maxwell", muy conocido en la teoría de la elasticidad y resistencia de los materiales. En el mismo año, Maxwell fue transferido a la Universidad de Cambridge, al famoso Trinity College, que educó a Newton y a muchos otros físicos famosos para la humanidad.

En 1854, Maxwell aprobó en segundo lugar el examen final. Escribe una carta a su amigo mayor William Thomson, en la que dice que, "habiendo entrado en la terrible clase de los solteros", decidió "volver a la física" y, sobre todo, "atacar la electricidad". Reflexiona sobre la curvatura de las superficies, la visión del color y las Investigaciones Experimentales de Faraday. Ya en 1855 envió a la Royal Society de Edimburgo un informe "Experimentos sobre el color", diseñó una tapa de color y desarrolló una teoría de la visión del color. En el mismo año comenzó a trabajar en sus memorias On the Faraday Lines of Lines (1855-1856), cuya primera parte informó a la Cambridge Philosophical Society en 1855.

En 1856 muere el padre de Maxwell, que no solo era su padre, sino también un amigo cercano. Ese mismo año, Maxwell recibió una cátedra en la Universidad de Aberdeen en Escocia. La nueva posición y las preocupaciones sobre la propiedad llevaron mucho tiempo. Sin embargo, Maxwell trabaja intensamente en ciencia. En 1857, envió a Faraday sus memorias "Sobre las líneas de poder de Faraday", que conmovieron mucho a Faraday. “Su trabajo es agradable para mí y me brinda un gran apoyo”, le escribió a Maxwell, Faraday no se equivocó: Maxwell brindó un gran apoyo a sus ideas, completó el trabajo de Faraday con dignidad.

Einstein compara los nombres de Galileo y Newton en mecánica con los nombres de Faraday y Maxwell en la ciencia de la electricidad. De hecho, la analogía es bastante apropiada aquí. Galileo sentó las bases de la mecánica, Newton las completó. Ambos partieron del sistema copernicano en busca de su base física, que finalmente fue encontrada por Newton.

Faraday abordó el estudio de la electricidad y los fenómenos magnéticos de una manera nueva, señalando el papel del medio e introduciendo el concepto de campo descrito por él con la ayuda de líneas de fuerza. Maxwell dio a las ideas una completitud matemática, introdujo el término exacto "campo electromagnético", que Faraday aún no tenía, formuló las leyes matemáticas de este campo. Galileo y Newton sentaron las bases de la imagen mecánica del mundo, Faraday y Maxwell, las bases de la imagen electromagnética del mundo.

Teoría electromagnética que Maxwell desarrolla en las obras "Sobre las líneas físicas de la fuerza" (1861-1862) y "Teoría del campo dinámico" (1864-1865). Escribió estas obras ya no en Aberdeen, sino en Londres, donde recibió una cátedra en King College. Aquí Maxwell también se reunió con Faraday, que ya era anciano y estaba enfermo. Maxwell, habiendo recibido datos que confirman la naturaleza electromagnética de la luz, los envió a Faraday. Maxwell escribió: “La teoría electromagnética de la luz propuesta por él (Faraday) en Thoughts on Ray Vibrations (Phil. Mag., Mayo de 1846) o Experimental Investigations (Exp. Rec., P. 447) es esencialmente la misma que comencé a desarrollar en este artículo ("Teoría dinámica de campos" -Phil. Mag., 1865), excepto que en 1846 no había datos para calcular la velocidad de propagación. JCM ". Maxwell reconoció la prioridad de Faraday en este descubrimiento. Maxwell no podía haber sabido acerca de la carta sellada de Faraday en 1832 y se refirió a su artículo publicado en 1846. Pero afirmó con toda certeza que Faraday ya había expresado lo que había dado en su "Teoría del campo dinámico", con la excepción de cuantitativa datos sobre la coincidencia de la velocidad de propagación de la luz con una relación constante de unidades electromagnéticas y electrostáticas de carga y corriente.

En 1865, cuando apareció la teoría del campo dinámico, Maxwell tuvo un accidente mientras conducía. Deja la cátedra en Londres y se va a su finca Glenlair, donde continúa la investigación estadística que comenzó en 1859.

En 1871 sucedió un evento importante... A expensas de un descendiente de un científico famoso del siglo XVIII. Henry Cavendish, duque de Cavendish, se estableció el Departamento de Física Experimental de la Universidad de Cambridge y comenzó la construcción del futuro famoso Laboratorio Cavendish. Maxwell fue invitado por el primer profesor de Cavendish. El 8 de octubre de 1871 pronunció su conferencia inaugural sobre las funciones del trabajo experimental en la educación universitaria. La conferencia resultó ser un programa de todas las actividades futuras del laboratorio en la enseñanza de la física experimental. En esta actividad, Maxwell ve la demanda de la época.

"Debemos comenzar en la sala de conferencias con un curso de conferencias en alguna rama de la física, utilizando experimentos como ilustración, y terminar en el laboratorio con una serie de experimentos de investigación". Maxwell expresa pensamientos importantes sobre el nombramiento de un maestro. Lo principal para el profesor es centrar la atención del alumno en el problema. Al argumentar en contra de los oponentes del aprendizaje experimental, Maxwell declara que si una persona se deja llevar por un problema, pone todo su corazón en resolverlo, si comprende el uso principal de las matemáticas al aplicarlas para explicar la naturaleza, entonces la especialidad principal no será El conocimiento experimental dañado no confundirá la creencia en los libros de texto de fórmulas, el estudiante no estará demasiado cansado.

Maxwell comenzó su carrera en Cambridge dando una conferencia sobre calidez. Dedicó mucho tiempo a la construcción y organización del laboratorio. Estudió la experiencia de crear laboratorios en el extranjero y en su propio país, visitó el laboratorio Thomson, el laboratorio Clarendon. El Laboratorio Clarendon sirvió en gran medida como modelo para Cambridge. El 16 de junio de 1874 se inauguró el laboratorio.

El laboratorio era un edificio sólido de tres pisos. En la planta baja, había salas de investigación sobre magnetismo, péndulos y calor. Albergaba despensas, una cocina, una sala de estar. En el segundo piso hay un gran laboratorio, una sala de profesores y laboratorio, una sala de conferencias y una sala para equipos. El piso superior albergaba un laboratorio de acústica, salas de computación y trazado, calor radiante, óptica, electricidad y una sala oscura para trabajos fotográficos. Todas las mesas del laboratorio descansaban sobre vigas independientes del piso, lo que permitía experimentos muy delicados. Se adjuntó un poste de metal al techo del laboratorio. Se le unieron todos los públicos, para que en cualquier momento se pudiera medir el potencial de la electricidad atmosférica. Las puertas corredizas en los pisos del laboratorio permitían tirar de cables entre pisos, colgar el péndulo de Foucault, etc. Por supuesto, todos los laboratorios tenían gas, agua, luz.

Tres años después de la apertura del laboratorio, Maxwell escribió que incluía todas las "herramientas requeridas por el estado actual de la ciencia". Se ha publicado una lista de estos dispositivos. Con respecto a esta lista, J.J. Thomson dijo en 1936: "Este es un ejemplo sorprendente de la diferencia entre los dispositivos que alguna vez se consideraron perfectos y los que lo son ahora".

El Laboratorio Cavendish, que más tarde se convirtió en un importante centro de ciencias físicas, le debe mucho a su primer profesor. Maxwell tuvo una tarea difícil de crear silla nueva física experimental. Lo nuevo siempre se abre paso con dificultad. Los mentores de pregrado les disuadieron de ir al laboratorio. Esto explica el hecho de que al principio viniera poca gente al laboratorio. Aquellos que pasaron el control matemático y querían adquirir habilidades primero vinieron aquí. trabajo practico(W. Hick, G. Crystal, S. Sounder, D. Gordon, A. Schuster).

Por ejemplo, Georg Crystal (1851-1911), más tarde profesor de matemáticas en la Universidad de Edimburgo, probó la validez de la ley de Ohm (un experimento que Maxwell seleccionó para él). La necesidad de esta verificación surgió porque hubo estudios que arrojaron dudas sobre la vigencia de esta ley. Maxwell le escribió a Campbell que Crystal "... trabajó continuamente desde octubre, probando la Ley de Ohm, y Ohm salió triunfante de las pruebas".

Además, Crystal y S. Sounder, en un informe de la Asociación Británica, informaron sobre los resultados de comparar unidades de resistencia con unidades de la Asociación Británica-Investigación Difícil x, que luego continuaron Glazeb-ruk y Fleming. Más tarde, en la época de Rayleigh, esta investigación se extendió a todo el campo de la medición eléctrica y convirtió al Laboratorio Cavendish en un centro para establecer estándares para las unidades eléctricas.

En general, todos los empleados de Maxwell, antes de embarcarse en la investigación original, pasaron por un pequeño taller general, estudiaron instrumentos, midieron el tiempo, aprendieron a contar, etc., es decir, Maxwell sentó las bases para un futuro taller general de laboratorio.

Es difícil sobreestimar la importancia del trabajo de Maxwell para el futuro desarrollo del Laboratorio Cavendish. William Thomson escribió en 1882: “La influencia de Maxwell en Cambridge tuvo un gran efecto innegable al dirigir el aprendizaje matemático hacia canales más fructíferos que aquellos en los que fluyó durante muchos años. Esta publicado artículos de ciencia y los libros, su trabajo como examinador en Cambridge, sus conferencias como profesor, todo contribuyó a este efecto. Pero sobre todo, su labor en la planificación y organización del Laboratorio Cavendish. Aquí, de hecho, el auge de la ciencia física en Cambridge durante los últimos diez años, y esto se debe enteramente a la influencia maxwelliana ".

Como profesor de Cavendish, Maxwell realizó una gran cantidad de trabajo científico y pedagógico. En 1873 se publicó su obra principal, Tratado sobre electricidad y magnetismo. Comenzó a escribir la exposición popular de su teoría, "Electricidad en una presentación elemental", pero no tuvo tiempo de terminarla. Como profesor de Cavendish, Maxwell recuperó el trabajo inédito de Cavendish del archivo, incluido su trabajo en el que descubrió la ley de las interacciones eléctricas unos años antes que Coulomb. Maxwell repitió el experimento de Cavendish con un electrómetro más preciso y confirmó la ley. Proporción inversa distancia al cuadrado con alto grado precisión. Las memorias de Henry Cavendish con sus comentarios fueron publicadas por Maxwell en 1879. Ese mismo año, el 5 de noviembre, Maxwell murió de cáncer.

Maxwell fue un científico versátil: teórico, experimentador, técnico. Pero en la historia de la física, su nombre se asocia principalmente con la teoría del campo electromagnético creado por él, que se llama teoría de Maxwell o electrodinámica de Maxwell. Entró en la historia de la ciencia junto con generalizaciones fundamentales como la mecánica newtoniana, la mecánica relativista, la mecánica cuántica y marcó el comienzo de una nueva etapa en la física. De acuerdo con la ley del desarrollo de la ciencia, formulada por Aristóteles, elevó el conocimiento de la naturaleza a un nuevo nivel superior y al mismo tiempo era más incomprensible, abstracto que las teorías anteriores, "menos obvio para nosotros", en las palabras de Aristóteles.

Esta circunstancia llevó a un rechazo relativamente prolongado de la teoría de Maxwell por parte de los físicos, y solo después de los experimentos de Hertz comenzó su reconocimiento. Recibió "derechos de ciudadanía" en física después del experimento de Michelson, después del primer trabajo de Lorentz sobre teoría electrónica. Así, su asimilación coincidió con el inicio de la creación de la física electrónica y relativista. La historia de la teoría de Maxwell está entrelazada con la historia de estas áreas de la física que conducen a su estado actual.

Maxwell comenzó a desarrollar su teoría en 1854. El 20 de febrero de este año, en una carta a su amigo mayor W. Thomson, escribe sobre su intención de "atacar la electricidad". En una carta de Cambridge fechada el 13 de noviembre de 1854, escribe que él, un "novato en la electricidad", logró resolver "una enorme masa de dudas" utilizando algunas ideas simples. “Aprendí los principios fundamentales de la electricidad de voltaje con bastante facilidad” (es decir, la electrostática), dice, e informa a Thomson que le ayudó mucho la analogía con la conductividad térmica encontrada por Thomson. Además, Maxwell informa que, aunque admiraba, leer las obras de Ampere, pero le gustaría explorar sus puntos de vista "filosóficamente". Le parece que el método de la línea del campo magnético de Faraday es muy útil para este propósito, pero otros prefieren utilizar el concepto de atracción directa de elementos de corriente. Maxwell desarrolla una imagen de las líneas magnéticas de fuerza generadas por la corriente, habla sobre el campo magnético, presenta los conceptos correspondientes y escribe ecuaciones matemáticas.

Los pensamientos expresados ​​por Maxwell en esta carta se desarrollaron en su primer trabajo, "On the Faraday Lines of Lines", escrito en Cambridge en 1855-1856. Establece el objetivo de este trabajo "mostrar cómo la aplicación directa de las ideas y métodos de Faraday puede aclarar mejor las relaciones mutuas de varias clases de fenómenos descubiertos por él". En su trabajo "Sobre las líneas de fuerza de Faraday", Maxwell construye un modelo hidrodinámico de un medio que transmite interacciones eléctricas y magnéticas. Se las arregla para describir procesos estacionarios utilizando una imagen visual de un fluido en movimiento. Las cargas y los polos magnéticos de esta imagen representan las fuentes y los sumideros del fluido que fluye. "Intenté --escribió Maxwell-- ... presentar ideas matemáticas de forma visual, utilizando sistemas de líneas o superficies, y no utilizando sólo símbolos, que no son particularmente adecuados para expresar las opiniones de Faraday y no se corresponden completamente a la naturaleza de los fenómenos que se explican ".

