Podstawowe pojęcia i prawa teorii pola elektromagnetycznego. Encyklopedia szkolna

We współczesnej fizyce przy rozpatrywaniu wielu zjawisk wraz z pojęciem materii wprowadza się pojęcie pola: elektromagnetycznego, grawitacyjnego, pola siły nuklearne itp. Innymi słowy, zakłada się, że możliwe są dwie formy istnienia materii: substancja i pole. Pomimo tego, że materia i pole elektromagnetyczne są różnymi formami istnienia materii, ich właściwości są pod wieloma względami podobne.

Materia składa się z pojedynczych cząsteczek: cząsteczek, atomów, cząstki elementarne(protony, elektrony, neutrony itp.). Ale rozchodzące się pole elektromagnetyczne (fale elektromagnetyczne) można również uznać za strumień dyskretnych cząstek - fotonów. Pole elektromagnetyczne, podobnie jak materia, charakteryzuje się energią, masą i pędem. To prawda, masa i pęd są charakterystyczne tylko dla propagacji elektro pole magnetyczne(fale elektromagnetyczne). W przeciwieństwie do materii pole elektromagnetyczne nie ma masy spoczynkowej. Wpływ na fale elektromagnetyczne siły grawitacyjne. Wiadomo, że droga propagacji fal świetlnych jest zauważalnie zakrzywiona pod wpływem sił grawitacyjnych. duże masy materii, takiej jak słońce. Impuls fal elektromagnetycznych przejawia się w nacisku, jaki wywierają na ciała materialne. Z drugiej strony tak charakterystyczne właściwości fal elektromagnetycznych, jak dyfrakcja i interferencja, są również nieodłączne od cząstek materiału. Znane są na przykład zjawiska dyfrakcji i interferencji elektronów.

Energię pola elektromagnetycznego można zamienić na inne rodzaje energii. W rzeczywistości samo istnienie życia na Ziemi wynika z konwersji energii elektromagnetycznej (energii promieni słonecznych) na energię cieplną, chemiczną i inne rodzaje energii.

Klasyczna lub Maxwellowska teoria pola elektromagnetycznego uwzględnia tylko makroskopowe właściwości substancji: zakłada się, że wymiary rozpatrywanego obszaru przestrzeni i odległość od źródeł pola do rozważanego punktu są duże w porównaniu z wymiary cząsteczek i czas charakterystyczny dla zmiany pola elektromagnetycznego (na przykład okres oscylacji) są duże w porównaniu z charakterystyką czasową wewnątrzcząsteczkowych procesów oscylacyjnych. W oparciu o klasyczną teorię pola elektromagnetycznego można badać szeroki zakres zagadnień. v inżynieria radiowa. Jednak klasyczna teoria pola nie obejmuje wszystkich jej własności. Poza jej granicami pozostają takie zjawiska jak emisja i pochłanianie fal elektromagnetycznych o bardzo wysokiej częstotliwości (na przykład fal świetlnych), efekt fotoelektryczny itp. Dokładna analiza takich zjawisk musi uwzględniać mikrostrukturę substancji i , dlatego musi opierać się na kwantowej teorii pola. W ramach tego kursu badana jest klasyczna teoria pola elektromagnetycznego, tj. badane są tylko jego właściwości makroskopowe.

Pole elektromagnetyczne dzieli się zwykle na dwa powiązane ze sobą pola: elektryczne i magnetyczne.

Źródłem pola elektromagnetycznego są ładunki elektryczne. Ładunki stacjonarne wytwarzają tylko pole elektryczne. Poruszające się ładunki wytwarzają zarówno pola elektryczne, jak i magnetyczne. Prądy przewodzące i konwekcyjne są uporządkowanymi poruszającymi się ładunkami elektrycznymi, a także wytwarzają pole elektromagnetyczne. Ładunki oddziałują ze sobą, a siła ich oddziaływania jest określona przez prawo Coulomba.

Podział pojedynczego pola elektromagnetycznego na elektryczne i magnetyczne jest względny: zależy od wybranego układu odniesienia. Na przykład ładunek elektryczny poruszający się po linii prostej ze stałą prędkością wytwarza wokół siebie zarówno pole elektryczne, jak i magnetyczne. Jednak dla obserwatora poruszającego się w tym samym kierunku z tą samą prędkością ładunek ten jest nieruchomy i dlatego tworzy jedynie pole elektryczne.

Oba pola przejawiają się w postaci sił mechanicznych lub, jak się je potocznie nazywa, sił „ponderomotorycznych”. Jeżeli próbny ładunek elektryczny zostanie wprowadzony do pola elektrycznego, to pod wpływem tych sił będzie się on poruszał. Podobnie pole magnetyczne zmienia kierunek ruchu badanego ładunku elektrycznego, a także orientuje badany magnes trwały (igła magnetyczna). Pole elektryczne działa zarówno na ładunki stacjonarne, jak i ruchome, a pole magnetyczne tylko na poruszające się. Działanie pola elektromagnetycznego ma określony kierunek, dlatego do jego opisu wprowadzane są wielkości wektorowe. Rozważ główne wektory charakteryzujące pole elektromagnetyczne.

Hipoteza Fresnela o poprzecznych falach świetlnych postawiła fizyce szereg trudnych problemów dotyczących natury eteru, czyli hipotetycznego ośrodka, w którym rozchodzą się drgania światła. Wcześniej problemy te schodziły na dalszy plan i pytania dotyczące natury cząstek materialnych, które emitują fale świetlne, oraz zadanie odnalezienia mechanizmu promieniowania w atomach i cząsteczkach.

Trzeba było odpowiedzieć na takie pytania: w jakim kierunku zachodzą oscylacje w fali liniowo spolaryzowanej? Dlaczego nie ma podłużnych fal świetlnych i jakie właściwości powinien mieć eter, aby dopuszczać tylko fale poprzeczne? I wreszcie, jak zachowuje się eter w stosunku do poruszających się w nim ciał?

W optyce post-Fresnela poszukiwanie odpowiedzi na te pytania zyskało dużą uwagę. W odpowiedzi na pierwsze pytanie postawiono dwie hipotezy: hipotezę Fresnela i hipotezę Franza Neumanna (1798-1895). Zgodnie z hipotezą Fresnela drgania światła w liniowo spolaryzowanej fali zachodzą w kierunku prostopadłym do kierunku płaszczyzny polaryzacji. Jednocześnie eter w ciałach ciężkich i swobodny eter różnią się gęstością, a jego elastyczność pozostaje niezmieniona. Zgodnie z hipotezą Neumanna oscylacje eteru zachodzą w płaszczyźnie polaryzacji, eter w ciałach ciężkich i eter swobodny różnią się elastycznością, a nie gęstością.

Aby wyjaśnić poprzeczność fal świetlnych, zaproponowano różne hipotezy: hipotezę o absolutnie nieściśliwym eterze, eterze jak smoła buta - stała dla szybkich zmian i płynna dla powolnych, eter jako ośrodek wypełniony żyroskopami itp., itd. Dla poruszających się ciał eter był traktowany jako ośrodek nieruchomy, jako ośrodek częściowo porwany przez ciała, jako środowisko całkowicie porwane. Wszystkie te dziwne, sprzeczne hipotezy pochłaniały wiele energii fizykom, a mimo to naukowcy nie postawili nawet takiego pytania: czy te próby były bezowocne? Czy eter w ogóle istnieje?

Istnienie eteru wydawało się pewne po upadku korpuskularnej teorii światła. Musi istnieć ośrodek, w którym rozchodzą się lekkie wibracje. „Zjawiska światła po nieudanej „teorii odpływu” tłumaczy się jako drgania najmniejszych cząstek ciał świecących – drgania przenoszone przez fale eteru”. Tymi słowami A. G. Stoletov rozpoczął rozdział „Optyka fizyczna” w swoim podręczniku „Wprowadzenie do akustyki i optyki”. I to był ogólnie przyjęty pogląd. Stoletov dalej uzasadnia w kilku akapitach „konieczność dopuszczenia tego szczególnego środowiska”, tj. eteru. Zna już elektromagnetyczną teorię światła, wie, że „fale świetlne są falami poprzecznymi „drgań elektrycznych” eteru i choć wciąż nie jest dla niego jasne, jaki jest mechanizm tych oscylacji, to jednak nie wątpi że nośnikiem tych oscylacji służy eter.

Stoletov prowadził wykłady z akustyki i optyki w latach 1880-1881. „Wprowadzenie do akustyki i optyki” zostało opublikowane w 1895 r. W 1902 r. ukazała się druga część „Kursu fizyki” N.A. Umowa. W nim rozdział poświęcony optyce zaczynał się od słów: „Jeszcze do niedawna cienka, nieważka materia przenikająca ciała i wypełniająca całą przestrzeń, zwana eterem, była uważana za miejsce wyłącznie zjawisk świetlnych. Obecnie traktujemy światło tylko jako szczególny przypadek zjawisk, które są możliwe w eterze.

Na rok przed publikacją „Wstępu” Stoletov, w 1894 r., ukazała się Niemiecki przebieg elektryczności P. Drude (1863-1906), który nosi tytuł „fizyka eteru na podstawie elektromagnetycznej”. W latach 1901-1902. G. A. Lorentz przeczytał kurs wykładów „Teoria i modele eteru” na Uniwersytecie w Leiden. Zostały wydane w języku niderlandzkim w 1922 roku, w angielskie tłumaczenie w 1927 i po rosyjsku w 1936, to znaczy, kiedy eter od dawna był zakopany przez teorię względności. Lorentz w końcowych słowach swoich wykładów pisał ostrożnie: „Ostatnio mechaniczne wyjaśnienie procesów zachodzących w eterze coraz bardziej schodzi na dalszy plan”. Uważał jednak, że analogie mechaniczne „nadal zachowują pewną wartość”. „Oni”, pisał Lorentz, „pomagają nam myśleć o zjawiskach i mogą być źródłem pomysłów na nowe badania”.

Ta nadzieja Lorentza została obalony przez rozwój współczesnej fizyki teoretycznej, która wyrzuciła modele wizualne za burtę i zastąpiła je opisem matematycznym. To paradoksalne, że fakt historycznyże ten proces przejścia do opisu matematycznego rozpoczął Maxwell, który położył podwaliny pod swoją teorię elektromagnetyczną, opracowując specyficzne modele mechaniczne procesów w eterze. Omawiając te modele, Maxwell doszedł do ustalenia równań, które odzwierciedlają niemechaniczne procesy zjawisk elektromagnetycznych. Podsumowując w Traktacie o elektryczności i magnetyzmie wyniki swoich wieloletnich badań nad teorią elektryczności i magnetyzmu, Maxwell stwierdza, że „wewnętrzne powiązania różnych dziedzin nauki będących przedmiotem naszego badania są znacznie liczniejsze i bardziej złożone niż jakiekolwiek inne dotychczas opracowany dyscyplina naukowa”, w tym oczywiście mechanika. Co więcej, Maxwell pisze, że prawa nauki o elektryczności „wydają się wskazywać na jej szczególne znaczenie jako nauki w wyjaśnianiu natury”. Dlatego teoria elektryczności, obok mechaniki, jest według Maxwella nauką fundamentalną, „pomagającą wyjaśnić naturę”. „Wychodząc z tego”, mówi Maxwell, „wydaje mi się, że badanie elektromagnetyzmu we wszystkich jego przejawach jako środka posuwającego naukę naprzód zawsze nabiera szczególnego znaczenia”. Od czasu genialnych odkryć Faradaya, techniczne zastosowania elektryczności znacznie się rozwinęły. Do czasu powstania traktatu telegraf elektromagnetyczny stał się powszechny, pojawiły się dalekosiężne linie komunikacyjne: kabel transatlantycki łączący Europę i Amerykę (1866), telegraf indoeuropejski łączący Londyn i Kalkutę (1869), linia komunikacyjna między Europa i Ameryka Południowa (1872).

Pojawiły się pierwsze generatory prąd elektryczny: Cromwell i Varley (1866), Siemens (1867), Wheatstone (1867), Gramm (1870-1871), a także silniki elektryczne, zaczynając od silnika rosyjskiego akademika Borisa Semenovicha Jacobiego (1834), a kończąc na silniku z pierścieniową kotwą Pacinotti (1860). Rozpoczęła się era elektrotechniki. Ale Maxwell ma na myśli nie tylko i nie tyle szybki postęp elektrotechniki. Procesy elektromagnetyczne wnikały coraz głębiej w naukę: w fizykę i chemię. Nadchodziła era elektromagnetycznego obrazu świata, który zastąpił mechaniczny.

Maxwell wyraźnie dostrzegł fundamentalne znaczenie prawa elektromagnetyczne, po przeprowadzeniu wspaniałej syntezy optyki i elektryczności. To on zdołał zredukować optykę do elektromagnetyzmu, tworząc elektromagnetyczną teorię światła, a tym samym torując nowe drogi nie tylko w fizyce teoretycznej, ale także w technologii, torując drogę dla inżynierii radiowej.

James Clerk Maxwell należał do szlacheckiej szkockiej rodziny. Jego ojciec, John Clerk, który przyjął nazwisko Maxwell, był człowiekiem o wszechstronnych zainteresowaniach kulturowych, podróżnikiem, wynalazcą i naukowcem. 13 czerwca 1831 roku w Edynburgu urodził się syn Jakuba, przyszłego wielkiego fizyka, Maxwellom. Dorastał jako urodzony przyrodnik. Ojciec wzbudził w synu ciekawość, wprowadził go w astronomię, nauczył obserwować ciała niebieskie przez teleskop. Chciał przygotować syna do studiów w domu, ale zmienił zdanie i wysłał go do Akademii Edynburskiej na poziomie średnim instytucja edukacyjna jak klasyczne gimnazjum, kiedy Maxwell miał 10 lat. Do piątej klasy James uczył się bez większego zainteresowania. Dopiero od piątej klasy zainteresował się geometrią, wykonał modele ciała geometryczne wymyślił własne metody rozwiązywania problemów. Będąc jeszcze piętnastoletnim studentem, przedstawił Royal Society of Edinburgh badanie dotyczące owalnych krzywizn. Ten młodzieńczy artykuł z 1846 roku otwiera dwutomową kolekcję Artykuły naukowe Maxwella.

W 1847 Maxwell wstąpił na Uniwersytet w Edynburgu. Do tego czasu to zainteresowania naukowe zdeterminowany, zainteresował się fizyką. W 1850 r. w Royal Society of Edinburgh sporządził raport o równowadze ciał sprężystych, w którym m.in. udowodnił znane w teorii sprężystości i wytrzymałości materiałów „twierdzenie Maxwella”. W tym samym roku Maxwell przeniósł się na University of Cambridge, do słynnego Trinity College, który wychował Newtona i wielu innych znanych fizyków dla ludzkości.

W 1854 roku Maxwell stanął jako drugi egzamin końcowy. Pisze list do swojego starszego przyjaciela Williama Thomsona, w którym donosi, że „wchodząc w straszną klasę kawalerów”, postanowił „powrócić do fizyki”, a przede wszystkim „zaatakować elektryczność”. Zastanawia się nad krzywizną powierzchni, widzeniem kolorów i badaniami eksperymentalnymi Faradaya. Już w 1855 roku wysłał raport „Eksperymenty na kolor” do Royal Society of Edinburgh, zaprojektował kolorowy top i opracował teorię widzenia kolorów. W tym samym roku rozpoczął pracę nad pamiętnikiem O liniach siły Faradaya (1855-1856), którego pierwszą część złożył w Cambridge Philosophical Society w 1855 roku.