Sin embargo, para la descripción de los procesos de inducción del estado electrotónico de Faraday, el modelo resultó inadecuado y Maxwell se vio obligado a recurrir a símbolos matemáticos. Caracteriza el estado electrotónico con la ayuda de tres funciones, a las que llama funciones electrotónicas o componentes del estado electrotónico. En notación moderna, esta función vectorial corresponde al vector potencial. La integral curvilínea de este vector a lo largo de la línea cerrada Maxwell llama "la intensidad electrotónica total a lo largo de la curva cerrada". Para este valor, encuentra la primera ley del estado electrotónico: "La intensidad electrotónica total a lo largo del límite de un elemento de superficie sirve como una medida de la cantidad de inducción magnética que pasa a través de este elemento, o, en otras palabras, una medida de el número de líneas magnéticas de fuerza que penetran en este elemento ". En notación moderna, esta ley se puede expresar mediante la fórmula:

donde A es el componente del vector potencial

en la dirección del elemento de la curva dl, Bn es la componente normal del vector de inducción B en la dirección de la normal al elemento de la superficie dS.

conectando la inducción magnética B con el vector de la intensidad del campo magnético H.

La tercera ley conecta la fuerza del campo magnético H con la fuerza de la corriente que lo crea I. Maxwell la formula de la siguiente manera: "La intensidad magnética total a lo largo de una línea que limita una parte de la superficie sirve como una medida de la cantidad de electricidad corriente que fluye a través de esta superficie ". En notación moderna, esta oración se describe mediante la fórmula

,

que ahora se llama la primera ecuación de Maxwell en forma integral. Eso refleja hecho experimental descubierto por Oersted: la corriente está rodeada por un campo magnético.

La cuarta ley es la ley de Ohm:

Para caracterizar las interacciones de fuerza de las corrientes, Maxwell introduce una cantidad que él llama potencial magnético. Este valor obedece a la quinta ley: “El potencial electromagnético total de una corriente cerrada se mide por el producto de la cantidad de corriente por la intensidad electrotónica total a lo largo del circuito, contada en la dirección de la corriente:

».

La sexta ley de Maxwell se refiere a inducción electromagnética: "La fuerza electromotriz que actúa sobre un elemento conductor se mide por la derivada en el tiempo de la intensidad electrotónica, independientemente de si esta derivada se debe a un cambio en la magnitud o dirección del estado electrotónico". En notación moderna, esta ley se expresa mediante la fórmula:

que es la segunda ecuación de Maxwell en forma integral. Tenga en cuenta que Maxwell llama a la circulación del vector de intensidad del campo eléctrico fuerza electromotriz. Maxwell generaliza la ley de inducción de Faraday-Lenz-Neumann, asumiendo que un cambio de tiempo en el flujo magnético (estado electrotónico) genera un campo eléctrico de vórtice que existe independientemente de si hay conductores cerrados en los que este campo excita una corriente o no. Maxwell aún no ha generalizado la ley de Oersted.

Maxwell finaliza la formulación de las seis leyes con las siguientes palabras: “Intenté dar en estas seis leyes una expresión matemática de la idea que, en mi opinión, subyace en la línea de pensamiento de Faraday en sus Investigaciones Experimentales. Esta afirmación de Maxwell es completamente cierta, al igual que otra afirmación de que la introducción " funciones matematicas para la expresión del estado electrotónico de Faraday y para la determinación de los potenciales electrodinámicos y las fuerzas electromotrices ”fue realizada por él por primera vez.

El siguiente paso en el desarrollo de la teoría del campo electromagnético lo dio Maxwell en 1861-1862, después de haber publicado varios artículos bajo el título general "Sobre líneas físicas de fuerza". Y aquí Maxwell recurre a un modelo mecánico del campo electromagnético. Pero este modelo es mucho más complicado que la imagen del campo de velocidad de un fluido en movimiento, que desarrolló en trabajos anteriores. Maxwell desarrolló este modelo, aprovechando al máximo su talento como mecánico y constructor, e ideó sus famosas ecuaciones. “Maxwell”, escribió Boltzmann, “encontró sus ecuaciones como resultado del deseo de probar con la ayuda de modelos mecánicos la posibilidad de explicar los fenómenos electromagnéticos sobre la base del concepto de acción cercana, y solo estos modelos mostraron la primera forma de aquellos experimentos que finalmente y de manera decisiva establecieron el hecho de la acción cercana. y en el momento actual forman la base más simple y confiable de ecuaciones encontradas de otras formas ".

No es difícil encontrar las ecuaciones de Maxwell, pero es imposible "derivarlas", al igual que es imposible derivar las leyes de Newton. Por supuesto, tanto las ecuaciones de Newton como las ecuaciones de Maxwell pueden derivarse de otros principios que deben aceptarse sin prueba, pero estos principios, como las ecuaciones de Maxwell o Newton en sí, son generalizaciones de la experiencia. "La teoría de Maxwell son las ecuaciones de Maxwell", dijo Hertz.

En las "líneas físicas de fuerza" Maxwell fundamenta ante todo la expresión de la fuerza que actúa sobre cada elemento del medio, en el que hay cargas, corrientes, imanes. Maxwell piensa en un medio lleno de vórtices moleculares, las fuerzas que actúan en este medio en el mismo punto dependen de la dirección, son, como decimos ahora, de naturaleza tensorial. Entonces Maxwell escribe sus famosas ecuaciones. Nuevo en comparación con el trabajo sobre las líneas de fuerza de Faraday aquí es un claro establecimiento de la conexión entre los cambios en el campo magnético y la aparición de la fuerza electromotriz. Su ecuación (más precisamente, el "triplete" de ecuaciones para los componentes) define "la relación entre los cambios en el estado del campo magnético y las fuerzas electromotrices causadas por ellos".

Otra noticia importante es la introducción de los conceptos de desplazamiento y corrientes de desplazamiento. El desplazamiento, según Maxwell, es una característica de los estados de un dieléctrico en un campo eléctrico. El flujo de desplazamiento total a través de una superficie cerrada es igual a la suma algebraica de las cargas dentro de la superficie. “Este desplazamiento”, escribe Maxwell, “no representa una corriente real porque, habiendo alcanzado un cierto valor, permanece constante. Pero este es el comienzo de la corriente, y los cambios en el sesgo generan corrientes en la dirección positiva o negativa dependiendo de si el sesgo aumenta o disminuye ". Esto introduce el concepto fundamental de corriente de desplazamiento. Esta corriente, como la corriente de conducción, crea un campo magnético. Por lo tanto, Maxwell generaliza la ecuación, que ahora se llama la primera ecuación de Maxwell, e introduce la corriente de desplazamiento en la primera parte. En notación moderna, esta ecuación de Maxwell tiene la forma:

Finalmente, Maxwell encuentra que las ondas transversales se propagan en su medio elástico a la velocidad de la luz. Este resultado fundamental lo lleva a una importante conclusión: “La velocidad de las oscilaciones de ondas transversales en nuestro medio hipotético, calculada a partir de los experimentos electromagnéticos de Kohlrausch y Weber, coincide tan precisamente con la velocidad de la luz calculada a partir de los experimentos ópticos de Physo que podemos Difícilmente rechace la conclusión de que la luz está formada por vibraciones transversales del mismo medio que provoca los fenómenos eléctricos y magnéticos. Así, a principios de los años 60 del siglo XIX. Maxwell ya había encontrado los fundamentos de su teoría de la electricidad y el magnetismo y llegó a la importante conclusión de que la luz es un fenómeno electromagnético.

Continuando con el desarrollo de la teoría, Macwell en 1864-1865. publicó su "Teoría del campo dinámico". En este trabajo, la teoría de Maxwell adquiere una forma completa y un nuevo objeto investigación científica introducido por Faraday, el campo electromagnético está definido con precisión. "La teoría que propongo", escribe Maxwell, "se puede llamar la teoría del campo electromagnético, porque se ocupa del espacio que rodea a la electricidad o cuerpos magnéticos, y también se le puede llamar teoría dinámica, ya que asume que en este espacio hay materia en movimiento, a través de la cual se producen los fenómenos electromagnéticos observados.

Un campo electromagnético es la parte del espacio que contiene y rodea cuerpos que se encuentran en un estado magnético».

Esta es la primera definición de campo electromagnético en la historia de la física, Faraday no usa el término "campo", habla de la existencia real de líneas físicas de fuerza. Solo desde la época de Maxwell ha aparecido en la física el concepto de campo, que sirve como portador de energía electromagnética.

Para describir el campo, Maxwell introduce funciones escalares y vectoriales de coordenadas. Él denota vectores en letras mayúsculas El gótico alemán, pero en los cálculos opera con sus componentes. Pinta ecuaciones vectoriales en coordenadas, obteniendo los correspondientes tripletes ("tripletes") de las ecuaciones.

En su Tratado sobre electricidad y magnetismo, resume las principales cantidades utilizadas en su teoría electromagnética. Los términos, designaciones, el mismo significado que Maxwell da al contenido de los conceptos introducidos a menudo difieren significativamente de los modernos. Entonces, la cantidad "momento electromagnético", o "momento electromagnético" en un punto, que juega un papel fundamental en el concepto de Maxwell, en la física moderna, es una cantidad auxiliar, el vector es potencial A. Cierto, en teoría cuántica volvió a adquirir un significado fundamental, pero la física experimental, la ingeniería de radio y la ingeniería eléctrica le dan un significado puramente formal.

En la teoría de Maxwell, esta cantidad está asociada con el flujo magnético. La circulación del vector de potencial a lo largo de un bucle cerrado es igual al flujo magnético a través de la superficie cubierta por el bucle. El flujo magnético tiene propiedades inerciales y la fuerza electromotriz de inducción, según la regla de Lenz, es proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético, tomada con el signo opuesto. De ahí la fuerza del campo eléctrico de inducción:

Maxwell considera que esta expresión es análoga a la expresión de la fuerza de inercia en mecánica:

Impulso mecánico o momento. Esta analogía explica el término que introdujo Maxwell para el potencial vectorial. Las mismas ecuaciones del campo electromagnético en la teoría de Maxwell tienen una forma diferente a la moderna.

En su forma moderna, el sistema de ecuaciones de Maxwell tiene la siguiente forma:

Con estas ecuaciones, el vector de inducción magnética B y el vector de intensidad del campo eléctrico E se expresan en términos del potencial vectorial A y el potencial escalar V. Maxwell escribe además la expresión de la fuerza ponderomotriz f que actúa desde el lado del campo con inducción magnética B por unidad de volumen de un conductor movido por una corriente con una densidad j:

A esta expresión, agrega la "ecuación de magnetización":

y la "ecuación de corrientes eléctricas" (ahora la primera ecuación de Maxwell):

La relación entre el vector de desplazamiento D y la intensidad del campo eléctrico E en Maxwell se expresa mediante la ecuación:

Luego escribe la ecuación divD = p y la ecuación donde

,

y también la condición de contorno:

Este es el sistema de ecuaciones de Maxwell. La conclusión más importante de estas ecuaciones es la existencia de ondas electromagnéticas transversales que se propagan en un dieléctrico magnetizado con una velocidad: donde

Esta conclusión fue obtenida por él en el último apartado de la "Teoría del campo dinámico", que lleva el nombre de "Teoría electromagnética de la luz". “... La ciencia del electromagnetismo”, escribe Maxwell aquí, “conduce exactamente a las mismas conclusiones que la óptica con respecto a la dirección de las perturbaciones que pueden propagarse a través del campo; ambas ciencias afirman la naturaleza transversal de estas vibraciones, y ambas dan la misma velocidad de propagación ". En éter, esta velocidad c es la velocidad de la luz (Maxwell la denota V), en un dieléctrico es menor donde

Por lo tanto, el índice de refracción n, según Maxwell, está determinado por la electricidad y propiedades magnéticas Miércoles. En un dieléctrico no magnético donde

Esta es la famosa relación de Maxwell.

En el "Tratado" Maxwell escribe: “Según la teoría de que la luz es una perturbación electromagnética que se propaga en el mismo medio a través del cual se propagan otras acciones electromagnéticas, V debe ser la velocidad de la luz, cuyo valor numérico puede determinarse mediante varios métodos . Por otro lado, v es el número de unidades electrostáticas en una unidad electromagnética y los métodos para determinar esta cantidad se describieron en el capítulo anterior. Son métodos completamente independientes para determinar la velocidad de la luz. En consecuencia, la coincidencia o no coincidencia de los valores de Y yv proporciona una prueba de la teoría electromagnética de la luz ".

Maxwell da un resumen de las definiciones de V yv, del cual se sigue que "la velocidad de la luz y la relación de unidades son del mismo orden de magnitud". Aunque Maxwell no considera que esta coincidencia sea lo suficientemente precisa, espera que en experimentos posteriores se pueda determinar con mayor precisión la relación entre las dos cantidades. En cualquier caso, los datos disponibles no refutan la teoría. Pero con respecto a la ley de Maxwell, la situación era peor. Estaba solo resultado experimental obtenido determinando la constante dieléctrica de la parafina. Resultó ser igual ae = 1.975. Por otro lado, los valores del índice de refracción de parafina para las líneas de Fraunhofer - A, D, H resultaron ser iguales an = 1.420 en lugar de

Esta diferencia es bastante grande y no se puede atribuir a un error de observación. Maxwell lo consideró una indicación de la necesidad de una mejora significativa en la teoría de la estructura de la materia, "antes de que podamos deducir las propiedades ópticas de los cuerpos a partir de sus propiedades eléctricas". Esta observación tan sutil y profunda estaba plenamente justificada en la historia de la física.

En la época de Maxwell, la región de longitud de onda larga del espectro electromagnético aún no se había descubierto y, naturalmente, los valores del índice de refracción no se habían medido para ella. Sin embargo, ya se ha detectado una dispersión anómala en la región óptica, lo que ha demostrado que el índice de refracción depende de la frecuencia de una forma muy compleja. Requerido versátil experimental y investigación teórica decir con toda certeza acerca de la validez de la ley de Maxwell. El propio Maxwell estaba profundamente convencido de la veracidad de sus conclusiones y no le avergonzaba la desviación de los datos experimentales de los valores teóricos. Siguió de cerca la investigación en esta área, aunque advirtió: "Difícilmente podemos esperar una verificación siquiera aproximada si comparamos los resultados de nuestros experimentos eléctricos que fluyen lentamente con vibraciones de luz que ocurren miles de millones de veces por segundo". Sin embargo, acogió con satisfacción los resultados de Boltzmann, quien midió las constantes dieléctricas de los gases y mostró la validez de la relación de Maxwell n2 = e para varios gases. Incluyó los resultados de Boltzmann en su último trabajo "Electricidad en una presentación elemental", publicado póstumamente . También incluyó los resultados de los físicos rusos N.N. Shiller (1848-1910) y P.A.Zilov (1850-1921).

N.N. Schiller en 1872-1874 midió la constante dieléctrica de varias sustancias en campos eléctricos alternos con una frecuencia de aproximadamente 10 Hz. Para varios dieléctricos, encontró una confirmación aproximada de la ley n2 = e, pero para otros, por ejemplo, para el vidrio, la discrepancia fue muy significativa. PA Zilov midió en 1876 las constantes dieléctricas de algunos líquidos. Para la trementina, encontró: e = 2.21, e (1/2) = 1.49, n = 1.456. Zilov entendió perfectamente que la longitud de las ondas eléctricas "es infinitamente grande en comparación con la longitud de las ondas de luz", y formula la ley de Maxwell de la siguiente manera: "La raíz cuadrada de la constante dieléctrica de un aislante es igual a su índice de refracción para rayos de onda infinitamente larga ".

N.N.Shiller y P.A.Zilov eran estudiantes de Stoletov. El propio Stoletov estaba profundamente interesado en la teoría de Maxwell y emprendió la medición de la proporción de unidades para confirmar la conclusión de Maxwell. En Rusia, la teoría de Maxwell encontró simpatía y comprensión, y los físicos rusos contribuyeron mucho a su éxito.

En la teoría de Maxwell, la energía se distribuye en el espacio con densidad aparente. Es obvio que una onda electromagnética, que se propaga en el espacio, lleva energía consigo. Maxwell argumentó que, al caer sobre una superficie absorbente, una onda produce una presión en esta superficie igual a la densidad de energía volumétrica. Esta conclusión de Maxwell fue criticada por W. Thomson (Kelvin) y otros físicos. Como veremos a continuación, el físico ruso P.N. Lebedev demostró la corrección de Maxwell.

La teoría del movimiento de la energía fue desarrollada por el físico ruso N.A. Umov.

N. A. Umov nació el 23 de enero de 1846 en la familia de un médico de Simbirsk. Después de graduarse del Primer Gimnasio de Moscú en 1863, UMOV ingresó en la Universidad de Moscú, de la que se graduó en 1867 como candidato. En 1871, Umov defiende tesis de maestría"Teoría de los fenómenos termomecánicos en cuerpos sólidos elásticos" y fue elegido profesor asistente de la Universidad de Novorossiysk en Odessa. En 1874 defendió su tesis doctoral "Ecuaciones de movimiento de la energía en los cuerpos". La disputa fue difícil. La idea del movimiento de la energía parecía inaceptable incluso para físicos como A.G. Stoletov. En 1875, Umov se convirtió en un extraordinario y en 1880 en un profesor ordinario en la Universidad de Novorossiysk. En 1893 se trasladó a Moscú en relación con su elección como profesor universitario. Tres años más tarde, ocupa el Departamento de Física, que quedó vacante tras la muerte de Stoletov.

Bajo el liderazgo de Umov, se está diseñando y construyendo el edificio del instituto de física de la universidad. Umov murió el 15 de enero de 1915.

En su obra "Ecuaciones de movimiento de la energía en los cuerpos", Umov considera el movimiento de la energía en un medio con una distribución uniforme de energía en todo el volumen, de modo que cada elemento del volumen del medio "contiene en un momento dado un determinado cantidad de energía." Umov denota la densidad de energía volumétrica a través de E y a través de lx, 1y, lz - "las componentes a lo largo de los ejes de coordenadas rectangulares x, y y z de la velocidad con la que la energía se mueve en el punto considerado del medio". Umov establece además una ecuación diferencial que obedece al cambio en la densidad de energía E a lo largo del tiempo:

Como Maxwell, Umov denota derivadas parciales por

Hoy escribimos al revés:

Por tanto, el cambio de energía dentro del volumen está determinado por su flujo a través de la superficie. A través de cada unidad de superficie por unidad de tiempo, fluye la cantidad de energía E1, igual a la componente normal del vector A1 = = y. Este vector ahora se llama vector Umov.

El 17 de diciembre de 1883, Rayleigh presentó a la Royal Society un mensaje de John Poynting (1852-1914) "Sobre el transporte de energía en un campo electromagnético". Este mensaje fue leído por Poynting el 10 de enero de 1884 y publicado en las actas de la sociedad en 1885, es decir, 11 años después de la publicación de Umov. Sin conocer esta publicación, que apareció en Odessa en 1874 como un folleto separado, Poynting resuelve la misma cuestión en relación con el caso del movimiento de la energía electromagnética. Partiendo de la expresión de Maxwell para la densidad aparente de la energía electromagnética, Poynting encuentra un teorema, que formula de la siguiente manera: “El cambio en la suma de las energías eléctrica y magnética contenidas dentro de la superficie por segundo, junto con el calor desarrollado por las corrientes, es igual al valor al que cada elemento de la superficie aporta su parte, dependiendo de los valores de la fuerza eléctrica y magnética sobre este elemento ".

Esto significa que “la energía fluye ... perpendicular al plano que contiene las líneas de fuerzas eléctricas y magnéticas, y que la cantidad de energía que atraviesa la superficie unitaria de este plano por segundo es igual al producto: fuerza electromotriz, fuerza magnética, seno del ángulo entre ellos, dividido por 4, mientras que la dirección del flujo está determinada por tres cantidades: fuerza electromotriz, fuerza magnética y flujo de energía, conectados en un ligamento roscado derecho ”.

En notación moderna, el vector de flujo de energía de Poynting en magnitud y dirección está determinado por la expresión:

En nuestra literatura, este vector se denomina vector Umov-Poynting.

Hablando de los logros de la teoría de la interacción cercana, a la que pertenece la teoría de Maxwell, no se debe olvidar que esta teoría no contó con el apoyo de la mayoría de los principales físicos. Maxwell, en el prefacio de la primera edición de su Tratado sobre electricidad y magnetismo, fechado el 1 de febrero de 1873, escribió que el método de Faraday es igual al método de los matemáticos que interpretan la electricidad en términos de acción a distancia. "Descubrí", escribió Maxwell, "que los resultados de ambos métodos son generalmente los mismos, de modo que explican los mismos fenómenos y las mismas leyes se derivan de ambos métodos". Sin embargo, enfatiza que los métodos fructíferos encontrados por los matemáticos "pueden expresarse en términos de ideas tomadas de Faraday mucho mejor que en su forma original". Esta es, según Maxwell, la teoría del potencial, si el potencial se considera como una cantidad que satisface una ecuación diferencial parcial. Maxwell favorece y defiende el método Faraday. "Este camino, aunque puede parecer menos definido en algunas partes, creo que está más fiel a nuestro conocimiento actual, tanto en lo que afirma como en lo que deja sin resolver". Al concluir su tratado con un análisis de la teoría de la acción a distancia, Maxwell señala que todos estaban en oposición al concepto de campo, estaban "en contra del supuesto de la existencia de un entorno en el que se propaga la luz". Pero Maxwell sostiene que el concepto de acción de largo alcance choca inevitablemente con la pregunta: "Si algo se extiende a una distancia de una partícula a otra, ¿en qué estado estará cuando haya dejado una partícula y aún no haya llegado a otra?" " Maxwell cree que la única respuesta razonable a esta pregunta es la hipótesis de un medio intermedio que transfiere la acción de una partícula a otra, la hipótesis de la acción cercana. Si aceptamos esta hipótesis, entonces, como piensa Maxwell, "debería ocupar un lugar destacado en nuestra investigación, y deberíamos tratar de formarnos una imagen mental de todos los detalles de esta acción". “Y ese era”, concluye Maxwell, “mi objetivo constante en este tratado”.

Así, ya en el "Tratado" Maxwell afirma la presencia de una seria oposición entre los partidarios de la acción a largo plazo a las nuevas ideas. Claramente siente que el nuevo concepto de campo significa elevar nuestra comprensión de los fenómenos electromagnéticos a un nuevo nivel superior, y en esto ciertamente tiene razón. Pero este nuevo nivel La introducción de un concepto de campo poco claro, no directamente perceptible por nosotros, nos aleja aún más de las representaciones sensoriales ordinarias, de los conceptos habituales. . " Se necesitaban nuevos resultados para que la teoría de Maxwell se convirtiera en propiedad de la física. El papel decisivo en la victoria de la teoría de Maxwell lo desempeñó el físico alemán Heinrich Hertz.

Hertz. Heinrich Rudolf Hertz nació el 22 de febrero de 1857 en la familia de un abogado que luego se convirtió en senador. En la era de Herz, la industria, la ciencia y la tecnología se desarrollaron intensamente en la Alemania unida. En la Universidad de Berlín, Helmholtz creó una escuela científica mundial, bajo su liderazgo se construyó un instituto de física en 1876. ( Sobre la creación y estructura del Instituto de Física Helmholtz, ver el libro: A.V. Lebedinsky. y otros Helmholtz.-M.: Science 1966, p. 148-153.) Al mismo tiempo, Werner Siemens (1816-1892) trabajó intensamente en el campo de la ingeniería eléctrica de alta corriente. Siemens fue el organizador de las mayores firmas de ingeniería eléctrica Siemens y Halske, Siemens y Schunkert. Junto con Helmholtz, fue uno de los iniciadores de la creación del Instituto de Física y Tecnología, la institución metrológica más alta de Alemania. Amigo y pariente de Siemens, Helmholtz fue el primer presidente de este instituto.

Hertz también entró en el entorno de estos líderes de la ciencia y la tecnología alemanas. Después de graduarse del gimnasio en 1875, Hertz estudió primero en Dresde y luego en la Escuela Técnica Superior de Munich. Pero pronto se dio cuenta de que su vocación era la ciencia y se trasladó a la Universidad de Berlín, donde estudió física bajo la dirección de Helmholtz.

Hertz era un alumno favorito de Helmholtz, y fue él a quien Helmholtz le encargó que probara experimentalmente las conclusiones teóricas de Maxwell. Hertz comenzó sus famosos experimentos como profesor en la Escuela Técnica Superior de Karlsruhe y los terminó en Bonn, donde fue profesor de física experimental.

Hertz murió el 1 de enero de 1894. Su maestro Helmholtz, quien escribió un obituario para su alumno, murió el mismo año el 8 de septiembre.

En su obituario, Helmholtz recuerda el comienzo de la carrera científica de Hertz, cuando le propuso un tema para el trabajo de los estudiantes en el campo de la electrodinámica, "estando seguro de que Hertz estaría interesado en este tema y lo resolvería con éxito". Así, Helmholtz introdujo a Hertz en el área en la que posteriormente tuvo que hacer descubrimientos fundamentales e inmortalizarse a sí mismo. Al describir el estado de la electrodinámica en ese momento (verano de 1879), Helmholtz escribió: "... El campo de la electrodinámica se convirtió en ese momento en un desierto sin carreteras, hechos basados ​​en observaciones y consecuencias de teorías muy dudosas - todo esto se mezcló" . Tenga en cuenta que esta característica se refiere a 1879, el año de la muerte de Maxwell. Hertz nació como científico en este mismo año. Una característica poco favorecedora de la electrodinámica a finales de los 70 y principios de los 80 del siglo XIX. dada por Engels en 1882.

Engels señala la "omnipresencia de la electricidad", que se manifiesta en el estudio de los diversos procesos de la naturaleza, su creciente aplicación en la industria y señala que, a pesar de ello, "es precisamente esa forma de movimiento, sobre cuya esencia hay sigue siendo la mayor oscuridad ".

“En la doctrina ... de la electricidad”, prosigue Engels, “tenemos ante nosotros una pila caótica de experimentos antiguos y poco fiables que no han recibido ni la confirmación final ni la refutación final, una especie de vagabundeo incierto en la oscuridad, investigaciones no relacionadas y las experiencias de muchos científicos individuales, atacando un área desconocida en desorden, como una horda de jinetes nómadas "( Engels f. Dialéctica de la naturaleza. - K. Marx, F. Engels Obras, 2ª ed., V. 20, p. 433-434.). Aunque Engels se expresa de forma más aguda que Helmholtz, sus características son básicamente las mismas: "desierto sin caminos", "vagando en la oscuridad". Pero Helmholtz no dice una palabra sobre Maxwell, y Engels señala el "progreso decisivo" de las teorías etéricas de la electricidad y "un éxito indiscutible", refiriéndose a la confirmación experimental de Boltzmann de la ley de Maxwell n2 = e.

“Así”, resume Engels, “la teoría del éter especialmente maxwelliana fue confirmada experimentalmente”. Engels f. Dialéctica de la naturaleza. - K. Marx, F. Engels Obras, 2ª ed., V. 20, p. 439.) Pero la confirmación decisiva aún estaba por llegar.

Mientras tanto, el joven científico en sus obras "Un intento de determinar el límite superior de la energía cinética del flujo de electricidad" (1880), su tesis doctoral "Sobre la inducción en cuerpos giratorios" (marzo de 1880), "Sobre el relación de las ecuaciones electrodinámicas de Maxwell con la electrodinámica opuesta "(1884) tuvo que abrirse paso a través del" desierto sin caminos ", buscando puentes entre teorías rivales. En su trabajo de 1884, Hertz muestra que la electrodinámica maxwelliana tiene ventajas sobre la electrodinámica ordinaria, pero considera que no está probado que sea la única posible. Más tarde, Hertz, sin embargo, se decidió por la teoría del compromiso de Helmholtz. Helmholtz tomó de Maxwell y Faraday el reconocimiento del papel del medio ambiente en los procesos electromagnéticos, pero a diferencia de Maxwell, creía que la acción de las corrientes abiertas debería ser diferente de la acción de las corrientes cerradas. La acción de las corrientes cerradas se deriva de ambas teorías de la misma manera, mientras que para las corrientes abiertas, según Helmholtz, se deben observar diferentes consecuencias de ambas teorías. “Para todos los que conocían el estado real de las cosas en ese momento”, escribió Helmholtz, “estaba claro que una comprensión completa de la teoría de los fenómenos electromagnéticos solo podría lograrse mediante un estudio preciso de los procesos asociados con estas corrientes abiertas instantáneas. "

Esta cuestión fue estudiada en el laboratorio de Helmholtz por NN Schiller, quien dedicó su tesis doctoral "Propiedades dieléctricas - extremos de corrientes abiertas en dieléctricos" (1876) a esta investigación. Schiller no encontró la diferencia entre corrientes cerradas y abiertas, como debería haber sido según la teoría de Maxwell. Pero, aparentemente, Helmholtz no estaba satisfecho con esto y sugirió a Hertz que revisara la teoría de Maxwell y abordara el problema planteado en 1879 por la Academia de Ciencias de Berlín: "demostrar experimentalmente la existencia de alguna conexión entre las fuerzas electrodinámicas y la polarización dieléctrica de los dieléctricos. . " Los cálculos de Hertz mostraron que el efecto esperado, incluso en las condiciones más favorables, sería demasiado pequeño y "se negó a desarrollar el problema". Sin embargo, a partir de ese momento, no dejó de pensar en posibles formas de solucionarlo, y su atención "se agudizó en relación a todo lo relacionado con las oscilaciones eléctricas".