W 1856 umiera ojciec Maxwella, który był nie tylko jego ojcem, ale także bliskim przyjacielem. W tym samym roku Maxwell otrzymał profesurę na Uniwersytecie Aberdeen w Szkocji. Nowa pozycja i opieka nad majątkiem dziedzicznym trwała długo. Mimo to Maxwell intensywnie pracuje w nauce. W 1857 r. wysłał Faradaya swój pamiętnik „Na liniach sił Faradaya”, który bardzo poruszył Faradaya. „Twoja praca mi się podoba i daje mi wielkie wsparcie”, napisał do Maxwella, Faraday się nie mylił: Maxwell bardzo poparł swoje pomysły, odpowiednio dokończył dzieło Faradaya.

Einstein porównuje nazwiska Galileusza i Newtona w mechanice z nazwiskami Faradaya i Maxwella w nauce o elektryczności. Rzeczywiście, analogia jest tutaj całkiem odpowiednia. Galileo położył podwaliny pod mechanikę, Newton ją dokończył. Obaj wyruszyli z systemu kopernikańskiego, szukając jego fizycznego uzasadnienia, które ostatecznie znalazł Newton.

Faraday podszedł do badania elektryczności i zjawisk magnetycznych w nowy sposób, wskazując na rolę ośrodka i wprowadzając pojęcie pola, które opisuje za pomocą linii sił. Maxwell podał idee matematyczną kompletność, wprowadził dokładny termin „pole elektromagnetyczne”, którego Faraday jeszcze nie miał, sformułował matematyczne prawa tego pola. Galileo i Newton położyli podwaliny pod mechaniczny obraz świata, Faraday i Maxwell położyli podwaliny pod elektromagnetyczny obraz świata.

Maxwell rozwinął teorię elektromagnetyczną w swoich pracach „O fizycznych liniach siły” (1861-1862) i „Teoria pola dynamicznego” (1864-1865). Tych prac nie wykonywał już w Aberdeen, ale w Londynie, gdzie otrzymał profesurę w King's College. Tutaj Maxwell spotkał się również z Faradayem, który był już stary i chory. Maxwell, po otrzymaniu danych potwierdzających elektromagnetyczną naturę światła, wysłał je do Faradaya. Maxwell napisał: „Elektromagnetyczna teoria światła, zaproponowana przez niego (Faraday) w Thoughts on Ray Vibrations (Phil. Mag., maj 1846) lub Experimental Investigations (Exp. Rec., s. 447), jest zasadniczo taka sama, jak to, co zacząłem rozwijać w tym artykule (Dynamic Field Theory, Phil. Mag., 1865), z wyjątkiem tego, że w 1846 nie było danych do obliczenia prędkości propagacji. J.K.M.” Maxwell uznał priorytet Faradaya w tym odkryciu. Maxwell nie mógł wiedzieć o zapieczętowanym liście Faradaya z 1832 r. i odniósł się do swojego artykułu opublikowanego w 1846 r. Stwierdził jednak z całą pewnością, że Faraday powiedział już to, co przedstawił w swojej teorii pola dynamicznego, z wyjątkiem danych ilościowych dotyczących zbieżności prędkości propagacji światła ze stałym stosunkiem jednostek elektromagnetycznych i elektrostatycznych ładunku i prądu.

W 1865 roku, kiedy pojawiła się „Teoria pola dynamicznego”, Maxwell miał wypadek podczas jazdy. Opuszcza profesję w Londynie i wyjeżdża do swojej posiadłości Glenlar, gdzie kontynuuje badania statystyczne rozpoczęty przez niego w 1859 roku.

W 1871 r. było istotne wydarzenie. Kosztem potomka słynnego naukowca XVIII wieku. Henry Cavendish, książę Cavendish, założył Wydział Fizyki Eksperymentalnej na Uniwersytecie Cambridge i rozpoczęto budowę przyszłego słynnego laboratorium Cavendish. Maxwell został zaproszony jako pierwszy profesor Cavendisha. 8 października 1871 wygłosił wykład inauguracyjny na temat funkcji pracy eksperymentalnej w szkolnictwie uniwersyteckim. Wykład okazał się programem wszystkich przyszłych działań laboratorium w nauczaniu fizyki doświadczalnej. W tej działalności Maxwell widzi potrzebę czasu.

„Musimy rozpocząć w sali wykładowej wykładami z jakiejś dziedziny fizyki, wykorzystując eksperymenty jako ilustrację, a zakończyć w laboratorium serią eksperymentów badawczych”. Maxwell zwraca uwagę na ważne kwestie dotyczące mianowania nauczycieli. Najważniejsze dla nauczyciela jest skupienie uwagi ucznia na problemie. Spierając się z przeciwnikami eksperymentalnego uczenia się, Maxwell deklaruje, że jeśli ktoś lubi problem, wkłada w jego rozwiązanie całą duszę, jeśli rozumie główną zaletę matematyki w jej zastosowaniu do wyjaśniania przyrody, to główna specjalność nie zostanie uszkodzona , wiedza eksperymentalna nie zmyli wiary we wzory podręczników, uczeń nie będzie przemęczony.

Maxwell rozpoczął swoją pracę w Cambridge od wykładów na temat ciepła. Dużo czasu poświęcił budowie i organizacji laboratorium. Studiował doświadczenia tworzenia laboratoriów za granicą i we własnym kraju, odwiedził laboratorium Thomsona, laboratorium Clarendon. Laboratorium Clarendon służyło w dużej mierze jako model dla laboratorium w Cambridge. 16 czerwca 1874 r. otwarto laboratorium.

Laboratorium było solidnym trzypiętrowym budynkiem. Na dolnym piętrze znajdowały się pomieszczenia do badań magnetyzmu, wahadeł i ciepła. Były spiżarnie, kuchnia, salon. Na drugim piętrze znajduje się duże laboratorium, sala i pracownia profesorska, sala wykładowa oraz pomieszczenie na sprzęt. Na piętrze znajdowało się laboratorium akustyki, pomieszczenia do obliczeń i konstrukcji graficznych, ciepła promieniowania, optyki, elektryczności oraz ciemnia do prac fotograficznych. Wszystkie stoły laboratoryjne spoczywały na belkach niezależnych od posadzki, co umożliwiało wykonywanie bardzo delikatnych eksperymentów. Na dachu laboratorium zamocowano metalowy słup. Dołączyła do niego cała publiczność, aby w każdej chwili można było zmierzyć potencjał elektryczności atmosferycznej. Podnoszone drzwi w podłogach laboratorium umożliwiały przeciąganie przewodów między piętrami, wieszanie wahadła Foucaulta itp. Oczywiście wszystkie laboratoria miały gaz, wodę i światło.

Trzy lata po otwarciu laboratorium Maxwell napisał, że zawiera ono wszystkie „narzędzia wymagane przez obecny stan nauki”. Lista tych urządzeń została opublikowana. Odnosząc się do tej listy, JJ Thomson powiedział w 1936 r.: „Jest to uderzający przykład różnicy między instrumentami, które kiedyś uważano za doskonałe, a tymi, które są obecnie”.

Laboratorium Cavendisha, które później stało się główne centrum fizyka wiele zawdzięcza swojemu pierwszemu profesorowi. Maxwell miał trudne zadanie stworzenia nowy dział fizyka eksperymentalna. Nowe jest zawsze trudne do znalezienia. Opiekunowie ostatnich lat odradzali im pójście do laboratorium. To wyjaśnia fakt, że na początku do laboratorium przyszło kilka osób. Jako pierwsi przybyli tu ci, którzy przeszli matematyczną grypę i chcieli zdobyć umiejętności praktyczna praca(V. Hick, G. Crystal, S. Sauder, D. Gordon, A. Schuster).

Tak więc George Crystal (1851-1911), późniejszy profesor matematyki na Uniwersytecie w Edynburgu, przetestował słuszność prawa Ohma (eksperyment wybrany przez Maxwella). Potrzeba tej weryfikacji pojawiła się, ponieważ pojawiły się badania poddające w wątpliwość słuszność tego prawa. Maxwell napisał do Campbella, że Krystal „... pracował nieprzerwanie od października, testując prawo Ohma, a Ohm wyszedł z testu triumfalnie”.

Podobnie Crystal i S. Saunder w raporcie Brytyjskiego Stowarzyszenia przedstawili wyniki porównania jednostek oporu z jednostkami Brytyjskiego Stowarzyszenia – trudne badanie x, które później kontynuowali Glazebrook i Fleming. Później, w czasach Rayleigha, badania te rozszerzyły się na całą dziedzinę pomiarów elektrycznych i uczyniły Laboratorium Cavendisha centrum ustanawiania standardów dla urządzeń elektrycznych.

Ogólnie rzecz biorąc, wszyscy pracujący dla Maxwella, przed rozpoczęciem oryginalnych badań, przeszli przez mały ogólny warsztat, studiowali instrumenty, mierzyli czas, uczyli się odczytywać itp., tj. Maxwell położył podwaliny pod przyszły ogólny warsztat laboratoryjny .

Trudno przecenić znaczenie pracy Maxwella dla przyszłego rozwoju Laboratorium Cavendisha. William Thomson napisał w 1882 r.: „Wpływ Maxwella w Cambridge miał niewątpliwy wielki wpływ na kierowanie nauk matematycznych w bardziej owocne kanały niż te, którymi płynęła przez wiele lat. Jego opublikowane artykuły naukowe i książki, jego praca jako egzaminatora w Cambridge, jego wykłady profesorskie, wszystko to przyczyniło się do tego efektu. Ale przede wszystkim zajmował się planowaniem i organizacją Laboratorium Cavendisha. Istotnie, mamy tu do czynienia z rozwojem nauk fizycznych w Cambridge w ciągu ostatnich dziesięciu lat i jest to całkowicie spowodowane wpływem Maxwella.

Jako profesor Cavendish, Maxwell kierował dużą nauką i praca pedagogiczna. W 1873 ukazała się jego główna praca, Traktat o elektryczności i magnetyzmie. Zaczął pisać popularną prezentację swojej teorii „Elektryczność w prezentacji elementarnej”, ale nie zdążył jej dokończyć. Jako profesor Cavendish, Maxwell wydobył z archiwów nieopublikowane prace Cavendisha, w tym jego pracę, w której odkrył prawo interakcji elektrycznych kilka lat przed Coulombem. Maxwell powtórzył eksperyment Cavendisha z dokładniejszym elektrometrem i potwierdził prawo odwrotna proporcjonalność kwadrat odległości od wysoki stopień dokładność. Maxwell opublikował wspomnienia Henry'ego Cavendisha z jego komentarzami w 1879 roku. W tym samym roku, 5 listopada, Maxwell zmarł na raka.

Maxwell był naukowcem wszechstronnym: teoretykiem, eksperymentatorem, technikiem. Ale w historii fizyki jego nazwisko kojarzy się przede wszystkim z teorią stworzonego przez niego pola elektromagnetycznego, którą nazywa się teorią Maxwella lub elektrodynamiką Maxwella. Wszedł do historii nauki wraz z tak fundamentalnymi uogólnieniami, jak mechanika Newtona, mechanika relatywistyczna, mechanika kwantowa i zapoczątkował nowy etap w fizyce. Zgodnie z prawem rozwoju nauki, sformułowanym przez Arystotelesa, podniósł wiedzę o przyrodzie na nowy, wyższy poziom, a jednocześnie był bardziej niezrozumiały, abstrakcyjny niż poprzednie teorie, „mniej dla nas oczywisty” w słowa Arystotelesa.

Ta okoliczność spowodowała stosunkowo długie odrzucenie teorii Maxwella przez fizyków i dopiero po eksperymentach Hertza zaczęto ją rozpoznawać. Otrzymała „prawa obywatelskie” w fizyce po eksperymencie Michelsona, po pierwszej pracy Lorentza na temat teorii elektronów. Jego asymilacja zbiegła się więc z początkiem powstania fizyki elektronicznej i relatywistycznej. Historia stworzonej przez Maxwella teorii splata się z historią tych dziedzin fizyki, prowadząc do jej obecnego stanu.

Maxwell zaczął rozwijać swoją teorię w 1854 roku. 20 lutego tego roku w liście do swojego starszego przyjaciela W. Thomsona pisze o swoim zamiarze „zaatakowania elektryczności”. W liście z Cambridge z 13 listopada 1854 r. pisze, że on, „nowicjusz w elektryce”, zdołał rozwiązać „wielką masę wątpliwości” za pomocą kilku prostych pomysłów. „Zrozumiałem podstawowe zasady elektryczności napięciowej” (tj. Elektrostatykę) dość łatwo, mówi i mówi Thomsonowi, że analogia Thomsona do przewodzenia ciepła bardzo mu pomogła. Co więcej, Maxwell donosi, że chociaż podziwiał lekturę dzieł Ampère, chciałby sam zgłębić swoje poglądy „filozoficznie”. Wydaje mu się, że metoda linii pola magnetycznego Faradaya jest bardzo przydatna do tego celu, ale inni wolą korzystać z koncepcji bezpośredniego przyciągania elementów prądu. Maxwell opracowuje obraz magnetycznych linii sił generowanych przez prąd, opowiada o polu magnetycznym, wprowadza odpowiednie pojęcia i pisze równania matematyczne.

Myśli wyrażone przez Maxwella w tym liście zostały rozwinięte w jego pierwszym dziele „O liniach siły Faradaya”, napisanym w Cambridge w latach 1855-1856. Za cel tej pracy stawia sobie „pokazanie, w jaki sposób bezpośrednie zastosowanie idei i metod Faradaya może najlepiej wyjaśnić wzajemne relacje różnych klas odkrytych przez niego zjawisk”. W swojej pracy „O liniach pola Faradaya” Maxwell buduje hydrodynamiczny model ośrodka, który przenosi oddziaływania elektryczne i magnetyczne. Udaje mu się opisać stacjonarne procesy za pomocą wizualnego obrazu poruszającego się płynu. Ładunki i bieguny magnetyczne na tym obrazku są źródłami i pochłanianiami płynącego płynu. „Próbowałem”, pisał Maxwell, „… przedstawić idee matematyczne w formie wizualnej, używając systemów linii lub powierzchni, a nie używać tylko symboli, które nie są szczególnie odpowiednie do przedstawiania poglądów Faradaya i nie w pełni odpowiadają naturze wyjaśnianych zjawisk”.

Model okazał się jednak nieodpowiedni do opisania procesów indukcji stanu elektrotonicznego Faradaya, a Maxwell został zmuszony do odwoływania się do symboliki matematycznej. Charakteryzuje stan elektrotoniczny za pomocą trzech funkcji, które nazywa funkcjami elektrotonicznymi lub składowymi stanu elektrotonicznego. We współczesnej notacji ta funkcja wektorowa odpowiada wektorowi potencjalnemu. Całka krzywoliniowa tego wektora wzdłuż linii zamkniętej Maxwell nazywa „całkowitą intensywność elektrotoniczną wzdłuż krzywej zamkniętej”. Dla tej wielkości znajduje pierwszą zasadę stanu elektrotonicznego: „Całkowite natężenie elektrotoniczne wzdłuż granicy elementu powierzchniowego służy jako miara wielkości indukcji magnetycznej przechodzącej przez ten element, czyli innymi słowy miara liczba linii pola magnetycznego przenikających ten pierwiastek.” We współczesnej notacji prawo to można wyrazić wzorem:

gdzie A jest składową wektora potencjału

w kierunku elementu krzywej dl, Bn jest składową normalną wektora indukcyjnego B w kierunku normalnej do elementu powierzchniowego dS.

która wiąże indukcję magnetyczną B z wektorem natężenia pola magnetycznego H.