De hecho, a bajas frecuencias, el efecto de la corriente de desplazamiento, es decir, esta es la principal diferencia entre la teoría de Maxwell y la teoría de la acción de largo alcance, es insignificante, y Hertz entendió correctamente que se necesitan oscilaciones eléctricas de alta frecuencia para resolver con éxito el problema. ¿Qué se sabía sobre estas fluctuaciones?

En 1842, el físico estadounidense J. Henry, repitiendo los experimentos de Savard en 1826, estableció que la descarga de la jarra de Leyden "no parece ser ... una sola transferencia de un fluido ingrávido desde una dirección, y luego varios reflejados acciones de ida y vuelta, cada una de las cuales es más débil que la anterior, y continúan hasta que se produce el equilibrio ".

Helmholtz en sus memorias "Sobre la conservación del poder" también afirma que la descarga de una batería de frascos de Leyden debe representarse "no como un simple movimiento de electricidad en una dirección, sino como su movimiento hacia adelante y hacia atrás entre ambas placas, como vibraciones que disminuyen cada vez más hasta que todo su poder vivo no es destruido por la suma de resistencias ".

W. Thomson en 1853 investigó la descarga de un conductor de determinada capacidad a través de un conductor de determinada forma y resistencia. Aplicando la ley de conservación de la energía al proceso de descarga, derivó la ecuación del proceso de descarga de la siguiente forma:

donde q es la cantidad de electricidad en el conductor descargado en un tiempo dado t, C es la capacitancia del conductor, k es la resistencia galvánica del descargador, A es "una constante que se puede llamar la capacitancia electrodinámica del descargador" y que ahora llamamos coeficiente de autoinducción o inductancia. Thomson, al analizar la solución de esta ecuación para diferentes raíces de la ecuación característica, encuentra que cuando la cantidad

tiene un valor real (1 / CA> 4 * (k / A) 2), entonces la solución muestra que “que el conductor principal pierde su carga, se carga con menos electricidad del signo opuesto, se descarga nuevamente, nuevamente resulta cargarse incluso con menos electricidad del signo original, y este fenómeno se repite un número infinito de veces hasta que se establece el equilibrio ". La frecuencia cíclica de estas oscilaciones amortiguadas es:

Por lo tanto, el período de oscilación se puede representar mediante la fórmula:

Para pequeños valores de resistencia, obtenemos la conocida fórmula de Thomson:

Las oscilaciones electromagnéticas fueron investigadas experimentalmente por W. Feddersen (1832-1918), quien examinó la imagen de una descarga de chispa de una jarra de Leyden en un espejo giratorio, fotografiando estas imágenes, Feddersen estableció que "corrientes opuestas alternativamente tienen lugar en una chispa eléctrica" y que el tiempo de una oscilación "aumenta en la medida en que aumenta la raíz cuadrada de la superficie electrificada", es decir, el período de oscilación es proporcional a la raíz cuadrada de la capacidad, como se deduce de la fórmula de Thomson. No es de extrañar que Thomson, al volver a publicar en 1882 su trabajo "Sobre corrientes eléctricas transitorias", comentado anteriormente, le proporcionara una nota fechada el 11 de agosto de 1882: El excelente estudio fotográfico de Feddersen sobre la chispa eléctrica. Thomson señala además que su teoría "fue sometida a un estudio experimental muy importante y notablemente realizado en el laboratorio de Helmholtz en Berlín", refiriéndose al trabajo de NN Schiller en 1874 "Algunos estudios experimentales de oscilaciones eléctricas". Thomson señala que, entre otros "resultados significativos" de este estudio, "las capacidades inductivas específicas (es decir, las constantes dieléctricas) de ciertas sustancias aislantes sólidas se determinaron a partir de mediciones de los períodos de las oscilaciones observadas".

Por lo tanto, al comienzo de la investigación de Hertz, las oscilaciones eléctricas se habían estudiado tanto teórica como experimentalmente. Hertz, con su gran atención a este tema, trabajando en el más alto escuela Técnica en Karlsruhe, encontró en el estudio de física un par de bobinas de inducción destinadas a demostraciones en conferencias. “Me asombró”, escribió, “que para generar chispas en un devanado, no era necesario descargar baterías grandes a través de otro, y además, que los pequeños bancos de Leyden e incluso las descargas de un pequeño aparato de inducción fueran suficientes para esto. , si tan solo la descarga atravesara el espacio de la chispa ". Al experimentar con estas bobinas, a Hertz se le ocurrió la idea de su primer experimento;

La configuración experimental y los experimentos mismos fueron descritos por Hertz en un artículo publicado en 1887 "Sobre oscilaciones eléctricas muy rápidas". Hertz describe aquí una forma de generar oscilaciones "unas cien veces más rápidas que las observadas por Feddersen". “El período de estas fluctuaciones”, escribe Hertz, “determinado, por supuesto, sólo con la ayuda de la teoría, se mide en fracciones de cien millonésimas de segundo. En consecuencia, en términos de duración, ocupan un lugar intermedio entre las vibraciones sonoras de cuerpos pesados ​​y las vibraciones ligeras del éter ". Sin embargo, este trabajo no habla de ondas electromagnéticas con una longitud de unos 3 m. Todo lo que hizo fue construir un generador y un receptor de oscilaciones eléctricas, estudiando el efecto inductivo del circuito oscilatorio del generador sobre el circuito oscilatorio del receptor a una distancia máxima de 3 m entre ellos.

El circuito oscilatorio en el experimento final consistió en los conductores C y C1, ubicados a una distancia de 3 m entre sí, conectados por un cable de cobre, en el medio del cual había un descargador de bobina de inducción. El receptor era un contorno rectangular con lados de 80 y 120 cm, con una chispa en uno de los lados cortos. El efecto inductivo del generador en el receptor fue detectado por una chispa débil en este espacio.

Arroz. 43. La experiencia de Hertz

Luego, Hertz hizo un circuito receptor en forma de dos bolas de 10 cm de diámetro, conectadas por un cable de cobre, en el medio del cual había un espacio de chispas. Al describir los resultados del experimento, Hertz concluyó: “Creo que aquí por primera vez se mostró experimentalmente la interacción de corrientes abiertas en línea recta, teniendo tales gran importancia para la teoría ". De hecho, como sabemos, fueron los circuitos abiertos los que permitieron elegir entre teorías en competencia. Sin embargo, Hertz no habla de ondas electromagnéticas maxwellianas ni en este primer trabajo ni en los tres posteriores, todavía no las ve. Hasta ahora habla de la "interacción" de los conductores y calcula esta interacción de acuerdo con la teoría de la acción de largo alcance. Los conductores con los que trabaja Hertz aquí han entrado en la ciencia con el nombre de vibrador y resonador de Hertz. Un conductor se llama resonador porque está más fuertemente excitado por vibraciones que resuenan con sus propias vibraciones.

En el siguiente trabajo "Sobre la influencia de la luz ultravioleta en una descarga eléctrica", que ingresó a los "Protocolos de la Academia de Ciencias de Berlín" el 9 de junio de 1887, Hertz describe un fenómeno importante, descubierto por él y más tarde llamado efecto fotoeléctrico . Este notable descubrimiento se debió a la imperfección del método de Hertz para detectar oscilaciones: las chispas excitadas en el receptor eran tan débiles que Hertz decidió colocar el receptor en una caja oscura para facilitar la observación. Sin embargo, resultó que la longitud máxima de chispa en este caso es mucho más corta que en un circuito abierto. Retirando sucesivamente las paredes de la caja, Hertz notó que la pared que daba a la chispa del generador tenía un efecto de interferencia. Al estudiar este fenómeno a fondo, Hertz encontró la razón que facilita la descarga de la chispa al receptor: el brillo ultravioleta de la chispa del generador. Así, puramente por casualidad, como escribe el propio Hertz, se descubrió un hecho importante que no tenía relación directa con el propósito del estudio. Este hecho atrajo inmediatamente la atención de varios investigadores, incluido el profesor de la Universidad de Moscú A.G. Stoletov, quien estudió con especial atención nuevo efecto, al que llamó actinoeléctrico.

Experiencia con vibrador Hertz

A.G. Stoletov. Alexander Grigorievich Stoletov nació el 10 de agosto de 1839 en Vladimir en una familia de comerciantes. Después de graduarse del Vladimir Gymnasium, Stoletov ingresó en la Facultad de Física y Matemáticas de la Universidad de Moscú y se quedó allí para prepararse para la enseñanza. De 1862 a 1865, Stoletov se encontraba en un viaje de negocios al extranjero, durante el cual conoció a destacados científicos alemanes Kirchhoff, Magnus y otros. En 1866 Stoletov se convirtió en profesor universitario e impartió un curso de física matemática. En 1869 defendió su tesis de maestría "El problema general de la electrostática y su reducción al caso más simple", tras lo cual fue aprobado por el profesor asociado de la universidad.

Después de haber defendido su tesis doctoral "Investigación de la función de magnetización del hierro dulce" en 1872, Stoletov fue aprobado como profesor extraordinario en la Universidad de Moscú y organizó un laboratorio de física que capacitó a muchos físicos rusos. En este laboratorio, Stoletov - comenzó su investigación actinoeléctrica en 1888. ( Para obtener más información sobre el laboratorio de A. G. Stoletov, consulte VKN Teplyakov GM, Kudryavtsev P. S. Alexander G. Stoletov. - M. - Educación, 1966)

Hertz, en su artículo sobre el efecto de la luz ultravioleta en la descarga eléctrica, señaló la capacidad de la radiación ultravioleta para aumentar la brecha de chispas de una brecha inductora y descargadores similares. "Las condiciones bajo las cuales manifiesta su acción en tales descargas son, por supuesto, muy complejas, y sería deseable investigar la acción en condiciones más simples, en particular, eliminando la inducción", escribió Hertz. En una nota, señaló que no pudo encontrar las condiciones que pudieran reemplazar "el proceso tan poco conocido de una descarga de chispa con una acción más simple". Por primera vez, solo G. Galvachs (1859-1922) logró hacer esto. Pero Galwachs, Wiedemann y Ebert estudiaron, como Hertz, el efecto de la luz sobre las descargas eléctricas de alto voltaje.

Stoletov decidió investigar "si se obtendrá un efecto similar con electricidad de potenciales débiles". Tras señalar las ventajas de este método, Stoletov continuó: “Mi intento fue exitoso más allá de las expectativas. Los primeros experimentos comenzaron alrededor del 20 de febrero de 1888 y continuaron continuamente ... hasta el 21 de junio de 1888 ". Denominando actinoeléctrico al fenómeno investigado, Stoletov informa que continuó los experimentos en la segunda mitad de 1888 y en 1889 y todavía no los considera completos.

Para obtener el efecto fotoeléctrico (término que sustituyó al término de Stoletov), ​​Stoletov utilizó una instalación que era el prototipo de las fotocélulas modernas. Dos discos de metal (Stoletov los llamó ahora "armaduras", ahora "electrodos"), uno hecho de una malla metálica y el otro sólido, conectados a los polos de una batería galvánica a través de un galvanómetro, formando un condensador conectado al circuito de la batería. . Se colocó una lámpara de arco frente al disco de malla, cuya luz, al pasar a través de la malla, incidía sobre el disco de metal.

“Ya experimentos preliminares ... me convencieron de que no solo una batería de 100 celdas ..., sino también una mucho más pequeña da una indudable corriente en el galvanómetro durante la iluminación de los discos, si solo el disco sólido (trasero) es conectado a su polo negativo, y la malla (frontal) - positivo.

El fenómeno de la corriente fotoeléctrica se reprodujo de manera tan simple y limpia. Fue Stoletov quien sacó este fenómeno de la confusión de las relaciones complejas de la descarga eléctrica, inventó un diseño simple de la primera fotocélula y, por lo tanto, sentó las bases para el estudio fructífero del efecto fotoeléctrico. Stoletov mostró por primera vez clara y claramente la unipolaridad del efecto: "Desde el comienzo de mi investigación, insistí categóricamente en la perfecta unipolaridad de la acción actinoeléctrica, es decir, en la insensibilidad de las cargas positivas a los rayos". También demostró la inercia de la acción: "La corriente actinoeléctrica se detiene instantáneamente (prácticamente hablando), tan pronto como los rayos son retardados por la pantalla"; demostró que el efecto fotoeléctrico está asociado "con la absorción de rayos activos" por el electrodo iluminado: "Los rayos deben ser absorbidos por una superficie cargada negativamente". Obviamente, la absorción en la capa superior más delgada del electrodo, en la capa donde, por así decirlo, se asienta la carga eléctrica, es importante.

Investigando el tiempo transcurrido desde la iluminación del electrodo hasta la aparición de la fotocorriente (era muy difícil y poco confiable), Stoletov encontró que este tiempo "es muy insignificante, es decir, la acción de los rayos se puede considerar, prácticamente hablando , instantáneo ". "Prácticamente hablando, la corriente aparece y desaparece simultáneamente con la iluminación". Stoletov también descubrió que la dependencia de la fotocorriente del voltaje no es lineal; "La corriente es aproximadamente proporcional a la fuerza electromotriz sólo en los valores más pequeños. Hasta este último, y luego, a medida que aumenta, aunque también crece, pero cada vez más lentamente".

Por lo tanto, Stoletov investigó a fondo y a fondo el efecto fotoeléctrico. Vio claramente la naturaleza del fenómeno, sin embargo, antes del descubrimiento de los electrones, él, naturalmente, aún no podía revelar su verdadera esencia: la extracción de electrones por la luz. Es tanto más sorprendente que en el primer párrafo de sus conclusiones, escribe: "Los rayos de un arco voltaico, que caen sobre la superficie de un cuerpo cargado negativamente, se llevan una carga".