Trzecie prawo wiąże siłę pola magnetycznego H z siłą tworzącego je prądu I. Maxwell formułuje je w ten sposób: „Całkowite natężenie pola magnetycznego wzdłuż linii, która ogranicza pewną część powierzchni, służy jako miara wielkości prądu elektrycznego przepływającego przez tę powierzchnię”. We współczesnej notacji zdanie to opisuje formuła

które jest teraz nazywane pierwszym równaniem Maxwella w postaci całkowej. ona zastanawia się fakt eksperymentalny, odkryty przez Oersteda: prąd otoczony jest polem magnetycznym.

Czwarte prawo to prawo Ohma:

Aby scharakteryzować oddziaływania siłowe prądów, Maxwell wprowadza wielkość, którą nazywa potencjałem magnetycznym. Wartość ta jest zgodna z piątym prawem: „Całkowity potencjał elektromagnetyczny prądu zamkniętego jest mierzony jako iloczyn ilości prądu i całkowitego natężenia elektrotonicznego wzdłuż obwodu, rozpatrywanego w kierunku prądu:

».

Szóste prawo Maxwella odnosi się do indukcji elektromagnetycznej: „Siła elektromotoryczna działająca na element przewodzący jest mierzona pochodną czasu natężenia elektrotonicznego, niezależnie od tego, czy ta pochodna wynika ze zmiany wielkości lub kierunku stanu elektrotonicznego”. We współczesnej notacji prawo to wyraża się wzorem:

które jest drugim równaniem Maxwella w postaci całkowej. Zauważ, że Maxwell nazywa siłę elektromotoryczną krążeniem wektora natężenia pole elektryczne. Maxwell uogólnia prawo indukcji Faradaya-Lenza-Neumanna, wierząc, że zmiana w czasie strumienia magnetycznego (stanu elektrotonicznego) generuje wirowe pole elektryczne, które istnieje niezależnie od tego, czy istnieją zamknięte przewodniki, w których to pole wzbudza prąd, czy nie. Maxwell nie podaje jeszcze uogólnienia prawa Oersteda.

Maxwell kończy sformułowanie sześciu praw następującymi słowami: „Spróbowałem dać w tych sześciu prawach matematyczny wyraz idei, która moim zdaniem leży u podstaw toku rozumowania Faradaya w jego badaniach eksperymentalnych. To stwierdzenie Maxwella jest absolutnie prawdziwe, podobnie jak inne stwierdzenie, że wprowadzenie „ funkcje matematyczne do wyrażania stanu elektrotonicznego Faradaya oraz do wyznaczania potencjałów elektrodynamicznych i sił elektromotorycznych”.

Maxwell zrobił kolejny krok w rozwoju teorii pola elektromagnetycznego w latach 1861-1862, publikując szereg artykułów pod ogólnym tytułem „O fizycznych liniach siły”. I tutaj Maxwell odwołuje się do mechanicznego modelu pola elektromagnetycznego. Ale ten model jest znacznie bardziej skomplikowany niż obraz pola prędkości poruszającego się płynu, który rozwinął w swojej poprzedniej pracy. Maxwell rozwinął ten model, wykorzystując w pełni swój talent jako mechanika i projektanta, i doszedł do swoich słynnych równań. „Maxwell”, pisał Boltzmann, „znalazł swoje równania w wyniku chęci udowodnienia za pomocą modeli mechanicznych możliwości wyjaśnienia zjawisk elektromagnetycznych w oparciu o koncepcję bliskiego działania i tylko te modele po raz pierwszy wskazały drogę do tych eksperymentów, które ostatecznie i definitywnie ustaliły fakt bliskiego działania, a obecnie tworzą najprostszą i najbardziej wiarygodną podstawę równań znalezionych w inny sposób.

Nie jest trudno znaleźć równania Maxwella, ale nie da się ich „wydedukować”, podobnie jak nie da się wydedukować praw Newtona. Oczywiście zarówno równania Newtona, jak i równania Maxwella można wyprowadzić z innych zasad, które muszą być akceptowane bez dowodów, ale te zasady, podobnie jak równania Maxwella czy Newtona, są uogólnieniami doświadczenia. „Teoria Maxwella to równania Maxwella” — powiedział Hertz.

W „fizycznych liniach sił” Maxwell przede wszystkim uzasadnia wyrażenie siły działającej na każdy element ośrodka, w którym znajdują się ładunki, prądy, magnesy. Maxwell myśli o ośrodku wypełnionym wirami molekularnymi, siły działające w tym ośrodku w tym samym punkcie zależą od kierunku, mają, jak teraz mówimy, charakter tensora. Następnie Maxwell zapisuje swoje słynne równania. Nowością w porównaniu z pracą nad liniami sił Faradaya jest tutaj wyraźne ustalenie związku między zmianami pola magnetycznego a pojawieniem się siły elektromotorycznej. Jego równanie (a dokładniej „trójka” równań dla składowych) określa „związek między zmianami stanu pola magnetycznego a powodowanymi przez nie siłami elektromotorycznymi”.

Kolejną ważną wiadomością jest wprowadzenie pojęć bias i bias prądów. Według Maxwella przemieszczenie jest charakterystyką stanów dielektryka w polu elektrycznym. Całkowity strumień przemieszczeń przez zamkniętą powierzchnię jest równy algebraicznej sumie ładunków wewnątrz powierzchni. „To przemieszczenie”, pisze Maxwell, „nie reprezentuje rzeczywistego prądu, ponieważ po osiągnięciu pewnej wartości pozostaje stałe. Ale to jest początek prądu, a zmiany polaryzacji wytwarzają prądy w kierunku dodatnim lub ujemnym, w zależności od tego, czy nastawienie wzrasta, czy maleje. Wprowadza to podstawową koncepcję prądu przesunięcia. Prąd ten, podobnie jak prąd przewodzenia, wytwarza pole magnetyczne. Dlatego Maxwell uogólnia równanie, które teraz nazywa się pierwszym równaniem Maxwella, i wprowadza prąd przesunięcia do pierwszej części. We współczesnej notacji to równanie Maxwella ma postać:

Wreszcie Maxwell stwierdza, że fale poprzeczne rozchodzą się w jego ośrodku elastycznym z prędkością światła. Ten fundamentalny wynik prowadzi go do ważnego wniosku: „Prędkość poprzeczna wibracje fal w naszym hipotetycznym ośrodku, obliczonym z eksperymentów elektromagnetycznych Kohlrauscha i Webera, tak dokładnie pokrywa się z prędkością światła obliczoną na podstawie optycznych eksperymentów fizjoterapeuty, że trudno odrzucić wniosek, że światło składa się z poprzecznych drgań tego samego ośrodka, co jest przyczyną zjawisk elektrycznych i magnetycznych. Tak więc na początku lat 60. XIX wieku. Maxwell odnalazł już podstawy swojej teorii elektryczności i magnetyzmu i doszedł do ważnego wniosku, że światło jest zjawiskiem elektromagnetycznym.

Kontynuując rozwój teorii, Makwell w latach 1864-1865. opublikował swoją teorię pola dynamicznego. W tej pracy teoria Maxwella przybiera skończoną formę i nowy przedmiot badania naukowe, wprowadzone przez Faradaya, - pole elektromagnetyczne - otrzymuje dokładną definicję. „Teorię, którą proponuję”, pisze Maxwell, „można nazwać teorią pola elektromagnetycznego, ponieważ dotyczy ona przestrzeni otaczającej elektryczność lub ciała magnetyczne, a także można ją nazwać teorią dynamiczną, ponieważ zakłada, że w tej przestrzeni, która jest w ruchu, znajduje się materia, przez którą wytwarzane są obserwowane zjawiska elektromagnetyczne.

Pole elektromagnetyczne to ta część przestrzeni, która zawiera i otacza ciała będące w stanie elektrycznym lub stan magnetyczny».

Jest to pierwsza definicja pola elektromagnetycznego w historii fizyki, Faraday nie używa terminu „pole”, mówi o rzeczywistym istnieniu fizycznych linii siły. Dopiero od czasów Maxwella w fizyce pojawia się pojęcie pola, które służy jako nośnik energii elektromagnetycznej.

Do opisu pola Maxwell wprowadza skalarne i wektorowe funkcje współrzędnych. Wektory, które to oznacza wielkie litery Niemiecka czcionka gotycka, ale w obliczeniach operuje ich składnikami. Maluje równania wektorowe we współrzędnych, uzyskując odpowiadające im trójki („trójki”) równań.

W „Traktacie o elektryczności i magnetyzmie” przedstawia podsumowanie głównych wielkości stosowanych w jego teorii elektromagnetycznej. Terminy, oznaczenia, samo znaczenie nadane przez Maxwella treściom wprowadzanych pojęć często znacznie odbiegają od współczesnych. Tak więc wielkość „moment elektromagnetyczny” lub „pęd elektromagnetyczny” w punkcie, który odgrywa fundamentalną rolę w koncepcji Maxwella, we współczesnej fizyce, jest wielkością pomocniczą, wektorem jest potencjał A. To prawda, w teorii kwantowej to znowu otrzymał fundamentalne znaczenie, ale fizyka eksperymentalna, inżynieria radiowa i elektrotechnika nadają mu znaczenie czysto formalne.

W teorii Maxwella wielkość ta jest powiązana ze strumieniem magnetycznym. Obieg wektora potencjału po zamkniętej pętli jest równy strumieniowi magnetycznemu przez powierzchnię pokrytą pętlą. Strumień magnetyczny ma właściwości bezwładnościowe, a siła elektromotoryczna indukcji, zgodnie z regułą Lenza, jest proporcjonalna do szybkości zmiany strumienia magnetycznego, branego z przeciwnym znakiem. Stąd natężenie indukcyjnego pola elektrycznego:

Maxwell uważa to wyrażenie za podobne do wyrażenia na siłę bezwładności w mechanice:

Impuls mechaniczny lub pęd. Ta analogia wyjaśnia termin wprowadzony przez Maxwella dla potencjału wektora. Same równania pola elektromagnetycznego w teorii Maxwella mają inną postać niż współczesna.

W swojej nowoczesnej postaci układ równań Maxwella ma następującą postać:

Za pomocą tych równań wektor indukcji magnetycznej B i wektor natężenia pola elektrycznego E są wyrażane w postaci potencjału wektora A i potencjału skalarnego V. Maxwell następnie zapisuje wyrażenie na siłę ponderomotoryczną f działającą z pola o indukcji magnetycznej B na jednostkę objętości przewodnika, przez który przepływa prąd o gęstości j:

Do tego wyrażenia dodaje „równanie namagnesowania”:

oraz „równanie prądów elektrycznych” (obecnie pierwsze równanie Maxwella):

Zależność między wektorem przemieszczenia D a natężeniem pola elektrycznego E w Maxwellu wyraża równanie:

Następnie wypisuje równanie divD = p oraz równanie gdzie

a także warunek brzegowy:

To jest układ równań Maxwella. Najważniejszym wnioskiem z tych równań jest istnienie poprzecznych fal elektromagnetycznych rozchodzących się w namagnesowanym dielektryku z prędkością: gdzie

Ten wniosek doszedł do niego w ostatniej części „Teorii Pola Dynamicznego”, która nosi tytuł „Elektromagnetyczna Teoria Światła”. „... Nauka o elektromagnetyzmie”, pisze tutaj Maxwell, „prowadzi do dokładnie tych samych wniosków, co optyka, w odniesieniu do kierunku zakłóceń, które mogą się rozprzestrzeniać w polu; obie te nauki potwierdzają poprzeczność tych oscylacji i obie dają tę samą prędkość propagacji. W eterze ta prędkość c jest prędkością światła (Maxwell określa ją jako V), w dielektryku jest mniejsza gdzie

Zatem współczynnik załamania n, według Maxwella, jest określony przez elektryczne i właściwości magnetyczneśrodowisko. W niemagnetycznym dielektryku, gdzie

To jest słynna relacja Maxwella.

W Traktacie Maxwell pisze: „Zgodnie z teorią, że światło jest zaburzeniem elektromagnetycznym propagującym się w tym samym medium, przez które rozchodzą się inne działania elektromagnetyczne, V musi być prędkością światła, której wartość liczbową można określić różnymi metodami. Z kolei v to liczba jednostek elektrostatycznych w jednej jednostce elektromagnetycznej, a metody wyznaczania tej wielkości zostały opisane w poprzednim rozdziale. Są to całkowicie niezależne metody określania prędkości światła. Dlatego zbieżność lub brak zbieżności wartości Y i v stanowi test elektromagnetycznej teorii światła.

Maxwell podaje podsumowanie definicji V i v, z których wynika, że „prędkość światła i stosunek jednostek są tego samego rzędu wielkości”. Chociaż Maxwell nie uważa tej umowy za wystarczająco dokładną, ma nadzieję, że w dalszych eksperymentach można dokładniej określić związek między tymi dwiema wielkościami. W każdym razie dostępne dane nie obalają teorii. Ale w odniesieniu do prawa Maxwella sprawy miały się gorzej. Był sam wynik eksperymentalny uzyskana przez określenie stałej dielektrycznej parafiny. Okazało się, że jest równe e = 1,975. Natomiast wartości współczynnika załamania parafiny dla linii Fraunhofera - A, D, H okazały się równe n = 1,420 zamiast

Różnica ta jest na tyle duża, że nie można jej przypisać błędowi obserwacji. Maxwell uznał to za przejaw potrzeby znacznego udoskonalenia teorii budowy materii, „zanim będziemy mogli wyprowadzić właściwości optyczne ciał z ich właściwości elektrycznych”. Ta bardzo subtelna i głęboka uwaga znalazła pełne uzasadnienie w historii fizyki.

W czasach Maxwella długofalowy region widma elektromagnetycznego nie został jeszcze odkryty i, oczywiście, nie zmierzono dla niego wartości współczynnika załamania. Jednak anomalną dyspersję odkryto już w obszarze optycznym, co pokazało, że współczynnik załamania światła w bardzo złożony sposób zależy od częstotliwości. Wymagany wszechstronny eksperymentalny i studia teoretyczne powiedzieć z całą pewnością o ważności prawa Maxwella. Sam Maxwell był głęboko przekonany o słuszności swoich wniosków i nie wstydził się odchyleń danych eksperymentalnych od wartości teoretycznych. Uważnie śledził badania w tej dziedzinie, chociaż ostrzegał: „Nie możemy liczyć nawet na przybliżoną weryfikację, jeśli porównamy wyniki naszych wolno postępujących eksperymentów elektrycznych z wibracjami światła, które występują miliardy razy na sekundę”. Mimo to z zadowoleniem przyjął wyniki Boltzmanna, który zmierzył stałe dielektryczne gazów i wykazał słuszność Maxwellowskiej relacji n2 = e dla pewnej liczby gazów.Zamieścił wyniki Boltzmanna w swojej ostatniej pracy, Electricity in an Elementary Presentation, opublikowanej pośmiertnie. . Zawarł również wyniki rosyjskich fizyków N.N. Schillera (1848-1910) i P.A. Zilova (1850-1921).