El nombre de Stoletov es legítimamente uno de los pioneros del efecto fotoeléctrico.

En 1890 Stoletov continuó su investigación. Los resultados de nuevos estudios se publicaron en el artículo "Fenómenos actinoeléctricos en gases raros". Aquí Stoletov investigó el papel de la presión del gas en una fotocélula. Descubrió que con una disminución en la presión del gas, la corriente crece al principio lentamente, luego más rápido, alcanzando un máximo a una cierta presión, que Stoletov llamó crítica y denotada por RT. Después de alcanzar la presión crítica, la corriente cae, acercándose al límite final. Stoletov encontró una ley que relacionaba la presión crítica con la carga del condensador. "La presión crítica es proporcional a la carga del condensador, en otras palabras, - ^ L- = const". Esta ley entró en la física de una descarga de gas con el nombre de ley de Stoletov.

Los estudios actinoeléctricos fueron seguidos por los artículos de Stoletov sobre condición crítica discutidos anteriormente.

Como resultado de estudiar este capítulo, el estudiante debe:

saber

• fundamentos empíricos y teóricos de la teoría del campo electromagnético;
• la historia de la creación de la teoría del campo electromagnético, la historia del descubrimiento de la presión de la luz y las ondas electromagnéticas;
• la esencia física de las ecuaciones de Maxwell (en forma integral y diferencial);
• las principales etapas de la biografía de J.C. Maxwell;
• las principales direcciones del desarrollo de la electrodinámica después de J.C. Maxwell;
• Los logros de J.C. Maxwell en física molecular y termodinámica;

ser capaz de

• evaluar el papel de Maxwell en el desarrollo de la teoría de la electricidad y el magnetismo, el significado fundamental de las ecuaciones de Maxwell, el lugar del libro "Tratado sobre electricidad y magnetismo" en la historia de la ciencia, experiencias históricas G. Hertz y P. N. Lebedev;
• discutir las biografías de los científicos más importantes que trabajaron en el campo del electromagnetismo;

propio

Habilidades en el manejo de los conceptos básicos de la teoría del campo electromagnético.

Términos clave: campo electromagnético, ecuaciones de Maxwell, ondas electromagnéticas, presión de la luz.

Los descubrimientos de Faraday revolucionaron la ciencia de la electricidad. Con su mano ligera, la electricidad comenzó a conquistar nuevos puestos en la tecnología. El telégrafo electromagnético empezó a funcionar. A principios de los 70. En el siglo XIX, ya conectaba Europa con EE. UU., India y Sudamérica, aparecieron los primeros generadores de corriente eléctrica y motores eléctricos, la electricidad comenzó a ser ampliamente utilizada en química. Los procesos electromagnéticos penetraron cada vez más profundamente en la ciencia. Ha llegado la era en la que la imagen electromagnética del mundo estaba lista para reemplazar a la mecánica. Lo que se necesitaba era una persona genial que, como Newton en su tiempo, pudiera combinar los hechos y el conocimiento acumulado en ese momento y, sobre esa base, crear una nueva teoría que describiera los fundamentos del nuevo mundo. J.C. Maxwell se convirtió en uno de esos hombres.

James Clerk Maxwell(Fig. 10.1) nació en 1831. Su padre, John Clerk Maxwell, era claramente un hombre destacado. Abogado de profesión, sin embargo, dedicó un tiempo considerable a otras cosas más interesantes para él: viajó, diseñó máquinas, realizó experimentos físicos e incluso publicó varios artículos científicos. Cuando Maxwell tenía 10 años, su padre lo envió a estudiar a la Academia de Edimburgo, donde pasó seis años, hasta que ingresó a la universidad. A la edad de 14 años, Maxwell escribió su primer artículo científico sobre la geometría de las curvas ovaladas. Se publicó un resumen en Proceedings of the Royal Society of Edinburgh, 1846.

En 1847 Maxwell ingresó en la Universidad de Edimburgo, donde comenzó a estudiar matemáticas en profundidad. En este momento, dos más trabajo científico Los estudiantes superdotados se publicaron en Proceedings of the Royal Society of Edinburgh. El profesor Kelland presentó a la sociedad el contenido de uno de ellos (sobre curvas rodantes), el otro (sobre las propiedades elásticas de los sólidos) fue presentado por primera vez por el propio autor.

En 1850, Maxwell continuó su educación en Peterhouse - St. Peter's College, Cambridge University, y de allí se trasladó al College of the Holy Trinity - Trinity College, que dio al mundo a I. Newton, y más tarde a VV Nabokov, B. Russell En 1854, el Sr. Maxwell aprueba el examen y obtiene su licenciatura. Luego lo dejaron en Trinity College como profesor. Sin embargo, estaba más preocupado por los problemas científicos. En Cambridge, Maxwell comenzó a estudiar el color y la visión del color. En 1852 llegó a la conclusión de que la mezcla de colores espectrales no coincide con la mezcla de colores. Maxwell desarrolla una teoría de la visión del color, construye una peonza de color (Fig. 10.2).

Arroz. 10.1.

Arroz. 10.2.

Además de sus viejos pasatiempos: la geometría y el problema de los colores, Maxwell se interesó por la electricidad. En 1854, el 20 de febrero, escribió una carta desde Cambridge a Glasgow W. Thomson. Aquí está el comienzo de esta famosa carta:

¡Estimado Thomson! Ahora que entré en la clase de solteros malvados, comencé a pensar en leer. A veces es muy agradable estar entre los libros merecidamente reconocidos que todavía no he leído, pero que debo leer. Pero tenemos un fuerte impulso de volver a objetos fisicos y algunos de nosotros aquí queremos atacar la electricidad ".

Después de completar sus estudios, Maxwell se convirtió en miembro del Trinity College de la Universidad de Cambridge y en 1855 se convirtió en miembro de la Royal Society of Edinburgh. Sin embargo, pronto dejó Cambridge y regresó a su Escocia natal. El profesor Forbes le informó que se había abierto una vacante para un profesor de física en Aberdeen, en el College of Marishal, y que tenía todas las posibilidades de tomarla. Maxwell aceptó la oferta y en abril de 1856 (¡a la edad de 24 años!) Asumió un nuevo puesto. En Aberdeen, Maxwell continúa trabajando en problemas de electrodinámica. En 1857 envió a M. Faraday su obra "Sobre las líneas de fuerza de Faraday".

Entre otros trabajos de Maxwell en Aberdeen, su trabajo sobre la estabilidad de los anillos de Saturno es ampliamente conocido. De estudiar la mecánica de los anillos de Saturno, fue completamente natural pasar a considerar los movimientos de las moléculas de gas. En 1859, Maxwell habló en una reunión de la Asociación Británica para el Avance de las Ciencias con un informe "Sobre la teoría dinámica de los gases". Este informe marcó el comienzo de su fructífera investigación en la teoría cinética de los gases y la física estadística.

En 1860 Maxwell aceptó una invitación del King's College London y trabajó allí durante cinco años como profesor. No era un conferenciante brillante y no le gustaba mucho dar conferencias. Por tanto, la posterior ruptura en la docencia fue más deseable que molesta para él, y le permitió sumergirse por completo en la solución de fascinantes problemas de la física teórica.

Según A. Einstein, Faraday y Maxwell desempeñaron los mismos roles en la ciencia de la electricidad que Galileo y Newton desempeñaron en la mecánica. Así como Newton dio a los efectos mecánicos descubiertos por Galileo una forma matemática y una base física, Maxwell lo hizo en relación con los descubrimientos de Faraday. Maxwell dio a las ideas de Faraday una forma matemática estricta, introdujo el término "campo electromagnético", formuló leyes matemáticas que describen este campo. Galileo y Newton sentaron las bases para una imagen mecánica del mundo, Faraday y Maxwell, una electromagnética.

Maxwell comenzó a reflexionar sobre sus ideas sobre el electromagnetismo en 1857, cuando se escribió el artículo ya mencionado "Sobre las líneas de fuerza de Faraday". Aquí hace un uso extensivo de analogías hidrodinámicas y mecánicas. Esto permitió a Maxwell aplicar el aparato matemático del matemático irlandés W. Hamilton y así expresar las relaciones electrodinámicas en lenguaje matemático. Posteriormente, las analogías hidrodinámicas fueron reemplazadas por los métodos de la teoría de la elasticidad: los conceptos de deformación, presión, vórtices, etc. Partiendo de esto, Maxwell llega a las ecuaciones de campo, que en esta etapa aún no se han reducido a un sistema unificado. Estudiando dieléctricos, Maxwell expresa la idea de "corriente de desplazamiento", así como, de manera todavía vaga, la idea de la conexión entre la luz y el campo electromagnético ("estado electrotónico") en la formulación de Faraday, que Maxwell luego usó.

Estas ideas se expresan en los artículos "Sobre las líneas físicas de las fuerzas" (1861-1862). Fueron escritos durante el período londinense más fructífero (1860-1865). Al mismo tiempo, se publicaron los famosos artículos de Maxwell "La teoría dinámica del campo electromagnético" (1864-1865), donde se expresaban pensamientos sobre la naturaleza única de las ondas electromagnéticas.

De 1866 a 1871, Maxwell vivió en su propiedad familiar, Middleby, yendo ocasionalmente a Cambridge para los exámenes. Comprometido en asuntos económicos, Maxwell no abandonó sus estudios científicos. Trabajó duro en la obra principal de su vida "Tratado de electricidad y magnetismo", escribió el libro "Teoría del calor", una serie de artículos sobre la teoría cinética de los gases.

Un acontecimiento importante tuvo lugar en 1871. A expensas de los descendientes de G. Cavendish, se estableció el Departamento de Física Experimental en Cambridge y comenzó la construcción de un edificio de laboratorio experimental, que en la historia de la física se conoce como Laboratorio Cavendish (Fig. 10.3). Maxwell fue invitado a convertirse en el primer profesor del departamento y dirigir el laboratorio. En octubre de 1871, pronunció una conferencia inaugural sobre las direcciones y la importancia de la investigación experimental en la educación universitaria. Esta conferencia se convirtió en un plan de estudios para la enseñanza de la física experimental durante muchos años. El 16 de junio de 1874 se inauguró el Laboratorio Cavendish.

Desde entonces, el laboratorio se ha convertido en el centro de la ciencia física mundial durante muchas décadas, y es lo mismo ahora. Durante más de cien años, miles de científicos han pasado por él, incluidos muchos de los que hicieron la gloria de la ciencia física mundial. Después de Maxwell, muchos científicos destacados estuvieron a cargo del Laboratorio Cavendish: J.J. Thomson, E. Rutherford, L. Bragg, N.F. Mott, A.B. Pippard y otros.

Arroz. 10.3.

Tras el lanzamiento de "Tratado de Electricidad y Magnetismo", en el que se formulaba la teoría del campo electromagnético, Maxwell decidió escribir un libro "Electricidad en una presentación elemental" con el fin de popularizar y difundir sus ideas. Maxwell estaba trabajando en el libro, pero su salud empeoraba. Murió el 5 de noviembre de 1879, sin nunca presenciar el triunfo de su teoría.

Detengámonos en la herencia creativa del científico. Maxwell dejó una profunda huella en todas las áreas de la ciencia física. No en vano, varias teorías físicas llevan su nombre. Propuso una paradoja termodinámica, que obsesionó a los físicos durante muchos años: "el demonio de Maxwell". En la teoría cinética introdujo los conceptos conocidos como: "Distribución de Maxwell" y "Estadística de Maxwell-Boltzmann". También escribió un estudio exquisito sobre la estabilidad de los anillos de Saturno. Además, Maxwell creó muchas pequeñas obras maestras científicas en una amplia variedad de campos, desde tomar la primera fotografía en color del mundo hasta desarrollar una forma de eliminar radicalmente las manchas de grasa de la ropa.

Pasemos a la discusión teoría del campo electromagnético- la quintaesencia de la creatividad científica de Maxwell.

Cabe destacar que James Clerk Maxwell nació el mismo año en que Michael Faraday descubrió el fenómeno de la inducción electromagnética. Maxwell quedó particularmente impresionado con el libro de Faraday " Investigación experimental sobre la electricidad ".

En la época de Maxwell, había dos teorías alternativas electricidad: la teoría de las "líneas de fuerza" de Faraday y la teoría desarrollada por los científicos franceses Coulomb, Ampere, Biot, Savard, Arago y Laplace. La posición de partida de este último es el concepto de acción de largo alcance: la transferencia instantánea de interacción de un cuerpo a otro sin la ayuda de ningún medio intermedio. Faraday, de mentalidad realista, no pudo aceptar tal teoría. Estaba absolutamente convencido de que "la materia no puede actuar donde no existe". El medio a través del cual se transmite el impacto, lo llamó Faraday el "campo". El campo, creía, está impregnado de "líneas de fuerza" magnéticas y eléctricas.

En 1857, el artículo de Maxwell "Sobre las líneas de poder de Faraday" apareció en las Actas de la Sociedad Filosófica de Cambridge. Estableció todo el programa de investigación sobre electricidad. Tenga en cuenta que en este artículo, las ecuaciones de Maxwell ya estaban escritas, pero hasta ahora sin la corriente de desplazamiento. El artículo "Sobre las líneas de poder de Faraday" exigía una continuación. Las analogías electrohidráulicas dieron mucho. Con su ayuda, se escribieron ecuaciones diferenciales útiles. Pero no todo estaba subordinado a analogías electrohidráulicas. La ley más importante de la inducción electromagnética no encajaba en su marco de ninguna manera. Era necesario idear un nuevo mecanismo auxiliar que facilitara la comprensión del proceso, reflejando tanto el movimiento de traslación de las corrientes como la naturaleza rotacional y de vórtice del campo magnético.

Maxwell propuso un entorno especial en el que los vórtices son tan pequeños que caben dentro de las moléculas. Los "vórtices moleculares" giratorios producen un campo magnético. La dirección de los ejes de los vórtices de las moléculas coincide con sus líneas de fuerza, y ellas mismas pueden representarse como cilindros rotativos delgados. Pero las partes externas de los vórtices que están en contacto deben moverse en direcciones opuestas, es decir, obstaculizar el movimiento mutuo. ¿Cómo se puede garantizar la rotación de dos engranajes adyacentes en la misma dirección? Maxwell sugirió que entre las filas de vórtices moleculares hay una capa de partículas esféricas diminutas ("ruedas inactivas") capaces de girar. Ahora los vórtices podrían girar en una dirección e interactuar entre sí.