N. N. Schillera w latach 1872-1874 zmierzył stałą dielektryczną wielu substancji w przemiennych polach elektrycznych o częstotliwości około 10 Hz. Dla wielu dielektryków znalazł przybliżone potwierdzenie prawa n2 = e, ale dla innych, np. dla szkła, rozbieżność była bardzo znacząca. P. A. Zilov w 1876 r. zmierzył stałe dielektryczne niektórych cieczy. Dla terpentyny stwierdził: e = 2,21, e(1/2) = 1,49, n = 1,456. Ziłow doskonale zdawał sobie sprawę, że długość fal elektrycznych jest „nieskończenie duża w porównaniu z długością fal świetlnych” i formułuje prawo Maxwella w następujący sposób: „Pierwiastek kwadratowy ze stałej dielektrycznej izolatora jest równy jego współczynnikowi załamania dla promieni nieskończenie długiej fali”.

N. N. Schiller i P. A. Zilov byli uczniami Stoletova. Sam Stoletov był głęboko zainteresowany teorią Maxwella i podjął się pomiaru stosunku jednostek w celu potwierdzenia wniosku Maxwella. W Rosji teoria Maxwella spotkała się z sympatią i zrozumieniem, a rosyjscy fizycy w znacznym stopniu przyczynili się do jej sukcesu.

W teorii Maxwella energia jest rozprowadzana w przestrzeni z gęstością objętościową. Oczywiście fala elektromagnetyczna rozchodząca się w przestrzeni niesie ze sobą energię. Maxwell argumentował, że fala padająca na powierzchnię pochłaniającą wytwarza na tej powierzchni ciśnienie równe objętościowej gęstości energii. Ten wniosek Maxwella skrytykował W. Thomson (Kelvin) i inni fizycy. Jak zobaczymy poniżej, rosyjski fizyk PN Lebiediew udowodnił, że Maxwell miał rację.

Doktryna ruchu energii została opracowana przez rosyjskiego fizyka N.A. Umova.

N. A. Umov urodził się 23 stycznia 1846 r. W rodzinie lekarza z Simbirska. Po ukończeniu Pierwszego Gimnazjum Moskiewskiego w 1863, UMOV wstąpił na Uniwersytet Moskiewski, który ukończył w 1867 jako kandydat. W 1871 Umov bronił Praca magisterska„Teoria zjawisk termomechanicznych w ciałach stałych elastycznych” i została wybrana na stanowisko profesora nadzwyczajnego na Uniwersytecie Noworosyjskim w Odessie. W 1874 obronił pracę doktorską „Równania ruchu energii w ciałach”. Debata była trudna. Idea ruchu energii wydawała się nie do przyjęcia nawet dla takich fizyków jak A.G. Stoletov. W 1875 r. Umow został nadzwyczajnym, aw 1880 r. profesorem zwyczajnym na Uniwersytecie Noworosyjskim. W 1893 przeniósł się do Moskwy w związku z wyborem na profesora uniwersyteckiego. Trzy lata później zajmuje katedrę fizyki, zwolnioną po śmierci Stoletowa.

Pod przewodnictwem Umova projektowany i budowany jest budynek Instytutu Fizyki Uniwersytetu. Umow zmarł 15 stycznia 1915 r.

W swojej pracy „Równania ruchu energii w ciałach” Umov rozważa ruch energii w ośrodku o równomiernym rozkładzie energii w całej objętości, tak że każdy element objętości ośrodka „zawiera pewną ilość energii w w danej chwili." Umov oznacza wolumetryczną gęstość energii przez E i przez lx, 1y, lz - „składniki wzdłuż prostokątnych osi współrzędnych x, y i z prędkości, z jaką energia porusza się w rozważanym punkcie ośrodka”. Umov dalej ustala równanie różniczkowe, które jest zgodne ze zmianą gęstości energii E w czasie:

Podobnie jak Maxwell, Umov oznacza pochodne cząstkowe przez

Dziś piszemy odwrotnie:

Tak więc zmiana energii wewnątrz objętości jest zdeterminowana jej przepływem przez powierzchnię. Przez każdą jednostkę powierzchni w jednostce czasu przepływa ilość energii El„, równa składowej normalnej wektora E1 = =y. Ten wektor nazywa się teraz wektorem Umov.

17 grudnia 1883 Rayleigh przedstawił Royal Society komunikat Johna Poyntinga (1852-1914) „O przekazywaniu energii w polu elektromagnetycznym”. Wiadomość ta została odczytana przez Poyntinga 10 stycznia 1884 r. i opublikowana w obradach towarzystwa w 1885 r., czyli 11 lat po publikacji Umova. Nie znając tej publikacji, która ukazała się w Odessie w 1874 r. jako osobna broszura, Poynting rozwiązuje to samo pytanie w odniesieniu do przypadku ruchu energii elektromagnetycznej. Opierając się na Maxwellowskim wyrażeniu na gęstość objętościową energii elektromagnetycznej, Pointing znajduje twierdzenie, które formułuje w następujący sposób: „Zmiana sumy energii elektrycznej i magnetycznej zamkniętej wewnątrz powierzchni na sekundę, wraz z ciepłem wytworzonym przez prądy, jest równa wartości, do której każdy element powierzchni wnosi swój udział, w zależności od wartości sił elektrycznych i magnetycznych na tym elemencie.

Oznacza to, że „energia przepływa... prostopadle do płaszczyzny zawierającej linie sił elektrycznych i magnetycznych, a ilość energii przechodzącej przez powierzchnię jednostkową tej płaszczyzny na sekundę jest równa iloczynowi: sił elektromotorycznych, sił magnetycznych, sinusa kąta między nimi podzielonego przez 4n, a kierunek przepływu wyznaczają trzy wielkości – siła elektromotoryczna, siła magnetyczna i przepływ energii, połączone w prawoskrętną wiązkę.

We współczesnej notacji wektor strumienia energii Poyntinga w module i kierunku jest określony przez wyrażenie:

W naszej literaturze wektor ten nazywa się wektorem Umov-Poynting.

Mówiąc o osiągnięciach teorii oddziaływań krótkozasięgowych, do których należy teoria Maxwella, nie należy zapominać, że teoria ta nie cieszyła się poparciem większości czołowych fizyków. Maxwell w przedmowie do pierwszego wydania swojego „Traktatu o elektryczności i magnetyzmie” z 1 lutego 1873 r. pisał, że metoda Faradaya równa się metodzie matematyków, którzy elektryczność traktują w kategoriach działania na odległość. „Odkryłem”, napisał Maxwell, „że wyniki obu metod generalnie są zbieżne, tak że te same zjawiska są przez nie wyjaśniane, a obie metody wyprowadzają te same prawa”. Podkreśla jednak, że owocne metody znalezione przez matematyków „można wyrazić w kategoriach przedstawień zapożyczonych od Faradaya, znacznie lepiej niż w ich pierwotnej formie”. Taka jest, według Maxwella, teoria potencjału, jeśli potencjał jest rozpatrywany jako wielkość, która spełnia równanie różniczkowe w pochodnych cząstkowych. Maxwell popiera i broni metody Faradaya. „W ten sposób, chociaż w niektórych miejscach może się to wydawać mniej pewne, jest, jak sądzę, lepiej zgodne z naszą rzeczywistą wiedzą, zarówno w tym, co twierdzi, jak i w tym, co pozostawia niezdecydowaną”. Kończąc swój traktat analizą teorii działania dalekiego zasięgu, Maxwell zwraca uwagę, że wszystkie one były w opozycji do pojęcia pola, „sprzeczne z założeniem istnienia ośrodka, w którym rozchodzi się światło”. Ale Maxwell twierdzi, że koncepcja działania dalekiego zasięgu jest nieuchronnie skonfrontowana z pytaniem: „Jeśli coś rozprzestrzenia się na odległość od jednej cząstki do drugiej, to w jakim stanie będzie, gdy opuści jedną cząstkę i jeszcze nie dotarło do innej? " Maxwell uważa, że jedyną rozsądną odpowiedzią na to pytanie jest hipoteza pośredniego ośrodka, który przenosi działanie jednej cząstki na drugą, hipoteza bliskiego działania. Jeśli ta hipoteza zostanie przyjęta, to, jak sądzi Maxwell, „powinna zająć poczesne miejsce w naszych badaniach i powinniśmy spróbować stworzyć mentalną reprezentację wszystkich szczegółów tego działania”. „I to było”, konkluduje Maxwell, „moim stałym celem w tym traktacie”.

Tak więc już w „Traktacie” Maxwell stwierdza obecność poważnego sprzeciwu wśród zwolenników dalekosiężnych działań wobec nowych idei. Wyraźnie czuje, że nowa koncepcja pola oznacza podniesienie naszego rozumienia zjawisk elektromagnetycznych na nowy wyższy poziom i w tym ma z pewnością rację. Ale to nowy poziom, wprowadzając niejasne, nie wprost dostrzegalne pojęcie pola, oddala nas od zwykłych wyobrażeń zmysłowych, od znanych pojęć. Po raz kolejny powtórzono wskazówkę Arystotelesa, że wiedza zmierza w kierunku „bardziej oczywistej z natury”, ale „mniej oczywistej dla nas”. Aby teoria Maxwella stała się własnością fizyki, potrzebne były nowe wyniki. Decydującą rolę w zwycięstwie teorii Maxwella odegrał niemiecki fizyk Heinrich Hertz.

Herc. Heinrich Rudolf Hertz urodził się 22 lutego 1857 r. w rodzinie prawnika, który później został senatorem. W epoce Hertza w zjednoczonych Niemczech intensywnie rozwijał się przemysł, nauka i technologia. Na Uniwersytecie w Berlinie Helmholtz stworzył światową szkołę naukową, a pod jego kierownictwem w 1876 r. zbudowano instytut fizyki. ( Na temat utworzenia i organizacji Instytutu Fizyki Helmholtza zobacz książkę: Lebedinsky A.V. i in. Helmholtz.-M.: Nauka 1966, s. 148-153.) W tym samym czasie Werner Siemens (1816-1892) pracował intensywnie w dziedzinie elektrotechniki wysokich prądów. Siemens był organizatorem największych firm elektrotechnicznych „Siemens i Halske”, „Siemens i Schunkert”. Wraz z Helmholtzem był jednym z inicjatorów powstania Instytutu Fizyki i Techniki, najwyższej instytucji metrologicznej w Niemczech. Helmholtz, przyjaciel i krewny Siemensa, był pierwszym prezesem tego instytutu.

Hertz również znalazł się wśród tych liderów niemieckiej nauki i techniki. Po ukończeniu gimnazjum w 1875 roku Hertz studiował najpierw w Dreźnie, a następnie w Wyższej Szkole Technicznej w Monachium. Ale wkrótce zdał sobie sprawę, że jego powołaniem jest nauka, i przeniósł się na Uniwersytet w Berlinie, gdzie studiował fizykę pod kierunkiem Helmholtza.

Hertz był ulubionym uczniem Helmholtza i to właśnie jemu Helmholtz polecił przetestować eksperymentalnie teoretyczne wnioski Maxwella. Hertz rozpoczął swoje słynne eksperymenty jako profesor w Technische Hochschule w Karlsruhe, a zakończył je w Bonn, gdzie był profesorem fizyki doświadczalnej.

Hertz zmarł 1 stycznia 1894 roku. Jego nauczyciel Helmholtz, który napisał nekrolog dla swojego ucznia, zmarł tego samego roku 8 września.

Helmholtz w swoim nekrologu wspomina początek kariery naukowej Hertza, kiedy zaproponował mu temat do pracy studenckiej w dziedzinie elektrodynamiki, „mając pewność, że Hertz zainteresuje się tą kwestią i pomyślnie ją rozwiąże”. W ten sposób Helmholtz wprowadził Hertza w dziedzinę, w której musiał następnie dokonać fundamentalnych odkryć i uwiecznić siebie. Opisując stan elektrodynamiki w tym czasie (lato 1879), Helmholtz napisał: „... Pole elektrodynamiki zamieniło się wówczas w bezdrożną pustynię, fakty oparte na obserwacjach i konsekwencjach z bardzo wątpliwych teorii - wszystko to zostało zmieszane razem ” . Zauważ, że ta cecha odnosiła się do 1879, roku śmierci Maxwella. Hertz urodził się jako naukowiec w tym roku. Niepochlebna charakterystyka elektrodynamiki na przełomie lat 70. i 80. XIX wieku. nadany przez Engelsa w 1882 roku.

Engels zauważa „wszechobecność elektryczności”, która przejawia się w badaniu najróżniejszych procesów przyrodniczych, jej rosnącym wykorzystaniu w przemyśle, i zwraca uwagę, że mimo to „jest to właśnie ta forma ruchu, o istocie w którym nadal istnieje największa niejasność”.

„W doktrynie... elektryczności” – kontynuuje Engels – „mamy przed sobą chaotyczny stos starych, niewiarygodnych eksperymentów, które nie doczekały się ani ostatecznego potwierdzenia, ani ostatecznego obalania, pewnego rodzaju niepewnej wędrówki w ciemności, badań, które nie są połączone ze sobą i doświadczeniami wielu indywidualnych naukowców atakujących losowo nieznany obszar, jak horda koczowniczych jeźdźców ”( Engels fa. dialektyka przyrody. - Marks K., Engels fa. Soch., wyd. 2, t. 20, s. 433-434.). Chociaż Engels wyraża się ostrzej niż Helmholtz, ich cechy są w zasadzie takie same: „pustynia bez dróg”, „wędrówka w ciemności”. Ale Helmholtz nie mówi ani słowa o Maxwellu, a Engels zauważa „decydujący postęp” eterycznych teorii elektryczności i „jeden niepodważalny sukces”, odnosząc się do eksperymentalnego potwierdzenia prawa Maxwella n2 = e przez Boltzmanna.

„Tak więc”, podsumowuje Engels, „eteryczna teoria Maxwella została specjalnie potwierdzona eksperymentalnie”. Engels fa. dialektyka przyrody. - Marks K., Engels fa. Soch., wyd. 2, t. 20, s. 439.) Ale decydujące potwierdzenie miało dopiero nadejść.

W międzyczasie młody naukowiec w pracach „Próba określenia górnej granicy dla energii kinetycznej przepływu energii elektrycznej” (1880), rozprawie doktorskiej „O indukcji w ciałach wirujących” (marzec 1880), „O związek równań elektrodynamiki Maxwella z elektrodynamiką przeciwną” (1884) musiał przedzierać się przez „pustynię bez dróg”, szukając po omacku mostów między konkurencyjnymi teoriami. W pracy z 1884 r. Hertz pokazuje, że elektrodynamika Maxwella ma przewagę nad zwykłą, ale uważa za nieudowodnioną, że jest to jedyna możliwa. Później jednak Hertz zdecydował się na kompromisową teorię Helmholtza. Helmholtz zapożyczył od Maxwella i Faradaya rozpoznanie roli ośrodka w procesach elektromagnetycznych, ale w przeciwieństwie do Maxwella uważał, że działanie prądów otwartych powinno różnić się od działania prądów zamkniętych. Działanie prądów zamkniętych wywodzi się z obu teorii w ten sam sposób, natomiast dla prądów otwartych, zdaniem Helmholtza, należy zaobserwować odmienne konsekwencje obu teorii. „Dla każdego, kto znał w tym czasie rzeczywisty stan rzeczy”, napisał Helmholtz, „jasne było, że pełne zrozumienie teorii zjawisk elektromagnetycznych można osiągnąć jedynie poprzez dokładne zbadanie procesów związanych z tymi chwilowymi prądami otwartymi. ”

To pytanie zostało zbadane w laboratorium Helmholtza przez N.N. Schiller nie odkrył różnicy między prądami zamkniętymi i otwartymi, jak powinno być zgodnie z teorią Maxwella. Ale najwyraźniej Helmholtz nie był z tego zadowolony i zasugerował, aby Hertz ponownie zajął się weryfikacją teorii Maxwella i zajął się rozwiązaniem problemu postawionego w 1879 r. przez Berlińską Akademię Nauk: „aby wykazać eksperymentalnie istnienie jakiegoś związku między siły elektrodynamiczne i polaryzacja dielektryczna dielektryków.” Obliczenia Hertza wykazały, że oczekiwany efekt, nawet w najbardziej sprzyjających warunkach, byłby zbyt mały, a on „odmówił rozwinięcia problemu”. Jednak od tego czasu nie przestawał myśleć o możliwych sposobach rozwiązania tego problemu, a jego uwaga „została wyostrzona w stosunku do wszystkiego, co wiąże się z drganiami elektrycznymi”.

Rzeczywiście, przy niskich częstotliwościach wpływ prądu przesunięcia, a mianowicie jest to główna różnica między teorią Maxwella a teorią działania dalekiego zasięgu, jest pomijalny, a Hertz słusznie zrozumiał, że do pomyślnego rozwiązania potrzebne są oscylacje elektryczne o wysokiej częstotliwości problem. Co wiadomo o tych wahaniach?

W 1842 r. amerykański fizyk J. Henry, powtarzając eksperymenty Savarta w 1826 r., ustalił, że wyładowanie słoika lejdejskiego „nie wygląda… jako pojedynczy transfer nieważkiego płynu z jednej wyściółki słoika do drugiej”. i że konieczne jest przyznanie „istnienia głównego wyładowania w jednym kierunku, a następnie kilku odpychanych działań tam iz powrotem, z których każda jest słabsza niż poprzednia, trwających aż do osiągnięcia równowagi.

Helmholtz w swoich pamiętnikach „O zachowaniu siły” stwierdza również, że rozładowanie baterii słoików Leiden powinno być przedstawiane „nie jako zwykły ruch elektryczności w jednym kierunku, ale jako ruch tam i z powrotem między obiema płytami, jako wibracje, które maleją coraz bardziej, aż cała ich siła życiowa nie zostanie zniszczona przez sumę oporów.

W. Thomson w 1853 r. badał wyładowanie przewodnika o określonej pojemności przez przewodnik o określonym kształcie i rezystancji. Stosując zasadę zachowania energii do procesu rozładowania wyprowadził równanie procesu rozładowania w postaci:

gdzie q to ilość energii elektrycznej na rozładowanym przewodzie w danym czasie t, C to pojemność przewodnika, k to rezystancja galwaniczna ogranicznika, A to „stała, którą można nazwać pojemnością elektrodynamiczną ogranicznika” i które teraz nazywamy współczynnikiem samoindukcji lub indukcyjnością. Thomson, analizując rozwiązanie tego równania dla różnych pierwiastków równania charakterystycznego, stwierdza, że gdy ilość

ma rzeczywistą wartość (1/CA>4*(k/A)2), to rozwiązanie pokazuje, że „główny przewodnik traci ładunek, jest ładowany mniejszą ilością prądu o przeciwnym znaku, ponownie się rozładowuje, ponownie zostaje naładowany równym mniej elektryczności pierwotnego znaku, a zjawisko to powtarza się nieskończoną liczbę razy, aż do ustalenia się równowagi. Częstotliwość cykliczna tych tłumionych oscylacji wynosi:

Zatem okres oscylacji można przedstawić wzorem:

Dla małych wartości oporu otrzymujemy znany wzór Thomsona:

Oscylacje elektromagnetyczne zostały eksperymentalnie zbadane przez W. Feddersena (1832-1918), który zbadał obraz wyładowania iskrowego w słoiku lejdeńskim w obracającym się lustrze, fotografując te obrazy, Feddersen stwierdził, że „w iskrze elektrycznej występują naprzemiennie przeciwne prądy” i że czas jednej oscylacji „wzrasta w takim stopniu, w jakim zwiększa się pierwiastek kwadratowy naelektryzowanej powierzchni”, to znaczy okres oscylacji jest proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego pojemności, jak wynika ze wzoru Thomsona. Nie bez powodu Thomson, ponownie wydając w 1882 r. swoją pracę „O nieustalonych prądach elektrycznych”, omówioną powyżej, opatrzył ją adnotacją z 11 sierpnia 1882 r.: „Teoria oscylacyjnego wyładowania elektrycznego, rozważana w tym artykule z 1853 r., zyskała wkrótce interesująca ilustracja w znakomitym studium fotograficznym iskry elektrycznej autorstwa Feddersena”. Thomson dalej wskazuje, że jego teoria „została poddana bardzo ważnym i niezwykle udanym badaniom eksperymentalnym w laboratorium Helmholtza w Berlinie”, odnosząc się do pracy N.N. Schillera z 1874 r. „Some Experimental Investigations of Electrical Vibrations”. Thomson zauważa, że oprócz innych „istotnych wyników” tego badania, „specyficzne pojemności indukcyjne (tj. przenikalności) pewnych stałych substancji izolacyjnych zostały określone na podstawie pomiarów okresów obserwowanych oscylacji”.

Tak więc na początku badań Hertza oscylacje elektryczne były badane zarówno teoretycznie, jak i eksperymentalnie. Hertz, ze swoją wzmożoną uwagą na ten temat, pracuje na najwyższym poziomie Technikum w Karlsruhe znaleźli parę cewek indukcyjnych w sali fizyki, przeznaczonej do demonstracji wykładów. „Uderzyło mnie” – pisał – „że aby uzyskać iskry w jednym uzwojeniu, nie trzeba rozładowywać dużych baterii przez drugie, a ponadto, że wystarczą do tego małe lejdejskie słoiki, a nawet wyładowania małej aparatury indukcyjnej , gdyby tylko wyładowanie przebiło iskiernik.” Eksperymentując z tymi cewkami, Hertz wpadł na pomysł swojego pierwszego doświadczenia;

Hertz opisał układ eksperymentalny i same eksperymenty w artykule opublikowanym w 1887 roku „O bardzo szybkich oscylacjach elektrycznych”. Hertz opisuje tutaj metodę generowania oscylacji „około sto razy szybszych niż te obserwowane przez Feddersena”. „Okres tych oscylacji”, pisze Hertz, „określony oczywiście tylko za pomocą teorii, jest mierzony w setnych milionowych częściach sekundy. Dlatego pod względem czasu zajmują pośrednie miejsce między dźwiękowymi wibracjami ciężkich ciał a lekkimi wibracjami eteru. Hertz nie mówi jednak w tej pracy o falach elektromagnetycznych o długości około 3 m. Wszystko, co zrobił, to skonstruowanie generatora i odbiornika oscylacji elektrycznych poprzez badanie indukcyjnego działania obwodu oscylacyjnego generatora na obwód oscylacyjny odbiornika, z maksymalną odległością między nimi 3 m.

Obwód oscylacyjny w końcowym eksperymencie składał się z przewodów C i C1, znajdujących się w odległości 3 m od siebie, połączonych drutem miedzianym, pośrodku którego znajdował się iskiernik cewki indukcyjnej. Odbiornik był prostokątnym obwodem o bokach 80 i 120 cm, z iskiernikiem na jednym z krótszych boków. Działanie indukcyjne generatora na odbiornik zostało wykryte przez słabą iskrę w tym przedziale.

Ryż. 43. Doświadczenie Hertza

Następnie Hertz wykonał obwód odbiorczy w postaci dwóch kulek o średnicy 10 cm, połączonych drutem miedzianym, w środku których znajdował się iskiernik. Opisując wyniki eksperymentu, Hertz podsumował: „Myślę, że tutaj po raz pierwszy oddziaływanie prostoliniowych prądów otwartych, które ma takie bardzo ważne dla teorii. Rzeczywiście, jak wiemy, to otwarte obwody umożliwiły wybór między konkurencyjnymi teoriami. Jednak ani w tej pierwszej pracy, ani w trzech kolejnych Hertz nie mówi o maxwellowskich falach elektromagnetycznych, jeszcze ich nie widzi. Na razie mówi o „oddziaływaniu” przewodników i oblicza to oddziaływanie zgodnie z teorią oddziaływania dalekiego zasięgu. Dyrygenci, z którymi pracuje tutaj Hertz, weszli do nauki pod nazwą wibrator i rezonator Hertzian.Dyrygent nazywany jest rezonatorem, ponieważ najsilniej wzbudzany jest przez drgania, które rezonują z jego własnymi wibracjami.

W swojej następnej pracy O wpływie światła ultrafioletowego na wyładowanie elektryczne, która została przedłożona do Protokołów Berlińskiej Akademii Nauk 9 czerwca 1887 r., Hertz opisuje ważne zjawisko odkryte przez niego, nazwane później efektem fotoelektrycznym. To niezwykłe odkrycie zostało dokonane z powodu niedoskonałości Hertzańskiej metody wykrywania oscylacji: iskry wzbudzone w odbiorniku były tak słabe, że Hertz zdecydował się umieścić odbiornik w ciemnej obudowie, aby ułatwić obserwację. Okazało się jednak, że maksymalna długość iskry w tym przypadku jest znacznie mniejsza niż w obwodzie otwartym. Usuwając kolejno ścianki obudowy, Hertz zauważył, że ściana skierowana w stronę iskry generatora miała efekt zakłócający. Badając dokładnie to zjawisko, Hertz ustalił przyczynę, która ułatwia wyładowanie iskry do odbiornika - ultrafioletową poświatę iskry generatora. Tak więc zupełnie przypadkowo, jak pisze sam Hertz, ważny fakt niezwiązane bezpośrednio z celem badania. Fakt ten natychmiast przyciągnął uwagę wielu badaczy, w tym profesora Uniwersytetu Moskiewskiego A. G. Stoletowa, który szczególnie uważnie studiował nowy efekt, który nazwał aktynoelektrykiem.

Doświadczenie z wibratorem Hertz

A. G. STOŁOTOW. Aleksander Grigoriewicz Stoletow urodził się 10 sierpnia 1839 r. we Włodzimierzu w rodzinie kupieckiej. Po ukończeniu gimnazjum im. Włodzimierza Stoletov wstąpił na Wydział Fizyki i Matematyki Uniwersytetu Moskiewskiego i został tam, aby przygotować się do nauczania. W latach 1862-1865 Stoletov przebywał w podróży służbowej za granicę, podczas której poznał wybitnych niemieckich naukowców Kirchhoffa, Magnusa i innych. W 1866 roku Stoletov został wykładowcą uniwersyteckim i prowadził kurs fizyki matematycznej. W 1869 obronił pracę magisterską „Ogólny problem elektrostatyki i jej sprowadzenie do najprostszego przypadku”, po czym został zatwierdzony jako adiunkt na uniwersytecie.

Po obronie w 1872 r. rozprawy doktorskiej „Badania nad funkcją namagnesowania miękkiego żelaza” Stoletov został zatwierdzony jako profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie Moskiewskim i zorganizował laboratorium fizyczne, w którym szkoliło się wielu rosyjskich fizyków. W tym laboratorium Stoletov rozpoczął badania aktynoelektryczne w 1888 roku. ( Więcej informacji na temat laboratorium A.G. Stoletova można znaleźć w VKN Teplyakov GM, Kudryavtsev P.S Alexander Grigorievich Stoletov. - M. - Oświecenie, 1966)

Hertz w swoim artykule na temat wpływu światła ultrafioletowego na wyładowanie elektryczne wskazał na zdolność promieniowania ultrafioletowego do zwiększania iskiernika cewki indukcyjnej i podobnych ograniczników. „Warunki, w których przejawia swoje działanie w takich wyładowaniach, są oczywiście bardzo złożone i pożądane byłoby zbadanie działania w prostszych warunkach, w szczególności poprzez wyeliminowanie induktorów” – napisał Hertz. W przypisie zaznaczył, że nie może znaleźć warunków, które mogłyby zastąpić „tak mało jasny proces wyładowanie iskrowe przez prostsze działanie. Po raz pierwszy odniósł sukces tylko G. Galvaks (1859-1922). Ale Galvaks, a także Wiedemann i Ebert badali, podobnie jak Hertz, wpływ światła na wyładowania elektryczne wysokiego napięcia.

Stoletov postanowił zbadać, czy takie działanie byłoby możliwe przy elektryczności o słabych potencjałach. Wskazując na zalety tej metody, Stoletov kontynuował: „Moja próba była bardziej udana niż oczekiwano. Pierwsze eksperymenty rozpoczęły się około 20 lutego 1888 roku i trwały nieprzerwanie… do 21 czerwca 1888 roku. Nazywając badane zjawisko aktynoelektrykiem, Stoletov donosi, że kontynuował eksperymenty w drugiej połowie 1888 iw 1889 roku i nadal nie uważa ich za zakończone.

Aby uzyskać efekt fotoelektryczny (termin, który zastąpił Stoletova), Stoletov wykorzystał instalację będącą prototypem nowoczesnych fotokomórek. Dwa metalowe krążki (Stoletov nazywał je „armaturami” lub „elektrodami”) - jeden wykonany z metalowej siatki, a drugi solidny - zostały połączone z biegunami akumulatora galwanicznego przez galwanometr, tworząc kondensator włączony w obwód akumulatora. Przed tarczą siatki umieszczono lampę łukową, której światło przechodząc przez siatkę padało na metalowy dysk.

„Już wstępne eksperymenty… przekonały mnie, że nie tylko bateria 100 elementów… ale także znacznie mniejsza daje niewątpliwy prąd w galwanometrze podczas oświetlania dysków, jeśli tylko podłączony jest dysk twardy (tylny) do jego ujemnego bieguna, a siatka (przód) - z dodatnim.

Tak prosto i czysto odtworzono zjawisko prądu fotoelektrycznego. To właśnie Stoletow wyprowadził to zjawisko z zamieszania złożonych relacji wyładowania elektrycznego, wymyślił prosty projekt pierwszej fotokomórki i w ten sposób położył podwaliny pod owocne badania efektu fotoelektrycznego. Stoletow po raz pierwszy wyraźnie i wyraźnie pokazał jednobiegunowość efektu: „Od samego początku moich badań kategorycznie obstawałem przy idealnej jednobiegunowości działania aktynoelektrycznego, czyli niewrażliwości ładunków dodatnich na promienie”. Udowodnił też bezwładność działania: „Prąd aktynoelektryczny zatrzymuje się natychmiast (praktycznie rzecz biorąc), gdy tylko promienie zostaną opóźnione przez ekran”; wykazali, że efekt fotoelektryczny jest związany „z pochłanianiem promieni aktywnych” przez oświetloną elektrodę: „Promienie muszą być pochłaniane przez ujemnie naładowaną powierzchnię. Oczywiście ważna jest absorpcja w najcieńszej górnej warstwie elektrody, w warstwie, w której, że tak powiem, znajduje się ładunek elektryczny.

Badając czas, jaki upłynął od zapalenia elektrody do pojawienia się fotoprądu (było to bardzo trudne i mało niezawodne), Stoletov stwierdził, że tym razem „jest bardzo nieznaczny, innymi słowy można rozważyć działanie promieni, praktycznie rzecz biorąc, natychmiast”. „Praktycznie rzecz biorąc, prąd pojawia się i znika w tym samym czasie, co oświetlenie”. Stoletov stwierdził również, że zależność fotoprądu od napięcia nie jest liniowa; „Prąd jest w przybliżeniu proporcjonalny do siły elektromotorycznej tylko przy najmniejszych wartościach. Ta ostatnia, a następnie w miarę jej wzrostu, chociaż również rośnie, ale coraz wolniej”.