Maxwell también comenzó a estudiar el comportamiento de su modelo mecánico en el caso de conductores y dieléctricos y llegó a la conclusión de que los fenómenos eléctricos también pueden ocurrir en un medio que impide el paso de la corriente, en un dieléctrico. Dejemos que las "ruedas inactivas" no puedan moverse traslacionalmente en estos medios bajo la acción del campo eléctrico, pero cuando el campo eléctrico se aplica y se quita, se desplazan de sus posiciones. Maxwell necesitó mucho coraje científico para identificar este desplazamiento de cargas asociadas con una corriente eléctrica. Después de todo, esta corriente ... corriente de polarización- nadie ha visto todavía. Después de eso, Maxwell inevitablemente tuvo que dar el siguiente paso: reconocer que esta corriente tiene la capacidad de crear su propio campo magnético.

Así, el modelo mecánico de Maxwell hizo posible hacer siguiente salida: un cambio en el campo eléctrico conduce a la aparición de un campo magnético, es decir a un fenómeno opuesto a Faraday, cuando un cambio en el campo magnético conduce a la aparición de un campo eléctrico.

El próximo artículo de Maxwell sobre electricidad y magnetismo es "Sobre líneas físicas de fuerza". Los fenómenos eléctricos exigían un éter sólido como el acero para su explicación. Maxwell se encontró inesperadamente en el papel de O. Fresnel, quien se vio obligado a "inventar" su éter "óptico", sólido como el acero y permeable como el aire, para explicar los fenómenos de polarización. Maxwell observa la similitud de dos entornos: "luminífero" y "eléctrico". Poco a poco se está acercando a su gran descubrimiento de la "naturaleza única" de la luz y las ondas electromagnéticas.

En el próximo artículo, "Teoría dinámica del campo electromagnético", Maxwell utilizó por primera vez el término "campo electromagnético". “La teoría que propongo se puede llamar teoría del campo electromagnético, porque se ocupa del espacio que rodea a los cuerpos eléctricos o magnéticos, y también se puede llamar teoría dinámica, porque asume que hay materia en este espacio, que está en movimiento, mediante el cual se producen los fenómenos electromagnéticos observados ”.

Cuando Maxwell derivó sus ecuaciones en la "Teoría dinámica del campo electromagnético", una de ellas pareció testificar exactamente de lo que estaba hablando Faraday: las influencias magnéticas de hecho se propagaron en forma de ondas transversales. Maxwell no se dio cuenta entonces de que se siguen más cosas de sus ecuaciones: junto con el efecto magnético, la perturbación eléctrica se propaga en todas direcciones. Una onda electromagnética en el sentido completo de la palabra, incluidas las perturbaciones eléctricas y magnéticas, apareció en Maxwell más tarde, ya en Middleby, en 1868, en el artículo "Sobre el método de comparación directa de la fuerza electrostática con la fuerza electromagnética con un comentario sobre la teoría electromagnética de la luz "...

En Middleby, Maxwell completó la obra principal de su vida: "Tratado sobre electricidad y magnetismo", publicado por primera vez en 1873 y posteriormente reimpreso varias veces. El contenido de este libro, por supuesto, fue principalmente artículos sobre electromagnetismo. El "Tratado" proporciona sistemáticamente las bases del cálculo vectorial. Luego siguen cuatro partes: electrostática, electrocinética, magnetismo, electromagnetismo.

Tenga en cuenta que el método de investigación de Maxwell difiere marcadamente de los métodos de otros investigadores. No solo cada uno valor matemático, pero cada operación matemática está dotada de un profundo significado físico. Al mismo tiempo, una característica matemática clara corresponde a cada magnitud física. Uno de los capítulos del "Tratado" se llama "Ecuaciones básicas del campo electromagnético". Aquí están las ecuaciones básicas del campo electromagnético de este Tratado. Por lo tanto, con la ayuda del cálculo vectorial, Maxwell hizo más simplemente lo que había hecho antes con la ayuda de modelos mecánicos: derivó las ecuaciones del campo electromagnético.

Considere el significado físico de las ecuaciones de Maxwell. La primera ecuación dice que las corrientes y un campo eléctrico variable en el tiempo son las fuentes del campo magnético. La ingeniosa suposición de Maxwell fue que introdujo un concepto fundamentalmente nuevo, la corriente de desplazamiento, como un término separado en la ley generalizada de Ampere-Maxwell:

dónde norte- vector de intensidad del campo magnético; j- el vector de la densidad de corriente eléctrica, al que Maxwell añadió la corriente de desplazamiento; D- vector de inducción eléctrica; c - alguna constante.

Esta ecuación expresa la inducción magnetoeléctrica descubierta por Maxwell y basada en el concepto de corrientes de desplazamiento.

Otra idea que ganó inmediatamente el reconocimiento de Maxwell fue la idea de Faraday sobre la naturaleza de la inducción electromagnética: la aparición de una corriente de inducción en un circuito, el número de líneas de fuerza magnéticas en las que cambia debido al movimiento relativo del circuito y al imán, o debido a un cambio en el campo magnético. Maxwell escribió la siguiente ecuación:

dónde yo- el vector de la intensidad del campo eléctrico; V- siglo-

toro de fuerza de campo magnético y, en consecuencia: - -

cambio en el campo magnético en el tiempo, s - algo constante.

Esta ecuación refleja la ley de inducción electromagnética de Faraday.

Es necesario tener en cuenta una propiedad más importante de los vectores de inducción eléctrica y magnética. yo y B. Mientras que las líneas de fuerza eléctricas comienzan y terminan en cargas que son fuentes del campo, las líneas de fuerza del campo magnético se cierran sobre sí mismas.

En matemáticas, para designar las características de un campo vectorial, se usa el operador "divergencia" (diferenciación del flujo de campo) - div. Aprovechando esto, Maxwell agrega dos ecuaciones más a las dos ecuaciones existentes:

donde p es la densidad de cargas eléctricas.

La tercera ecuación de Maxwell expresa la ley de conservación de la cantidad de electricidad, la cuarta - la naturaleza de vórtice del campo magnético (o la ausencia de cargas magnéticas en la naturaleza).

Los vectores de la inducción eléctrica y magnética y los vectores de las fuerzas de los campos eléctricos y magnéticos incluidos en las ecuaciones consideradas están relacionados por relaciones simples y pueden escribirse en la forma de las siguientes ecuaciones:

donde e es la constante dieléctrica; p es la permeabilidad magnética del medio.

Además, puede escribir una relación más conectando el vector de tensión yo y conductividad específica y:

Para representar el sistema completo de las ecuaciones de Maxwell, es necesario escribir más condiciones de contorno. Estas condiciones deben ser satisfechas por el campo electromagnético en la interfaz entre los dos medios.

dónde O- densidad superficial de cargas eléctricas; i es la densidad superficial de la corriente de conducción en la interfaz considerada. En el caso particular cuando no hay corrientes superficiales, la última condición se convierte en:

Así, J. Maxwell llega a la definición del campo electromagnético como un tipo de materia, expresando todas sus manifestaciones en forma de un sistema de ecuaciones. Tenga en cuenta que Maxwell no usó la notación vectorial y escribió sus ecuaciones en una forma de componentes bastante engorrosa. La forma moderna de las ecuaciones de Maxwell apareció alrededor de 1884 después de los trabajos de O. Heaviside y H. Hertz.

Las ecuaciones de Maxwell son uno de los mayores logros no solo en física, sino también en la civilización en general. Combinan la estricta consistencia característica de Ciencias Naturales, belleza y proporción, que distingue al arte y ciencias humanitarias... Las ecuaciones reflejan la naturaleza de los fenómenos naturales con la mayor precisión posible. El potencial de las ecuaciones de Maxwell está lejos de agotarse, sobre su base cada vez hay más trabajos nuevos, explicaciones últimos descubrimientos en varios campos de la física, desde la superconductividad hasta la astrofísica. El sistema de ecuaciones de Maxwell es la base de la física moderna, y hasta ahora no hay un solo hecho experimental que contradiga estas ecuaciones. El conocimiento de las ecuaciones de Maxwell, al menos de su esencia física, es imprescindible para cualquier persona educada, no solo para un físico.

Las ecuaciones de Maxwell fueron las precursoras de la nueva física no clásica. Aunque el mismo Maxwell, por sus convicciones científicas, era un hombre "clásico" hasta la médula, las ecuaciones que escribió pertenecían a otra ciencia, diferente a la que conocía y cercana al científico. Esto se evidencia al menos por el hecho de que las ecuaciones de Maxwell no son invariantes bajo las transformaciones de Galileo, pero son invariantes bajo las transformaciones de Lorentz, que, a su vez, subyacen a la física relativista.

Basado en las ecuaciones obtenidas, Maxwell resolvió Tareas específicas: determinó los coeficientes de permeabilidad eléctrica de varios dieléctricos, calculó los coeficientes de autoinducción, inducción mutua de bobinas, etc.

Las ecuaciones de Maxwell permiten sacar una serie de conclusiones importantes. Quizás el principal es ... la existencia de ondas electromagnéticas transversales que se propagan con una velocidad de c.

Maxwell descubrió que el número desconocido de c era aproximadamente igual a la relación de unidades de carga electromagnéticas y electrostáticas, que es de unos 300.000 kilómetros por segundo. Convencido de la universalidad de sus ecuaciones, muestra que "la luz es una perturbación electromagnética". El reconocimiento de la velocidad finita, aunque muy alta, de propagación del campo electromagnético piedra sobre piedra no dejó a los partidarios de la "acción instantánea a distancia" de las teorías.

La consecuencia más importante de la teoría electromagnética de la luz fue la predicha por Maxwell presión ligera. Se las arregló para calcular eso en el caso cuando hace buen tiempo. luz del sol absorbido por el avión en uno metro cuadrado, da 123,1 kilogramos metros de energía por segundo. Esto significa que presiona contra esta superficie en la dirección de su caída con una fuerza de 0,41 miligramos. Así, la teoría de Maxwell se fortaleció o colapsó en función de los resultados de experimentos que aún no se habían llevado a cabo. ¿Existen ondas electromagnéticas en la naturaleza con propiedades similares a la luz? ¿Hay una ligera presión? Después de la muerte de Maxwell, Heinrich Hertz respondió a la primera pregunta y Peter Nikolaevich Lebedev respondió a la segunda.

J.K. Maxwell es una figura gigante en la ciencia física y como persona. En la memoria de la gente, Maxwell vivirá mientras exista la humanidad. El nombre de Maxwell está inmortalizado en el nombre de un cráter en la luna. Las montañas más altas de Venus llevan el nombre del gran científico (Montañas Maxwell). Se elevan 11,5 km por encima del nivel medio de la superficie. También su nombre lleva el telescopio más grande del mundo que puede operar en el rango submilimétrico (0,3-2 mm), el telescopio que lleva el nombre de J.C. Maxwell (JCMT). Se encuentra en las islas hawaianas (EE. UU.), En las tierras altas de Mauna Kea (4200 m). El espejo principal de 15 metros del telescopio JCMT está compuesto por 276 piezas de aluminio individuales que encajan perfectamente entre sí. El telescopio de Maxwell se utiliza para estudiar Sistema solar, polvo interestelar y gas, así como galaxias distantes.

Después de Maxwell, la electrodinámica se volvió fundamentalmente diferente. ¿Cómo se desarrolló? Observemos la dirección más importante del desarrollo: la confirmación experimental de las principales disposiciones de la teoría. Pero la teoría en sí misma también requería alguna interpretación. En este sentido, es necesario señalar los méritos del científico ruso. Nikolay Alekseevich Umov, quien dirigió el Departamento de Física en la Universidad de Moscú de 1896 a 1911.

Nikolai Alekseevich Umov (1846-1915) - Físico ruso, nacido en Simbirsk (ahora Ulyanovsk), se graduó de la Universidad de Moscú. Enseñó en la Universidad de Novorossiysk (Odessa), y luego en la Universidad de Moscú, donde desde 1896, tras la muerte de A.G. Stoletov, dirigió el Departamento de Física.

Las obras de Umov están dedicadas a diversos problemas de la física. El principal fue la creación de la doctrina del movimiento de la energía (vector de Umov), que esbozó en 1874 en su tesis doctoral. Umov bei está dotado de una gran responsabilidad cívica. Junto con otros profesores (V.I. Vernadsky, K.A.Timiryazev,

N.D. Zelinsky, P.N. Lebedev), abandonó la Universidad de Moscú en 1911 en protesta contra las acciones del reaccionario Ministro de Educación L.A. Kasso.

Umov fue un activo promotor de la ciencia, divulgador el conocimiento científico... Fue prácticamente el primer físico en comprender la necesidad de una investigación seria y decidida sobre los métodos de enseñanza de la física. La mayoría de los eruditos metodistas de la generación anterior son sus discípulos y seguidores.

El principal mérito de Umov es desarrollo de la doctrina del movimiento de la energía. En 1874 recibió expresión general para el vector de densidad de flujo de energía aplicado a medios elásticos y fluidos viscosos (vector Umov). 11 años después, un científico inglés John Henry Poynting(1852-1914) hizo lo mismo con el flujo de energía electromagnética. Así apareció la conocida teoría del electromagnetismo Vector de Umov - Poynting.

Poynting fue uno de esos científicos que aceptó de inmediato la teoría de Maxwell. No se puede decir que hubiera suficientes científicos de ese tipo, lo que el propio Maxwell comprendió. La teoría de Maxwell no se entendió de inmediato ni siquiera en el Laboratorio Cavendish que creó. Sin embargo, con el advenimiento de la teoría del electromagnetismo, la cognición de la naturaleza se ha elevado a un nivel cualitativamente nuevo, que, como siempre sucede, nos aleja cada vez más de las ideas sensoriales directas. Este es un proceso normal y natural que acompaña a todo el desarrollo de la física. La historia de la física proporciona muchos ejemplos de esto. Basta recordar las disposiciones. mecánica cuántica, teoría especial relatividad, otras teorías modernas. Asimismo, el campo electromagnético en la época de Maxwell apenas era accesible para la comprensión de las personas, incluido el entorno científico, y más aún no estaba disponible para su percepción sensorial. Sin embargo, tras el trabajo experimental de Hertz, surgieron ideas sobre la creación de comunicaciones inalámbricas mediante ondas electromagnéticas, que culminaron con la invención de la radio. Así, el surgimiento y desarrollo de la tecnología de radiocomunicación convirtió el campo electromagnético en un concepto conocido y familiar para todos.