W ten sposób Stoletov bardzo dokładnie i szczegółowo zbadał efekt fotoelektryczny. Wyraźnie widział naturę tego zjawiska, ale przed odkryciem elektronów nie mógł oczywiście jeszcze ujawnić jego prawdziwej istoty: wyciągania elektronów przez światło. Jest to tym bardziej uderzające, że już w pierwszym akapicie swoich wniosków pisze: „Promienie łuku elektrycznego, padające na powierzchnię ujemnie naładowanego ciała, odprowadzają z niego ładunek”.

Nazwisko Stoletova słusznie należy do pionierów efektu fotoelektrycznego.

W 1890 roku Stoletov kontynuował swoje badania. Wyniki nowych badań zostały opublikowane w artykule „Zjawiska aktynoelektryczne w rozrzedzonych gazach”. Tutaj Stoletov zbadał rolę ciśnienia gazu w fotokomórce. Odkrył, że wraz ze spadkiem ciśnienia gazu prąd początkowo rośnie powoli, a następnie szybciej, osiągając maksimum przy określonym ciśnieniu, które Stoletov nazwał krytycznym i oznaczono jako rt. Po osiągnięciu krytycznego ciśnienia prąd opada, zbliżając się do ostatecznego limitu. Stoletov znalazł prawo wiążące ciśnienie krytyczne z ładunkiem kondensatora. "Ciśnienie krytyczne jest proporcjonalne do ładunku kondensatora, innymi słowy -^L-= const." Prawo to weszło do fizyki wyładowań gazowych pod nazwą prawa Stoletowa.

Po badaniach aktynoelektrycznych pojawiły się omówione powyżej artykuły Stoletova na temat stanu krytycznego.

W wyniku przestudiowania tego rozdziału student powinien:

wiedzieć

empiryczne i teoretyczne podstawy teorii pola elektromagnetycznego;
historia powstania teorii pola elektromagnetycznego, historia odkrycia ciśnienia światła i fal elektromagnetycznych;
fizyczna istota równań Maxwella (w postaci całkowej i różniczkowej);
główne etapy biografii J. K. Maxwella;
główne kierunki rozwoju elektrodynamiki wg J.K. Maxwella;
osiągnięcia J.K. Maxwella w fizyka molekularna i termodynamika;

być w stanie

ocenić rolę Maxwella w rozwoju teorii elektryczności i magnetyzmu, fundamentalne znaczenie równań Maxwella, miejsce książki „Traktat o elektryczności i magnetyzmie” w historii nauki, doświadczenia historyczne G. Hertz i PN Lebiediew;
omówić biografie czołowych naukowców zajmujących się elektromagnetyzmem;

własny

Umiejętność operowania podstawowymi pojęciami teorii pola elektromagnetycznego.

Kluczowe terminy: pole elektromagnetyczne, równania Maxwella, fale elektromagnetyczne, ciśnienie światła.

Odkrycia Faradaya zrewolucjonizowały naukę o elektryczności. Z jego lekką ręką elektryczność zaczęła zdobywać nowe pozycje w technologii. Zdobyto telegraf elektromagnetyczny. Na początku lat 70-tych. Już w XIX wieku połączył Europę z USA, Indiami i Ameryką Południową, pojawiły się pierwsze generatory prądu i silniki elektryczne, elektryczność zaczęła być szeroko stosowana w chemii. Procesy elektromagnetyczne wdzierały się coraz głębiej w naukę. Nadeszła era, kiedy elektromagnetyczny obraz świata był gotowy, by zastąpić mechaniczny. Potrzebowaliśmy genialnego człowieka, który potrafiłby, jak w swoim czasie Newton, połączyć zgromadzone do tego czasu fakty i wiedzę i na ich podstawie stworzyć nowa teoria opisując podstawy nowego świata. J.K. Maxwell stał się taką osobą.

James Clerk Maxwell(ryc. 10.1) urodził się w 1831 roku. Jego ojciec, John Clerk Maxwell, był wyraźnie wybitnym człowiekiem. Z zawodu prawnik, poświęcał jednak sporo czasu innym rzeczom, które były dla niego bardziej interesujące: podróżował, projektował samochody, przeprowadzał eksperymenty fizyczne, a nawet opublikował kilka artykułów naukowych. Kiedy Maxwell miał 10 lat, jego ojciec wysłał go na studia do Akademii Edynburskiej, gdzie przebywał przez sześć lat – aż do wstąpienia na uniwersytet. W wieku 14 lat Maxwell napisał pierwszą pracę naukową na temat geometrii krzywych owalnych. Podsumowanie zostało opublikowane w Proceedings of the Royal Society of Edinburgh, 1846.

W 1847 Maxwell wstąpił na Uniwersytet w Edynburgu, gdzie zaczął dogłębnie studiować matematykę. W tej chwili jeszcze dwa Praca naukowa uzdolniony student został opublikowany w Proceedings of the Royal Society of Edinburgh. Treść jednego z nich (o krzywych tocznych) przedstawił społeczeństwu prof. Kelland, drugiego (o właściwościach sprężystych ciał stałych) po raz pierwszy przedstawił sam autor.

W 1850 Maxwell kontynuował naukę w Peterhouse – St. Peter's College, Cambridge University, a stamtąd przeniósł się do Holy Trinity College – Trinity College, który dał światu I. Newton, a później VV Nabokov, B. Russell i inni. W 1854 roku pan Maxwell zdaje egzamin i otrzymuje tytuł licencjata. Następnie został w Trinity College jako nauczyciel. Jednak bardziej interesowały go problemy naukowe. W Cambridge Maxwell zaczął studiować kolory i widzenie kolorów. W 1852 doszedł do wniosku, że mieszanie barw widmowych nie pokrywa się z mieszaniem barw. Maxwell rozwija teorię widzenia barw, projektuje kolorowy blat (ryc. 10.2).

Ryż. 10.1.

Ryż. 10.2.

Oprócz swoich starych hobby - problemów z geometrią i kolorem, Maxwell zainteresował się elektrycznością. W 1854 r., 20 lutego, napisał list z Cambridge do W. Thomsona w Glasgow. Oto początek tego słynnego listu:

„Drogi Thomsonie! Teraz, kiedy wszedłem do bezbożnej klasy licencjackiej, zacząłem myśleć o czytaniu. Czasem bardzo przyjemnie jest znaleźć się wśród zasłużenie uznanych książek, których jeszcze nie przeczytałem, ale muszę przeczytać. Ale mamy silne pragnienie powrotu do obiekty fizyczne a niektórzy z nas chcą atakować elektryczność”.

Po ukończeniu kursu Maxwell został członkiem Trinity College na Uniwersytecie w Cambridge, aw 1855 został członkiem Royal Society of Edinburgh. Jednak wkrótce opuścił Cambridge i wrócił do rodzinnej Szkocji. Profesor Forbes poinformował go, że w Aberdeen, w Marishall College, powstał wakat dla profesora fizyki, i ma wszelkie szanse na jego obsadzenie. Maxwell przyjął ofertę iw kwietniu 1856 roku (w wieku 24 lat!) objął nowe stanowisko. W Aberdeen Maxwell kontynuował pracę nad problemami elektrodynamiki. W 1857 r. wysłał M. Faradaya swoją pracę „Na liniach sił Faradaya”.

Z innych prac Maxwella w Aberdeen, jego praca nad stabilnością pierścieni Saturna była szeroko znana. Z badania mechaniki pierścieni Saturna całkiem naturalne było przejście do rozważania ruchów cząsteczek gazu. W 1859 roku Maxwell przemawiał na spotkaniu Brytyjskiego Stowarzyszenia Postępu Nauk z raportem „O dynamicznej teorii gazów”. Raport ten zapoczątkował jego owocne badania w dziedzinie kinetycznej teorii gazów i fizyki statystycznej.

W 1860 Maxwell przyjął zaproszenie z King's College London i pracował tam jako profesor przez pięć lat. Nie był wybitnym wykładowcą i nie przepadał za wykładami. Dlatego następująca przerwa w nauczaniu była dla niego bardziej pożądana niż dokuczliwa i pozwoliła mu całkowicie zanurzyć się w rozwiązywaniu fascynujących problemów fizyki teoretycznej.

Według A. Einsteina Faraday i Maxwell odegrali tę samą rolę w nauce o elektryczności, co Galileusz i Newton w mechanice. Tak jak Newton nadał efektom mechanicznym odkrytym przez Galileusza matematyczną formę i fizyczne uzasadnienie, tak Maxwell zrobił to samo w odniesieniu do odkryć Faradaya. Maxwell nadał pomysłom Faradaya ścisłą formę matematyczną, wprowadził termin „pole elektromagnetyczne” i sformułował prawa matematyczne opisujące to pole. Galileo i Newton położyli podwaliny pod mechaniczny obraz świata, Faraday i Maxwell pod elektromagnetyczny.

Maxwell zaczął myśleć o swoich poglądach na temat elektromagnetyzmu w 1857 roku, kiedy powstał wspomniany już artykuł „O liniach sił Faradaya”. Wykorzystuje tu szeroko analogie hydrodynamiczne i mechaniczne. To pozwoliło Maxwellowi zastosować aparat matematyczny irlandzkiego matematyka W. Hamiltona i wyrazić w ten sposób relacje elektrodynamiczne w języku matematycznym. W przyszłości analogie hydrodynamiczne zostaną zastąpione metodami teorii sprężystości: pojęciami odkształcenia, ciśnienia, wirów itp. Wychodząc z tego, Maxwell dochodzi do równań pola, które na tym etapie nie zostały jeszcze zredukowane do jednego układu. Badając dielektryki, Maxwell wyraża ideę „prądu przesunięcia”, a także, jeszcze niejasno, ideę związku między światłem a polem elektromagnetycznym („stan elektrotoniczny”) w sformułowaniu Faradaya, którego wtedy używał Maxwell .

Te idee są przedstawione w artykułach „O fizycznych liniach sił” (1861-1862). Zostały napisane w najbardziej płodnym okresie londyńskim (1860-1865). W tym samym czasie opublikowano słynne artykuły Maxwella „Dynamiczna teoria pola elektromagnetycznego” (1864-1865), w których wyrażono myśli o zunifikowanej naturze fal elektromagnetycznych.

Od 1866 do 1871 Maxwell mieszkał w rodzinnej posiadłości Middleby, od czasu do czasu wyjeżdżając na egzaminy do Cambridge. Zajmując się sprawami gospodarczymi, Maxwell nie porzucił studiów naukowych. Ciężko pracował nad głównym dziełem swojego życia, „Traktatem o elektryczności i magnetyzmie”, napisał książkę „Teoria ciepła”, szereg artykułów na temat kinetycznej teorii gazów.

W 1871 roku miało miejsce ważne wydarzenie. Kosztem potomków G. Cavendisha w Cambridge utworzono Wydział Fizyki Doświadczalnej i rozpoczęto budowę eksperymentalnego budynku laboratorium, który w historii fizyki znany jest jako Laboratorium Cavendisha (ryc. 10.3). Maxwell został zaproszony, aby zostać pierwszym profesorem katedry i kierownikiem laboratorium. W październiku 1871 wygłosił wykład inauguracyjny na temat kierunków i znaczenia badań eksperymentalnych w szkolnictwie uniwersyteckim. Wykład ten stał się programem nauczania fizyki doświadczalnej na wiele lat. 16 czerwca 1874 r. otwarto Laboratorium Cavendisha.

Od tego czasu laboratorium stało się na wiele dziesięcioleci centrum światowych nauk fizycznych i tak samo jest teraz. Przez ponad sto lat przeszło przez nią tysiące naukowców, wśród nich wielu z tych, którzy osiągnęli chwałę światowej nauki fizycznej. Po Maxwellu Laboratorium Cavendisha kierowało wielu wybitnych naukowców: J.J. Thomson, E. Rutherford, L. Bragg, N.F. Mott, A.B. Pippard i inni.

Ryż. 10.3.

Po wydaniu „Traktatu o elektryczności i magnetyzmie”, w którym sformułowano teorię pola elektromagnetycznego, Maxwell postanawia napisać książkę „Elektryczność w prezentacji elementarnej” w celu popularyzacji i rozpowszechniania swoich idei. Maxwell pracował nad książką, ale jego zdrowie się pogarszało. Zmarł 5 listopada 1879 roku, nie będąc świadkiem triumfu swojej teorii.

Zastanówmy się nad twórczym dziedzictwem naukowca. Maxwell pozostawił głęboki ślad we wszystkich dziedzinach nauk fizycznych. Nic dziwnego, że jego imię nosi wiele teorii fizycznych. Zaproponował paradoks termodynamiczny, który przez wiele lat nawiedzał fizyków – „demon Maxwella”. W teorii kinetycznej wprowadził pojęcia znane jako: „rozkład Maxwella” i „statystyka Maxwella-Boltzmanna”. Napisał także eleganckie studium stabilności pierścieni Saturna. Ponadto Maxwell stworzył wiele małych naukowych arcydzieł z różnych dziedzin – od wdrożenia pierwszej na świecie kolorowej fotografii po opracowanie metody radykalnego usuwania tłustych plam z ubrań.

Przejdźmy do dyskusji teoria pola elektromagnetycznego- kwintesencja twórczości naukowej Maxwella.

Warto zauważyć, że James Clerk Maxwell urodził się w tym samym roku, w którym Michael Faraday odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Maxwell był pod szczególnym wrażeniem książki Faradaya Badania eksperymentalne na elektryczność."

W czasach Maxwella było ich dwóch alternatywne teorie elektryczność: teoria "linii siły" Faradaya i teoria opracowana przez francuskich naukowców Coulomba, Ampère, Biota, Savarta, Arago i Laplace'a. Początkowa pozycja tego ostatniego to idea działania dalekiego zasięgu - natychmiastowego przeniesienia interakcji z jednego ciała na drugie bez pomocy jakiegokolwiek pośrednika. Realistycznie myślący Faraday nie mógł pogodzić się z taką teorią. Był absolutnie przekonany, że „materia nie może działać tam, gdzie jej nie ma”. Medium, przez które transmitowana jest akcja, Faraday nazwał „polem”. Uważał, że pole to było przesiąknięte magnetycznymi i elektrycznymi „liniami siły”.

W 1857 roku w Proceedings of the Cambridge Philosophical Society ukazał się artykuł Maxwella „O liniach siły Faradaya”. Zawierał cały program badań nad elektrycznością. Zauważ, że równania Maxwella zostały już napisane w tym artykule, ale jak dotąd bez prądu polaryzacji. Artykuł „O liniach sił Faradaya” wymagał kontynuacji. Wiele dały analogie elektrohydrauliczne. Z ich pomocą napisano przydatne równania różniczkowe. Ale nie wszystko można było podporządkować analogiom elektrohydraulicznym. Najważniejsze prawo indukcji elektromagnetycznej nie mieściło się w ich ramach. Konieczne było opracowanie nowego mechanizmu pomocniczego, który ułatwiłby zrozumienie procesu, odzwierciedlającego zarówno ruch translacyjny prądów, jak i rotacyjny, wirowy charakter pola magnetycznego.

Maxwell zaproponował specjalne medium, w którym wiry są tak małe, że mieszczą się w molekułach. Obracające się „molekularne wiry” wytwarzają pole magnetyczne. Kierunek osi wirów cząsteczek pokrywa się z ich liniami siły, a same można przedstawić jako cienkie obracające się cylindry. Ale zewnętrzne, stykające się części wirów muszą poruszać się w przeciwnych kierunkach, tj. zapobiegać wzajemnym ruchom. Jak dwa sąsiednie koła zębate mogą obracać się w tym samym kierunku? Maxwell zasugerował, że pomiędzy rzędami wirów molekularnych umieszczona jest warstwa maleńkich kulistych cząstek ("koła jałowego"), które mogą się obracać. Teraz wiry mogły obracać się w tym samym kierunku i oddziaływać ze sobą.

Maxwell zaczął też badać zachowanie swojego modelu mechanicznego w przypadku przewodników i dielektryków i doszedł do wniosku, że zjawiska elektryczne mogą zachodzić również w ośrodku uniemożliwiającym przepływ prądu - w dielektryku. Załóżmy, że „bezczynne koła” nie mogą poruszać się do przodu w tych ośrodkach pod działaniem pola elektrycznego, ale są przemieszczane ze swoich pozycji, gdy pole elektryczne jest przykładane i usuwane. Zidentyfikowanie tego przemieszczenia związanych ładunków z prądem elektrycznym wymagało od Maxwella ogromnej naukowej odwagi. W końcu ten prąd - prąd polaryzacji- nikt jeszcze nie oglądał. Po tym Maxwell nieuchronnie musiał zrobić kolejny krok - rozpoznać za tym prądem zdolność do tworzenia własnego pola magnetycznego.

W ten sposób model mechaniczny Maxwella umożliwił wykonanie następujące wyjście: zmiana pola elektrycznego prowadzi do pojawienia się pola magnetycznego, tj. na zjawisko przeciwne do Faradaya, kiedy zmiana pola magnetycznego prowadzi do pojawienia się pola elektrycznego.

Następny artykuł Maxwella na temat elektryczności i magnetyzmu to „O fizycznych liniach siły”. zjawiska elektryczne domagał się ich wyjaśnienia, twardy jak stal, eter. Maxwell niespodziewanie znalazł się w roli O. Fresnela, zmuszony do „wynalezienia” własnego „optycznego” eteru, aby wyjaśnić zjawiska polaryzacji, twardego jak stal i przepuszczalnego jak powietrze. Maxwell zwraca uwagę na podobieństwo dwóch mediów: „świetlnego” i „elektrycznego”. Stopniowo zbliża się do swego wielkiego odkrycia „jednej natury” światła i fal elektromagnetycznych.

W kolejnym artykule – „Dynamiczna teoria pola elektromagnetycznego” – Maxwell po raz pierwszy użył terminu „pole elektromagnetyczne”. „Teorię, którą proponuję, można nazwać teorią pola elektromagnetycznego, ponieważ zajmuje się przestrzenią otaczającą ciała elektryczne lub magnetyczne, a także można ją nazwać teorią dynamiczną, ponieważ zakłada, że w tej przestrzeni znajduje się materia, która jest w ruchu, za pomocą którego wytwarzane są obserwowane zjawiska elektromagnetyczne.

Kiedy Maxwell wydedukował swoje równania w Dynamicznej Teorii Pola Elektromagnetycznego, jedno z nich wydawało się dokładnie wskazywać, o czym mówił Faraday: wpływy magnetyczne rzeczywiście rozchodziły się w postaci fal poprzecznych. Maxwell nie zauważył wtedy, że z jego równań wynika więcej: wraz z działaniem magnetycznym we wszystkich kierunkach rozchodzi się zaburzenie elektryczne. Fala elektromagnetyczna w pełnym tego słowa znaczeniu, obejmująca zarówno zaburzenia elektryczne, jak i magnetyczne, pojawiła się u Maxwella później, już w Middleby, w 1868 roku, w artykule „O metodzie bezpośredniego porównania siły elektrostatycznej z siłą elektromagnetyczną z uwaga na temat elektromagnetycznej teorii światła” .

W Middleby Maxwell ukończył główne dzieło swojego życia – „Traktat o elektryczności i magnetyzmie”, opublikowany po raz pierwszy w 1873 roku, a następnie kilkakrotnie wznawiany. Treścią tej książki były oczywiście przede wszystkim artykuły na temat elektromagnetyzmu. W „Traktacie” podane są systematycznie podstawy rachunku wektorowego. Następnie są cztery części: elektrostatyka, elektrokinematyka, magnetyzm, elektromagnetyzm.

Zauważ, że metoda badawcza Maxwella znacznie różni się od metod innych badaczy. Nie tylko każdy wartość matematyczna, ale każda operacja matematyczna ma głęboki sens fizyczny. Jednocześnie każda wielkość fizyczna odpowiada wyraźnej charakterystyce matematycznej. Jeden z rozdziałów „Traktatu” nosi tytuł „Podstawowe równania pola elektromagnetycznego”. Oto podstawowe równania pola elektromagnetycznego z tego traktatu. Tak więc za pomocą rachunku wektorowego Maxwell zrobił prościej to, co robił wcześniej za pomocą modeli mechanicznych - wyprowadził równania pola elektromagnetycznego.

Rozważmy fizyczne znaczenie równań Maxwella. Pierwsze równanie mówi, że źródłami pola magnetycznego są prądy i zmieniające się w czasie pole elektryczne. Genialnym przypuszczeniem Maxwella było wprowadzenie przez niego całkowicie nowej koncepcji – prądu przemieszczenia – jako oddzielnego terminu w uogólnionym prawie Ampère'a – prawo Maxwella:

gdzie h- wektor natężenia pola magnetycznego; J jest wektorem gęstości prądu elektrycznego, do którego Maxwell dodał prąd przesunięcia; D- elektryczny wektor indukcyjny; c jest pewną stałą.

Równanie to wyraża indukcję magnetoelektryczną, odkrytą przez Maxwella i opartą na pojęciach prądów przesunięcia.

Innym pomysłem, który natychmiast zdobył uznanie Maxwella, był pomysł Faradaya o naturze indukcji elektromagnetycznej - występowanie w obwodzie prądu indukcyjnego, liczba linii siły magnetycznej, w których zmienia się zarówno ze względu na ruch względny obwodu, jak i magnes lub z powodu zmiany pola magnetycznego. Maxwell napisał następujące równanie:

gdzie Siema- wektor natężenia pola elektrycznego; V- stulecie-

torus natężenia pola magnetycznego i odpowiednio: - -

zmiana pola magnetycznego w czasie, s - pewna stała.

To równanie odzwierciedla prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya.

Należy wziąć pod uwagę jeszcze jedną ważną właściwość wektorów indukcji elektrycznej i magnetycznej Siema i B. Podczas gdy elektryczne linie siły zaczynają się i kończą na ładunkach będących źródłem pola, linie siły pola magnetycznego zamykają się na sobie.

W matematyce do oznaczenia cech pola wektorowego stosuje się operator „dywergencji” (różnicowanie przepływu pola) – div. Korzystając z tego, Maxwell dodaje do dwóch istniejących równań jeszcze dwa:

gdzie p jest gęstością ładunków elektrycznych.

Trzecie równanie Maxwella wyraża prawo zachowania ilości energii elektrycznej, czwarte - wirowa natura pola magnetycznego (lub brak ładunków magnetycznych w naturze).

Wektory indukcji elektrycznej i magnetycznej oraz wektory pól elektrycznych i magnetycznych zawarte w rozważanych równaniach są połączone prostymi zależnościami i można je zapisać w postaci następujących równań:

gdzie e jest stałą dielektryczną; p jest przenikalnością magnetyczną ośrodka.

Ponadto można zapisać jeszcze jedną relację, która wiąże wektor intensywności Siema i przewodność właściwą przy:

Aby przedstawić pełny układ równań Maxwella, konieczne jest również zapisanie warunków brzegowych. Warunki te musi spełniać pole elektromagnetyczne na styku dwóch mediów.

gdzie O- gęstość powierzchniowa ładunków elektrycznych; i jest gęstością prądu przewodnictwa powierzchniowego na rozważanej granicy faz. W szczególnym przypadku, gdy nie ma prądów powierzchniowych, ostatni warunek zmienia się na:

W ten sposób J. Maxwell dochodzi do definicji pola elektromagnetycznego jako rodzaju materii, wyrażającej wszystkie jego przejawy w postaci układu równań. Zauważ, że Maxwell nie używał notacji wektorowej i pisał swoje równania w dość nieporęcznej formie składowej. Współczesna postać równań Maxwella pojawiła się około 1884 roku po pracach O. Heaviside'a i G. Hertza.

Równania Maxwella są jednym z największych osiągnięć nie tylko fizyki, ale i cywilizacji w ogóle. Łączą w sobie ścisłą logikę charakterystyczną dla nauki przyrodnicze, piękno i proporcje, które wyróżniają sztukę i nauki humanitarne. Równania z maksymalną możliwą dokładnością oddają istotę zjawisk przyrodniczych. Potencjał równań Maxwella jest daleki od wyczerpania, na ich podstawie wszystkie nowe prace, wyjaśnienia najnowsze odkrycia z różnych dziedzin fizyki - od nadprzewodnictwa po astrofizykę. Podstawą jest układ równań Maxwella współczesna fizyka, i jak dotąd nie ma ani jednego eksperymentalnego faktu, który byłby sprzeczny z tymi równaniami. Znajomość równań Maxwella, przynajmniej ich fizycznej istoty, jest obowiązkowa dla każdego wykształconego człowieka, nie tylko fizyka.

Równania Maxwella były prekursorem nowej fizyki nieklasycznej. Chociaż sam Maxwell w swoich naukowych przekonaniach był „klasyczną” osobą do szpiku kości, równania, które pisał, należały do innej nauki, innej niż ta znana i bliska naukowcowi. Świadczy o tym chociażby fakt, że równania Maxwella nie są niezmiennicze w transformacjach Galileusza, ale są niezmienne w transformacjach Lorentza, które z kolei leżą u podstaw fizyki relatywistycznej.

Na podstawie uzyskanych równań Maxwell zdecydował: specyficzne zadania: wyznaczono współczynniki przenikalności elektrycznej wielu dielektryków, obliczono współczynniki samoindukcji, wzajemnej indukcji cewek itp.

Równania Maxwella pozwalają na wyciągnięcie szeregu ważnych wniosków. Może głównym jest istnienie poprzecznych fal elektromagnetycznych rozchodzących się z prędkością c.

Maxwell odkrył, że nieznana liczba c okazała się w przybliżeniu równa stosunkowi jednostek ładunku elektromagnetycznego i elektrostatycznego, który wynosi około 300 000 kilometrów na sekundę. Przekonany o uniwersalności swoich równań, pokazuje, że „światło jest zaburzeniem elektromagnetycznym”. Rozpoznanie skończonej, choć bardzo dużej prędkości propagacji pola elektromagnetycznego kamienia na kamieniu, nie pozostawiło zwolenników „natychmiastowego działania na odległość” od teorii.

Najważniejszą konsekwencją elektromagnetycznej teorii światła była przepowiednia Maxwella lekki nacisk. Udało mu się to policzyć w przypadku dobrej pogody światło słoneczne, wchłonięty przez samolot w jednym metr kwadratowy, daje 123,1 kilograma energii na sekundę. Oznacza to, że naciska na tę powierzchnię w kierunku swojego upadku z siłą 0,41 miligrama. W ten sposób teoria Maxwella została wzmocniona lub upadła w zależności od wyników eksperymentów jeszcze nie przeprowadzonych. Czy w przyrodzie występują fale elektromagnetyczne o właściwościach zbliżonych do światła? Czy jest lekki nacisk? Już po śmierci Maxwella Heinrich Hertz odpowiedział na pierwsze pytanie, a Piotr Nikołajewicz Lebiediew odpowiedział na drugie.

JK Maxwell jest gigantyczną postacią w naukach fizycznych i jako osoba. Maxwell pozostanie w pamięci ludzi tak długo, jak będzie istniała ludzkość. Imię Maxwella zostało uwiecznione w imię krateru na Księżycu. Najwyższe góry na Wenus noszą imię wielkiego naukowca (góry Maxwella). Wznoszą się o 11,5 km powyżej średniego poziomu powierzchni. Również jego nazwa to największy na świecie teleskop, który może działać w zakresie submilimetrowym (0,3-2 mm) - teleskop nazwany tak. JC Maxwell (JCMT). Znajduje się na Wyspach Hawajskich (USA), na wyżynach Mauna Kea (4200 m). 15-metrowe lustro główne JCMT jest wykonane z 276 pojedynczych kawałków aluminium, ciasno ze sobą połączonych. Teleskop Maxwella używany do badań Układ Słoneczny, pył międzygwiezdny i gaz, a także odległe galaktyki.

Po Maxwellu elektrodynamika stała się fundamentalnie inna. Jak się rozwinęła? Zwracamy uwagę na najważniejszy kierunek rozwoju - eksperymentalne potwierdzenie głównych postanowień teorii. Ale sama teoria również wymagała pewnej interpretacji. W związku z tym należy zwrócić uwagę na zasługi rosyjskiego naukowca Nikołaj Aleksiejewicz Umow, który kierował Wydziałem Fizyki Uniwersytetu Moskiewskiego w latach 1896-1911.

Nikołaj Aleksiejewicz Umow (1846-1915) - rosyjski fizyk, urodzony w Simbirsku (obecnie Uljanowsk), absolwent Uniwersytetu Moskiewskiego. Wykładał na Uniwersytecie Noworosyjskim (Odessa), a następnie na Uniwersytecie Moskiewskim, gdzie od 1896 r., po śmierci A.G. Stoletowa, kierował Wydziałem Fizyki.

Prace Umova poświęcone są różnym problemom fizyki. Głównym z nich było stworzenie doktryny ruchu energii (wektora Umova), którą nakreślił w 1874 roku w swojej rozprawie doktorskiej. Umov był obdarzony dużą odpowiedzialnością obywatelską. Wraz z innymi profesorami (V. I. Vernadsky, K. A. Timiryazev,

N. D. Zelinsky, P. N. Lebiediew), opuścił Uniwersytet Moskiewski w 1911 r. w proteście przeciwko działaniom reakcyjnego ministra edukacji L. A. Kasso.

Umow był aktywnym propagandystą nauki, popularyzatorem wiedza naukowa. Niemal pierwszy z fizyków zdawał sobie sprawę z potrzeby poważnych i ukierunkowanych badań nad metodami nauczania fizyki. Większość uczonych metodystów starszego pokolenia to jego uczniowie i wyznawcy.

Główna zasługa Umova - rozwój doktryny ruchu energii. W 1874 otrzymał wyrażenie ogólne dla wektora gęstości strumienia energii zastosowanego do mediów elastycznych i lepkich cieczy (wektor Umova). Po 11 latach angielski naukowiec John Henry Poynting(1852-1914) zrobili to samo dla przepływu energii elektromagnetycznej. Tak więc w teorii elektromagnetyzmu dobrze znany wektor Umov - Wskazywanie.