El papel decisivo en la victoria de la teoría del campo electromagnético de Maxwell fue desempeñado por un físico alemán. Heinrich Rudolf Hertz. El interés de Hertz por la electrodinámica fue estimulado por GL Helmholtz, quien, considerando necesario "racionalizar" esta área de la física, sugirió a Hertz que se ocupara de los procesos en circuitos eléctricos abiertos. Al principio, Hertz abandonó el tema, pero luego, mientras trabajaba en Karlsruhe, descubrió allí dispositivos que podrían usarse para dicha investigación. Esto predeterminó su elección, especialmente porque el propio Hertz, conociendo bien la teoría de Maxwell, estaba completamente preparado para tales estudios.

Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) - físico alemán, nació en 1857 en Hamburgo en la familia de un abogado. Estudió en la Universidad de Munich y luego en Berlín con H. Helmholtz. Desde 1885, Hertz trabaja en la Escuela Técnica Superior de Karlsruhe, donde comenzó su investigación, que lo llevó al descubrimiento de las ondas electromagnéticas. Continuaron en 1890 en Bonn, donde se mudó Hertz, reemplazando a R. Clausius como profesor de física experimental. Aquí continúa estudiando electrodinámica, pero gradualmente sus intereses se desplazan hacia la mecánica. Hertz murió el 1 de enero de 1894 en la flor de su talento a la edad de 36 años.

Al comienzo del trabajo de Hertz, las oscilaciones eléctricas ya se habían estudiado con cierto detalle. William Thomson (Lord Kelvin) obtuvo una expresión que ahora todos los estudiantes conocen:

dónde T- período de oscilaciones eléctricas; A- inductancia, que Thomson denominó "capacitancia electrodinámica" del conductor; C es la capacitancia del capacitor. La fórmula ha sido confirmada en experimentos. Berenda Wilhelm Feddersen(1832-1918), quien estudió las oscilaciones de la descarga de chispas de la jarra de Leyden.

En el artículo "Sobre oscilaciones eléctricas muy rápidas" (1887), Hertz ofrece una descripción de sus experimentos. Su esencia se explica en la Figura 10.4. En la forma final, el circuito oscilatorio utilizado por Hertz consistía en dos conductores de CuC ", ubicados a una distancia de unos 3 m entre sí y conectados por un cable de cobre, en medio del cual había un descargador. V bobina de inducción. El receptor era un circuito acdb con dimensiones 80 x 120 cm, con vía de chispas METRO en uno de los lados cortos. La detección se determinó por la presencia de una chispa débil en el espacio de chispas. METRO. Los conductores con los que Hertz experimentó son, en el lenguaje moderno, una antena con un detector. Ahora llevan nombres vibrador y resonador de Hertz.

Arroz. 10.4.

La esencia de los resultados obtenidos fue que la chispa eléctrica en el espacio de chispas V encendió una chispa en la brecha de chispas METRO. Al principio, Hertz, al explicar los experimentos, no habla de ondas maxwellianas. Habla sólo de la "interacción de conductores" y trata de buscar una explicación en la teoría de la acción a distancia. Llevando a cabo experimentos, Hertz descubrió que a pequeñas distancias la naturaleza de la propagación de la "fuerza eléctrica" ​​es similar al campo de un dipolo, y luego disminuye más lentamente y tiene una dependencia angular. Ahora diríamos que el descargador tiene un diagrama direccional anisotrópico. Esto, por supuesto, contradice fundamentalmente la teoría de la acción a distancia.

Después de analizar los resultados de los experimentos y realizar su propia investigación teórica, Hertz acepta la teoría de Maxwell. Llega a la conclusión de la existencia de ondas electromagnéticas que se propagan con una velocidad finita. Ahora las ecuaciones de Maxwell ya no son un sistema matemático abstracto y deben llevarse a una forma tal que sea conveniente usarlas.

Hertz obtuvo las ondas electromagnéticas predichas experimentalmente por la teoría de Maxwell y, no menos importante, demostró su identidad con la luz. Para ello, era necesario demostrar que con la ayuda de ondas electromagnéticas es posible observar los conocidos efectos de la óptica: refracción y reflexión, polarización, etc. Hertz llevó a cabo estos estudios, que requirieron una habilidad experimental virtuosa: realizó experimentos sobre la propagación, reflexión, refracción, polarización de las ondas electromagnéticas descubiertas por él. Construyó espejos para experimentar con estas ondas (espejos de Hertz), un prisma de asfalto, etc. Los espejos de Hertz se muestran en la Fig. 10.5. Los experimentos han demostrado una identidad completa de los efectos observados con los que eran bien conocidos por las ondas de luz.

Arroz. 10.5.

En 1887, en su obra "Sobre el efecto de la luz ultravioleta en una descarga eléctrica", Hertz describe un fenómeno que más tarde se conoció como Efecto fotoeléctrico externo. Descubrió que cuando los electrodos de alto voltaje se irradian con rayos ultravioleta, se produce una descarga en mayor distancia entre electrodos que sin irradiación.

Este efecto fue luego estudiado exhaustivamente por un científico ruso. Alexander G. Stoletov (1839-1896).

En 1889, en un congreso de naturalistas y médicos alemanes, Hertz leyó una conferencia "Sobre la relación entre la luz y la electricidad", en la que expresó una opinión sobre la enorme importancia de la teoría de Maxwell, ahora confirmada por experimentos.

Los experimentos de Hertz causaron sensación en el mundo científico. Fueron repetidos y variados muchas veces. Uno de los que hizo esto fue Petr Nikolaevich Lebedev. Recibió las ondas electromagnéticas más cortas en ese momento y en 1895 realizó experimentos con ellas sobre birrefringencia. En su trabajo, Lebedev se propuso la tarea de disminuir gradualmente la longitud de onda de la radiación electromagnética para eventualmente cerrarlas con largas ondas infrarrojas. El propio Lebedev no logró hacer esto, pero los científicos rusos lo hicieron en la década de 1920. Alexandra Andreevna Glagoleva-Arkadieva(1884-1945) y Maria Afanasyevna Levitskaya (1883-1963).

Petr Nikolaevich Lebedev (1866-1912) - Físico ruso, nacido en 1866 en Moscú, se graduó en la Universidad de Estrasburgo y en 1891 comenzó a trabajar en la Universidad de Moscú. Lebedev permaneció en la historia de la física como un virtuoso experimental, autor de estudios realizados con modestos medios al borde de las capacidades técnicas de la época, así como fundador de una escuela científica generalmente reconocida en Moscú, de donde el famoso Los científicos rusos PP Lazarev, SI Vavilov, A.R. Colley et al.

Lebedev murió en 1912 poco después de que él, junto con otros profesores, abandonara la Universidad de Moscú en protesta contra las acciones del reaccionario Ministro de Educación L.A. Kasso.

Sin embargo, el principal mérito de Lebedev para la física es que midió experimentalmente la presión de la luz predicha por la teoría de Maxwell. Lebedev dedicó toda su vida al estudio de este efecto: en 1899 se llevó a cabo un experimento que demostró la presencia de una ligera presión sobre los sólidos (Fig. 10.6), y en 1907 - sobre los gases. El trabajo de Lebedev sobre la presión ligera se volvió clásico; son uno de los pináculos del experimento de finales del siglo XIX y principios del XX.

Los experimentos de Lebedev sobre la presión ligera le dieron fama mundial. Al respecto, W. Thomson dijo: "Toda mi vida luché con Maxwell, sin reconocer su movimiento de luz, pero ... Lebedev me hizo rendirme a sus experimentos".

Arroz. 10.6.

Los experimentos de Hertz y Lebedev finalmente confirmaron la prioridad de la teoría de Maxwell. En cuanto a la práctica, es decir. aplicación práctica de las leyes del electromagnetismo, luego a principios del siglo XX. la humanidad ya vivía en un mundo en el que la electricidad comenzaba a jugar un papel muy importante. Esto fue facilitado por una tormentosa actividad inventiva en el campo de aplicación de los fenómenos eléctricos y magnéticos descubiertos por los físicos. Observemos algunos de estos inventos.

Una de las primeras aplicaciones del electromagnetismo se encontró en la tecnología de la comunicación. El telégrafo existe desde 1831. En 1876, un físico, inventor y empresario estadounidense Alexander Bell(1847-1922) inventó el teléfono, que luego fue mejorado por el famoso inventor estadounidense Thomas Alva Edison (1847-1931).

En 1892 el físico inglés William Crookes(1832-1912) formuló los principios de la radiocomunicación. Físico ruso Alexander Stepanovich Popov(1859-1906) y científico italiano Gul'elmo Marconi(1874-1937) de hecho los aplicó simultáneamente en la práctica. Normalmente surge la cuestión de la prioridad de la presente invención. Popov había demostrado previamente las capacidades del dispositivo que creó, pero no lo patentó, como lo hizo Marconi. Este último determinó la tradición en Occidente de considerar a Marconi como el "padre" de la radio. Esto fue facilitado por la concesión del Premio Nobel en 1909. Popov, muy probablemente, también habría estado entre los galardonados, pero en ese momento ya no estaba vivo, y premio Nobel otorgado solo a científicos vivos. En la parte VI del libro se contará más sobre la historia de la invención de la radio.

Intentaron utilizar fenómenos eléctricos para la iluminación ya en el siglo XVIII. (arco voltaico), posteriormente este dispositivo fue mejorado Pavel Nikolaevich Yablochkov(1847-1894), quien en 1876 inventó la primera fuente de luz eléctrica práctica (Vela de Yablochkov)... Sin embargo, no encontró una amplia aplicación, principalmente porque en 1879 T. Edison creó una lámpara incandescente de un diseño suficientemente duradero y conveniente para la producción industrial. Tenga en cuenta que la lámpara incandescente fue inventada en 1872 por un ingeniero eléctrico ruso. Alexander Nikolaevich Lodygin (1847- 1923).

Preguntas de control

• 1. ¿Qué investigación hizo Maxwell mientras trabajaba en Marishal College? ¿Qué papel jugó Maxwell en el desarrollo de la teoría de la electricidad y el magnetismo?
• 2. ¿Cuándo se estableció el Laboratorio Cavendish? ¿Quién se convirtió en su primer director?
• 3. ¿Qué ley no podría describirse utilizando analogías electrohidráulicas?
• 4. ¿Con ayuda de qué modelo llegó Maxwell a la conclusión sobre la existencia de una corriente de desplazamiento y el fenómeno de inducción magnetoeléctrica?
• 5. ¿En qué artículo utilizó Maxwell por primera vez el término "campo electromagnético"?
• 6. ¿Cómo se escribe el sistema de ecuaciones de Maxwell?
• 7. ¿Por qué las ecuaciones de Maxwell se consideran uno de los logros triunfantes de la civilización humana?
• 8. ¿Qué conclusiones extrajo Maxwell de la teoría del campo electromagnético?
• 9. ¿Cómo se desarrolló la electrodinámica después de Maxwell?
• 10. ¿Cómo llegó Hertz a la conclusión sobre la existencia de ondas electromagnéticas?
• 11. ¿Cuál es la principal contribución de Lebedev a la física?
• 12. ¿Cómo se utiliza en tecnología la teoría del campo electromagnético?

Tareas de autoaprendizaje

• 1. J.C. Maxwell. Biografía y logros científicos en electrodinámica y otras áreas de la física.
• 2. Fundamentos empíricos y teóricos de la teoría del campo electromagnético de Maxwell.
• 3. La historia de la creación de las ecuaciones de Maxwell.
• 4. Esencia física de las ecuaciones de Maxwell.
• 5. J.C. Maxwell es el primer director del Laboratorio Cavendish.
• 6. ¿Cómo se escribe actualmente el sistema de ecuaciones de Maxwell: a) en forma integral; b) en forma diferencial?
• 7.G. Hertz. Biografía y logros científicos.
• 8. Historia de detección de ondas electromagnéticas y su identificación con la luz.
• 9. Experimentos de PN Lebedev sobre la detección de la presión lumínica: esquema, tareas, dificultades y significado.
• 10. Trabajos de AA Glagoleva-Arkadieva y MA Levitskaya sobre la generación de ondas electromagnéticas cortas.
• 11. Historia del descubrimiento e investigación del efecto fotoeléctrico.
• 12. Desarrollo de la teoría electromagnética de Maxwell. Obras de J. G. Poynting, N. A. Umov, O. Heaviside.
• 13. ¿Cómo se inventó y mejoró el telégrafo eléctrico?
• 14. Etapas históricas de desarrollo de la ingeniería eléctrica y radioeléctrica.
• 15. La historia de la creación de dispositivos de iluminación.

• 1. Kudryavtsev, P. S. Curso de Historia de la Física. - 2ª ed. - M .: Educación, 1982.
• 2. Kudryavtsev, P. S. Historia de la Física: en 3 volúmenes - M .: Educación, 1956-1971.
• 3. Spassky, B.I. Historia de la Física: en 2 volúmenes - M.: Escuela de posgrado, 1977.
• 4. Dorfman, Ya.G. Historia mundial de la física: en 2 volúmenes - M .: Nauka, 1974-1979.
• 5. Golin, G.M. Clásicos de la ciencia física (desde la antigüedad hasta principios del siglo XX) / G. M. Golin, S. R. Filonovich. - M .: Escuela superior, 1989.
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• 7. Virginsky, V.S. Ensayos sobre la historia de la ciencia y la tecnología en 1870-1917. / V. S. Virginsky, V. F. Khoteenkov. - M.: Educación, 1988.
• 8. Witkowski, N. Una historia sentimental de la ciencia. - M.: CoLibri, 2007.
• 9. Maxwell, J.C. Trabajos seleccionados sobre la teoría del campo electromagnético. - M.: GITTL, 1952.
• 10. Kuznetsova, O. V. Maxwell y el desarrollo de la física en los siglos XIX-XX: colección de obras. articulos / otv. ed. L. S. Polak. - M .: Nauka, 1985.
• 11. Maxwell, J.C. Tratado sobre electricidad y magnetismo: en 2 volúmenes - Moscú: Nauka, 1989.
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• 13. Niven, W. La vida y obra científica de J.C. Maxwell: un breve boceto (1890) // J.C. Maxwell. Materia y movimiento. - M.: Izhevsk: RKhD, 2001.
• 14. Harman, R. M. La filosofía natural de James Clerk Maxwell. - Cambridge: University Press, 2001.
• 15. Bolotovsky, B. M. Oliver Heaviside. - M.: Ciencia, 1985.
• 16. Gorokhov, V.G. Formación de la teoría de la ingeniería de radio: de la teoría a la práctica sobre el ejemplo de las consecuencias técnicas del descubrimiento de G. Hertz // VIET. - 2006. - No. 2.
• 17. Serie de libros"ZhZL": "Gente de ciencia", "Creadores de ciencia y tecnología".

Campo fisico - Se trata de una forma especial de materia que existe en todos los puntos del espacio, que se manifiesta como un efecto sobre una sustancia que tiene una propiedad similar a la que creó este campo.

cuerpo + carga  campo  cuerpo + carga

Por ejemplo, en el caso de la emisión de un solo pulso de radio a una distancia considerable entre las antenas transmisora ​​y receptora, en algún momento resulta que la señal ya ha sido emitida por la antena transmisora, pero aún no ha sido recibido por el receptor. En consecuencia, en un momento dado, la energía de la señal se localizará en el espacio. En este caso, es obvio que el portador de energía no es un entorno material familiar, sino una realidad física diferente, que se llama campo .

Existe una diferencia fundamental en el comportamiento de la materia y el campo.

La principal diferencia es la suavidad. Una sustancia siempre tiene un límite definido del volumen que ocupa, y el campo, en principio, no puede tener un límite definido ( abordaje macroscópico ), cambia suavemente de un punto a otro. En un punto del espacio, pueden existir una infinidad de campos físicos que no se afectan entre sí, lo cual no se puede decir de la materia. El campo y la sustancia pueden penetrarse mutuamente.

Los campos electromagnéticos y la carga eléctrica son conceptos básicos relacionados con los fenómenos físicos del electromagnetismo.

EMF Es una forma especial de materia, a través de la cual se lleva a cabo la interacción entre cargas eléctricas, que es diferente continuo distribución en el espacio (EME, EMF de partículas cargadas) y detección discreción estructura (fotones), caracterizada por la capacidad de propagarse en el vacío a una velocidad cercana a con, ejerciendo un efecto de fuerza sobre las partículas cargadas, dependiendo de su velocidad .

El EMF se puede describir completamente utilizando potenciales escalares y vectoriales, que, según la teoría de la relatividad, constituyen un único vector tetradimensional en el espacio-tiempo, cuyos componentes se transforman durante la transición de un marco de referencia inercial a otro. de acuerdo con las transformaciones de G. Lorentz.

Carga eléctrica - propiedad de las partículas de una sustancia o cuerpos, que caracteriza su relación con sus propios campos electromagnéticos y su interacción con campos electromagnéticos externos; tiene dos tipos, conocidos como carga positiva (carga de protones) y carga negativa (carga de electrones); determinado cuantitativamente por la interacción de fuerzas de los cuerpos con cargas eléctricas .

La idealización es conveniente para el análisis de EMF "Carga puntual" - una carga concentrada en un punto. La carga más pequeña de la naturaleza es la carga de un electrón. mi Email = 1.60210-19 C, por lo que las cargas de los cuerpos deben ser múltiplos mi Email .

Sin embargo, a menudo es conveniente suponer que la carga se distribuye continuamente (enfoque macroscópico). Existe un concepto de volumétrico (, C / m 3), superficie (
, C / m2) y lineal ( , C / m) densidad de carga.

. (1.1)

. (1.2)

. (1.3)

El EMF de las cargas eléctricas estacionarias está indisolublemente vinculado con las partículas que lo generan, pero el EMF de una partícula cargada que se mueve a una velocidad acelerada puede existir independientemente de la sustancia en forma de EME. .

EMV - Vibraciones EM que se propagan en el espacio a lo largo del tiempo con una velocidad finita.

Al estudiar los campos electromagnéticos, se encuentran dos formas de su manifestación: campos eléctricos y magnéticos, a los que se les pueden dar las siguientes definiciones.

Campo eléctrico - una de las manifestaciones de los campos electromagnéticos, causada por cargas eléctricas y cambios en el campo magnético, que ejerce un efecto de fuerza sobre partículas y cuerpos cargados, revelado por el efecto de fuerza sobre inmóvil cuerpos cargados y partículas.

Un campo magnetico - una de las manifestaciones de EMF causada por cargas eléctricas Moviente partículas cargadas (y cuerpos) y un cambio en el campo eléctrico, que ejerce un efecto de fuerza sobre Moviente partículas cargadas, detectadas por la acción de la fuerza, dirigidas normalmente a la dirección de movimiento de estas partículas y proporcional a su velocidad .

La división de los campos electromagnéticos en campos eléctricos y magnéticos es de naturaleza relativa, ya que depende de la elección del marco de referencia inercial en el que se estudian los campos electromagnéticos. Por ejemplo, si un determinado sistema consiste en cargas eléctricas en reposo, entonces al estudiar la EMF en este sistema, se establecerá la presencia de un campo eléctrico y la ausencia de un campo magnético. Sin embargo, si otro sistema de coordenadas se mueve en relación con este sistema, se detectará un campo magnético en el segundo sistema.

Las principales características de EMF. son considerados (fuerza del campo eléctrico ) y (inducción magnética ), que describen la manifestación de fuerzas mecánicas en los campos electromagnéticos y pueden medirse directamente. La intensidad del campo eléctrico se puede definir como la fuerza que actúa sobre una carga puntual de un valor conocido ( la fuerza de S. Coulomb ):

. (1.4)

Inducción magnética se determina mediante la fuerza que actúa sobre una carga puntual q valor conocido, Moviente en un campo magnético con una velocidad , (G. fuerza de Lorentz )
:

. (1.5)

Las características auxiliares del EMF son (inducción eléctrica o desplazamiento eléctrico ) y (intensidad del componente magnético del EMF ). Los nombres de las características de los CEM no son indiscutibles, pero se han desarrollado históricamente. Las unidades de medida de las principales características de los CEM se dan en la página 3. Usaremos Sistema internacional de unidades SI más conveniente para práctico aplicaciones.

La relación entre las características principales y auxiliares se lleva a cabo utilizando ecuaciones materiales :

. (1.6)

. (1.7)

En la mayoría de los entornos, los vectores y igual que y ,colineal (Anexo 1). Pero en el caso de medios giroeléctricos (ferroeléctricos) y giromagnéticos (ferromagnéticos)  y  volverse tensor valores, y los vectores indicados en pares pueden perder colinealidad.

La magnitud
llamado flujo magnético .

La magnitud  -conductividad Miércoles. Teniendo en cuenta este valor, podemos asociar densidad de corriente de conducción (j NS ) y fuerza de campo:

. (1.8)

La ecuación (1.8) es la forma diferencial Ley de Ohm para la sección de cadena.

Los campos se dividen en escalar , vector y tensor .

Campo escalar Es una función escalar con un dominio de definición distribuido continuamente en cada punto del espacio (Fig. 1.1). El campo escalar se caracteriza por superficie nivelada (por ejemplo, en la Fig. 1.1 - equipotencial líneas), que viene dada por la ecuación:
.

Campo vectorial Es una cantidad vectorial continua dada en cada punto del espacio con un dominio de definición (Fig. 1.2) La característica principal de este campo es línea de vector , en cada punto del cual vector los campos se dirigen tangencialmente. Grabación física líneas ley :
.

Campo tensorial Es una cantidad tensorial continua distribuida en el espacio. Por ejemplo, para un dieléctrico anisotrópico, su permitividad relativa se convierte en una cantidad tensorial:
.

A mediados del siglo XIX. En aquellas ramas de la física donde se estudiaron fenómenos eléctricos y magnéticos se acumuló un rico material empírico, se formularon una serie de importantes regularidades: ley de Coulomb, ley de Ampere, ley de inducción electromagnética, leyes de corriente continua, etc. La situación con conceptos teóricos fue más complicado. Los esquemas teóricos construidos por los físicos se basaron en el concepto de acción de largo alcance y la naturaleza corpuscular de la electricidad. La más popular fue la teoría de W. Weber, que combinaba la electrostática y el electromagnetismo en ese momento. Sin embargo, no había una unidad teórica completa en las opiniones de los físicos sobre los fenómenos eléctricos y magnéticos. Entonces, el concepto de campo de Faraday era muy diferente de otros puntos de vista. Pero el concepto de campo fue visto como una ilusión, fue silenciado y no criticado duramente solo porque los méritos de Faraday eran demasiado grandes en el desarrollo de la física. En este momento, los físicos están intentando crear una teoría unificada de los fenómenos eléctricos y magnéticos. Uno de ellos tuvo éxito. Ésta era la teoría de Maxwell, revolucionaria en su significado.

J.C. Maxwell, se graduó de la Universidad de Cambridge en 1854, comenzó sus estudios de electricidad y magnetismo en preparación para una cátedra. Las opiniones de Maxwell sobre los fenómenos eléctricos y magnéticos se formaron bajo la influencia de las obras de M. Faraday y W. Thomson.

Maxwell sintió y comprendió sutilmente la naturaleza de la principal contradicción que se desarrolló a mediados del siglo XIX. en la física de los procesos eléctricos y magnéticos. Por un lado, se establecieron numerosas leyes de diversos fenómenos eléctricos y magnéticos (que no plantearon objeciones y, además, se expresaron a través de cantidades cuantitativas), pero no tenían un fundamento teórico holístico. Por otro lado, el concepto de campo de los fenómenos eléctricos y magnéticos construido por Faraday no estaba formalizado matemáticamente.

Maxwell y se propuso la tarea, basándose en las ideas de Faraday, de construir un estricto teoría matemática, para obtener ecuaciones de las que sería posible derivar, por ejemplo, las leyes de Coulomb, Ampere, etc., es decir traducir las ideas y puntos de vista de Faraday a un lenguaje matemático riguroso. Siendo un teórico brillante y un maestro virtuoso del aparato matemático, JC Maxwell hizo frente a esta tarea más difícil: creó la teoría del campo electromagnético, que se expuso en el trabajo "Teoría dinámica del campo electromagnético", publicado en 1864 .

Esta teoría cambió significativamente la idea de la imagen de los fenómenos eléctricos y magnéticos, combinándolos en un solo todo. Las principales disposiciones y conclusiones de esta teoría son las siguientes.

El campo electromagnético es real y existe independientemente de que existan o no conductores y polos magnéticos que lo detecten. Maxwell definió este campo de la siguiente manera: "... el campo electromagnético es la parte del espacio que contiene y rodea a los cuerpos en un estado eléctrico o magnético" *.

* Maxwell J.K. Trabajos seleccionados sobre la teoría del campo electromagnético. M .. 1952, pág. 253.

Un cambio en el campo eléctrico conduce a la aparición de un campo magnético y viceversa.

Los vectores de la fuerza de los campos eléctrico y magnético son perpendiculares. Esta posición explica por qué la onda electromagnética es exclusivamente transversal.

La transferencia de energía se produce a una velocidad finita. Por tanto, se fundamentó el principio de acción a corto plazo.

La velocidad de transmisión de ondas electromagnéticas es igual a la velocidad de la luz ( con). Esto condujo a la identidad fundamental de los fenómenos electromagnéticos y ópticos. Resultó que las diferencias entre ellos están solo en la frecuencia de las oscilaciones del campo electromagnético.

La confirmación experimental de la teoría de Maxwell en 1887 en los experimentos de Hertz causó una gran impresión en los físicos. Y desde ese momento, la teoría de Maxwell ha sido reconocida por la abrumadora mayoría de científicos, pero sin embargo, durante mucho tiempo, a los físicos les pareció solo un conjunto de ecuaciones matemáticas, cuyo significado físico específico era completamente incomprensible. Los físicos de esa época decían: "La teoría de Maxwell son las ecuaciones de Maxwell",

Después de la creación de la teoría de Maxwell, quedó claro que solo hay un éter: el portador de fenómenos eléctricos, magnéticos y ópticos, lo que significa que se puede juzgar la naturaleza del éter sobre la base de experimentos electromagnéticos. Pero esto no resolvió el problema del éter, sino que, por el contrario, lo hizo aún más complicado: era necesario explicar la propagación de ondas electromagnéticas y todos los fenómenos electromagnéticos. Al principio, intentaron resolver este problema, incluido J.K. Maxwell, en camino de buscar modelos mecanicistas del éter.

Sin embargo, el modelo del éter electromagnético utilizado por Maxwell era imperfecto y contradictorio (él mismo lo consideraba temporal). Por eso, muchos científicos han intentado mejorarlo. Se han propuesto varios modelos de transmisión. Entre ellos se encontraban los que se basaban en el concepto del campo electromagnético como un conjunto de tubos vórtice formados en el éter, etc. Hubo obras en las que el éter no se consideró ni siquiera como un medio, sino como una máquina; se construyeron modelos con ruedas, etc. A finales del siglo XIX. la existencia del éter comenzó a cuestionarse por completo. Las teorías basadas en la hipótesis del éter eran contradictorias e infructuosas, y cada vez más científicos perdían la confianza en la posibilidad de un uso constructivo de este concepto.

Al final, después de muchos intentos fallidos de construir un modelo mecánico del éter, quedó claro que esta tarea no es factible y el campo electromagnético es forma especial materia esparcida en el espacio, cuyas propiedades no se pueden reducir a las propiedades de los procesos mecánicos. Por lo tanto, para finales del XIX v. la atención principal del problema de la construcción de modelos mecanicistas del éter se trasladó a la cuestión de cómo extender el sistema de ecuaciones de Maxwell, creado para describir sistemas en reposo, al caso de los cuerpos en movimiento (fuentes o receptores de luz). En otras palabras, ¿las ecuaciones de Maxwell para sistemas en movimiento están relacionadas por transformaciones de Galileo? O, en otras palabras, ¿las ecuaciones de Maxwell son invariantes bajo las transformaciones de Galileo?