Poynting był jednym z tych naukowców, którzy natychmiast zaakceptowali teorię Maxwella. Nie można powiedzieć, że było wielu takich naukowców, co rozumiał sam Maxwell. Teoria Maxwella nie została od razu zrozumiana nawet w stworzonym przez niego Laboratorium Cavendisha. Niemniej jednak, wraz z pojawieniem się teorii elektromagnetyzmu, wiedza o przyrodzie wzniosła się na jakościowo inny poziom, co, jak zawsze, coraz bardziej oddala nas od bezpośrednich reprezentacji zmysłowych. Jest to normalny naturalny proces, który towarzyszy całemu rozwojowi fizyki. Historia fizyki dostarcza wielu takich przykładów. Wystarczy przypomnieć przepisy mechanika kwantowa, specjalna teoria względność, inne współczesne teorie. Tak więc pole elektromagnetyczne w czasach Maxwella było trudno dostępne dla zrozumienia ludzi, w tym społeczności naukowej, a tym bardziej niedostępne dla ich percepcji zmysłowej. Niemniej jednak, po eksperymentalnej pracy Hertza, pojawiły się pomysły na stworzenie komunikacji bezprzewodowej za pomocą fal elektromagnetycznych, których kulminacją było wynalezienie radia. Tak więc pojawienie się i rozwój technologii komunikacji radiowej sprawiły, że pole elektromagnetyczne stało się pojęciem dobrze znanym i znanym wszystkim.

Niemiecki fizyk odegrał decydującą rolę w zwycięstwie teorii pola elektromagnetycznego Maxwella Heinricha Rudolfa Hertza. Zainteresowanie Hertza elektrodynamiką pobudził G. L. Helmholtz, który uznając za konieczne „uporządkowanie” tej dziedziny fizyki, zasugerował, aby Hertz badał procesy w otwartych obwodach elektrycznych. Początkowo Hertz zrezygnował z tematu, ale potem, pracując w Karlsruhe, odkrył tam urządzenia, które można wykorzystać do takich badań. To przesądziło o jego wyborze, zwłaszcza że sam Hertz, dobrze znając teorię Maxwella, był w pełni przygotowany do takich badań.

Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) – niemiecki fizyk, urodził się w 1857 roku w Hamburgu w rodzinie prawnika. Studiował na Uniwersytecie w Monachium, a następnie w Berlinie u G. Helmholtza. Od 1885 roku Hertz pracuje w Technische Hochschule w Karlsruhe, gdzie rozpoczął badania, które doprowadziły do odkrycia fal elektromagnetycznych. Kontynuowano je w 1890 r. w Bonn, dokąd przeniósł się Hertz, zastępując R. Clausiusa na stanowisku profesora fizyki doświadczalnej. Tutaj kontynuuje naukę elektrodynamiki, ale stopniowo jego zainteresowania przenoszą się na mechanikę. Hertz zmarł 1 stycznia 1894 r. w rozkwicie swojego talentu w wieku 36 lat.

Na początku prac Hertza oscylacje elektryczne zostały już szczegółowo zbadane. William Thomson (Lord Kelvin) otrzymał wyrażenie, które jest teraz znane każdemu uczniowi w szkole:

gdzie T- okres oscylacji elektrycznych; A- indukcyjność, którą Thomson nazwał „pojemnością elektrodynamiczną” przewodnika; C to pojemność kondensatora. Formuła została potwierdzona eksperymentalnie Berend Wilhelm Feddersen(1832-1918), który badał drgania wyładowania iskrowego w słoiku lejdeńskim.

W artykule „O bardzo szybkich oscylacjach elektrycznych” (1887) Hertz opisuje swoje eksperymenty. Rysunek 10.4 wyjaśnia ich istotę. W swojej ostatecznej postaci obwód oscylacyjny stosowany przez Hertza składał się z dwóch przewodników CuC ", znajdujących się w odległości około 3 m od siebie i połączonych drutem miedzianym, w środku którego znajdował się iskiernik V cewka indukcyjna. Odbiornik był obwodem akdb o wymiarach 80 x 120 cm, z iskiernikiem m na jednym z krótszych boków. Detekcja została określona na podstawie obecności słabej iskry w iskierniku M. Przewodniki, z którymi Hertz eksperymentował, to, mówiąc nowocześnie, antena z detektorem. Są teraz nazwane wibrator oraz Rezonator Hertza.

Ryż. 10.4.

Istotą uzyskanych wyników było to, że iskra elektryczna w iskierniku V spowodował iskrę w wyładowarce M. Początkowo Hertz, wyjaśniając eksperymenty, nie mówi o falach Maxwella. Mówi tylko o „interakcji przewodników” i próbuje znaleźć wyjaśnienie w teorii interakcji dalekiego zasięgu. Prowadząc eksperymenty Hertz odkrył, że na krótkich odległościach charakter propagacji „siły elektrycznej” jest podobny do pola dipola, a następnie maleje wolniej i ma zależność kątową. Powiedzielibyśmy teraz, że iskiernik ma anizotropowy wzór promieniowania. To oczywiście zasadniczo przeczy teorii dalekosiężnego działania.

Po przeanalizowaniu wyników eksperymentów i przeprowadzeniu własnych badań teoretycznych Hertz przyjmuje teorię Maxwella. Dochodzi do wniosku o istnieniu fal elektromagnetycznych rozchodzących się ze skończoną prędkością. Teraz równania Maxwella nie są już abstrakcją system matematyczny i powinny być doprowadzone do takiej formy, aby były wygodne w użyciu.

Hertz otrzymał fale elektromagnetyczne przewidywane eksperymentalnie przez teorię Maxwella i, co nie mniej ważne, udowodnił ich tożsamość ze światłem. W tym celu konieczne było udowodnienie, że za pomocą fal elektromagnetycznych można zaobserwować znane efekty optyki: załamanie i odbicie, polaryzację itp. Hertz prowadził te badania, które wymagały wirtuozowskich umiejętności eksperymentalnych: prowadził eksperymenty z propagacją, odbiciem, załamaniem i polaryzacją odkrytych przez siebie fal elektromagnetycznych. Zbudował lustra do eksperymentów z tymi falami (lustra Hertza), pryzmat asfaltowy i tak dalej. Lustra Hertza pokazano na ryc. 10.5. Eksperymenty wykazały całkowitą identyczność obserwowanych efektów z tymi, które były dobrze znane dla fal świetlnych.

Ryż. 10.5.

W 1887 roku w swojej pracy „O wpływie światła ultrafioletowego na wyładowanie elektryczne” Hertz opisuje zjawisko, które później stało się znane jako zewnętrzny efekt fotoelektryczny. Odkrył, że gdy elektrody wysokiego napięcia są napromieniowane promieniami ultrafioletowymi, następuje wyładowanie większa odległość między elektrodami niż bez naświetlania.

Efekt ten został następnie szczegółowo zbadany przez rosyjskiego naukowca Aleksander Grigoriewicz Stoletov (1839-1896).

W 1889 r. na zjeździe niemieckich przyrodników i lekarzy Hertz przedstawił raport „O związku między światłem a elektrycznością”, w którym wyraził swoją opinię o wielkim znaczeniu teorii Maxwella, obecnie potwierdzonej eksperymentami.

Eksperymenty Hertza zrobiły furorę w świecie naukowym. Były wielokrotnie powtarzane i modyfikowane. Jednym z tych, którzy to zrobili, był Piotr Nikołajewicz Lebiediew. Otrzymał wówczas najkrótsze fale elektromagnetyczne iw 1895 przeprowadził z nimi eksperymenty na dwójłomności. W swojej pracy Lebiediew postawił za zadanie stopniowe zmniejszanie długości fali promieniowania elektromagnetycznego, aby ostatecznie połączyć je z długimi falami podczerwonymi. Sam Lebiediew tego nie zrobił, ale przeprowadzili to w latach 20. XX wieku rosyjscy naukowcy Aleksandra Andreevna Glagoleva-Arkadieva(1884-1945) i Maria Afanasjewna Lewicka (1883-1963).

Petr Nikołajewicz Lebiediew (1866-1912) – rosyjski fizyk, urodzony w 1866 w Moskwie, ukończył Uniwersytet w Strasburgu, aw 1891 rozpoczął pracę na Uniwersytecie Moskiewskim. Lebiediew pozostał w historii fizyki jako eksperymentator-wirtuoz, autor badań prowadzonych skromnymi środkami na granicy ówczesnych możliwości technicznych, a także jako twórca powszechnie uznawanego szkoła naukowa w Moskwie, skąd pochodzili znani rosyjscy naukowcy P. P. Lazarev, S. I. Vavilov, A. R. Kolli i inni.

Lebiediew zmarł w 1912 r. wkrótce po tym, jak wraz z innymi profesorami opuścił Uniwersytet Moskiewski w proteście przeciwko działaniom reakcyjnego ministra edukacji L. A. Kasso.

Jednak głównym wkładem Lebiediewa do fizyki jest to, że eksperymentalnie zmierzył ciśnienie światła przewidywane przez teorię Maxwella. Lebiediew poświęcił całe swoje życie badaniu tego efektu: w 1899 roku przeprowadzono eksperyment, który wykazał obecność lekkiego nacisku na ciała stałe(ryc. 10.6), aw 1907 r. - dla gazów. Prace Lebiediewa na temat nacisku światła stały się klasyką, są jednym ze szczytów eksperymentów końca XIX i początku XX wieku.

Eksperymenty Lebiediewa z lekkim naciskiem przyniosły mu światową sławę. Przy tej okazji W. Thomson powiedział: „Całe życie walczyłem z Maxwellem, nie rozpoznając jego ruchu światła, ale… Lebiediew zmusił mnie do poddania się przed swoimi eksperymentami”.

Ryż. 10.6.

Eksperymenty Hertza i Lebiediewa ostatecznie potwierdziły pierwszeństwo teorii Maxwella. Jeśli chodzi o praktykę, tj. praktyczne zastosowanie prawa elektromagnetyzmu, a następnie do początku XX wieku. ludzkość żyła już w świecie, w którym elektryczność zaczęła odgrywać ogromną rolę. Było to ułatwione dzięki energicznej działalności wynalazczej w dziedzinie zastosowań zjawisk elektrycznych i magnetycznych odkrytych przez fizyków. Przyjrzyjmy się niektórym z tych wynalazków.

Jedno z pierwszych zastosowań elektromagnetyzmu w technologii komunikacyjnej. Telegraf istniał już od 1831 r. W 1876 r. amerykański fizyk, wynalazca i biznesmen Aleksander Bell(1847-1922) wynalazł telefon, który został udoskonalony przez słynnego amerykańskiego wynalazcę Thomas Alva Edison (1847-1931).

W 1892 angielski fizyk William Crooks(1832-1912) sformułował zasady komunikacji radiowej. rosyjski fizyk Aleksander Stiepanowicz Popow(1859-1906) i włoski naukowiec Guglielmo Marconi(1874-1937) realizował je w tym samym czasie. Zwykle pojawia się pytanie o priorytet niniejszego wynalazku. Popov nieco wcześniej zademonstrował możliwości stworzonego przez siebie urządzenia, ale go nie opatentował, tak jak zrobił to Marconi. Ten ostatni zdeterminował panującą na Zachodzie tradycję uważania Marconiego za „ojca” radia. Ułatwiło to przyznanie mu Nagrody Nobla w 1909 roku. Najwyraźniej Popow również znalazłby się wśród laureatów, ale do tego czasu już nie żył, a Nagroda Nobla jest przyznawana tylko żyjącym naukowcom. Więcej o historii wynalezienia radia opowiem w części VI książki.

Już w XVIII wieku próbowali wykorzystać zjawiska elektryczne do oświetlenia. (łuk elektryczny), później to urządzenie zostało ulepszone Paweł Nikołajewicz Jabłoczkow(1847-1894), który w 1876 r. wynalazł pierwsze praktyczne elektryczne źródło światła (świeca Jabłoczkowa). Nie znalazła jednak szerokiego zastosowania, przede wszystkim dlatego, że w 1879 r. T. Edison stworzył żarówkę o wystarczająco trwałej konstrukcji i wygodną do produkcji przemysłowej. Zauważ, że żarówka została wynaleziona w 1872 roku przez rosyjskiego inżyniera elektryka Aleksander Nikołajewicz Łodygin (1847- 1923).

Pytania kontrolne

1. Jakie badania przeprowadził Maxwell podczas pracy w Marischal College? Jaką rolę odegrał Maxwell w rozwoju teorii elektryczności i magnetyzmu?
2. Kiedy zostało zorganizowane Laboratorium Cavendisha? Kto został jej pierwszym dyrektorem?
3. Jakiego prawa nie można opisać za pomocą analogii elektrohydraulicznych?
4. Za pomocą jakiego modelu Maxwell doszedł do wniosku o istnieniu prądu przesunięcia i zjawisku indukcji magnetoelektrycznej?
5. W którym artykule Maxwell po raz pierwszy użył terminu „pole elektromagnetyczne”?
6. Jak napisany jest układ równań skompilowany przez Maxwella?
7. Dlaczego równania Maxwella są uważane za jedno z triumfalnych osiągnięć cywilizacji ludzkiej?
8. Jakie wnioski wyciągnął Maxwell z teorii pola elektromagnetycznego?
9. Jak rozwinęła się elektrodynamika po Maxwellu?
10. Jak Hertz doszedł do wniosku o istnieniu fal elektromagnetycznych?
11. Jaki jest główny wkład Lebiediewa w fizykę?
12. W jaki sposób teoria pola elektromagnetycznego jest wykorzystywana w inżynierii?

Zadania do samodzielnej pracy

1. J.K. Maxwell. Biografia i osiągnięcia naukowe w elektrodynamice i innych dziedzinach fizyki.
2. Empiryczne i teoretyczne podstawy teorii pola elektromagnetycznego Maxwella.
3. Historia powstania równań Maxwella.
4. Fizyczna istota równań Maxwella.
5. J. K. Maxwell – pierwszy dyrektor Laboratorium Cavendisha.
6. Jak jest obecnie napisany układ równań Maxwella: a) w postaci całkowej; b) w formie różniczkowej?
7. G. Hertz. Biografia i osiągnięcia naukowe.
8. Historia detekcji fal elektromagnetycznych i ich identyfikacja ze światłem.
9. Eksperymenty PN Lebiediewa dotyczące wykrywania lekkiego nacisku: schemat, problemy, trudności i znaczenie.
10. Prace A. A. Glagolevy-Arkadyevej i M. A. Levitskaya na temat generowania krótkich fal elektromagnetycznych.
11. Historia odkrycia i badania efektu fotoelektrycznego.
12. Rozwój teorii elektromagnetycznej Maxwella. Prace J.G. Poyntinga, N.A. Umova, O. Heaviside'a.
13. Jak wynaleziono i udoskonalono telegraf elektryczny?
14. Historyczne etapy rozwoju elektrotechniki i radiotechniki.
15. Historia powstania urządzeń oświetleniowych.

1. Kudryavtsev, PS. Kurs historii fizyki. - wyd. 2 - M.: Oświecenie, 1982.
2. Kudryavtsev, PS. Historia fizyki: w 3 tomach - M.: Edukacja, 1956-1971.
3. Spasski, B.I. Historia fizyki: w 2 tomach - M.: Szkoła podyplomowa, 1977.
4. Dorfman, Ya.G.Światowa historia fizyki: w 2 tomach - M.: Nauka, 1974-1979.
5. Golin, G.M. Klasyka nauk fizycznych (od czasów starożytnych do początku XX wieku) / G. M. Golin, S. R. Filonovich. - M.: Szkoła Wyższa, 1989.
6. Khramov, Yu.A. Fizycy: przewodnik biograficzny. - M.: Nauka, 1983.
7. Virginsky, V.S. Eseje z historii nauki i techniki w latach 1870-1917. / VS Virginsky, VF Khoteenkov. - M.: Oświecenie, 1988.
8. Witkowskiego, N. Sentymentalna historia nauki. - M.: Koliber, 2007.
9. Maxwell, JK Wybrane prace z teorii pola elektromagnetycznego. - M.: GITTL, 1952.
10. Kuzniecowa, O. V. Maxwell i rozwój fizyki w XIX-XX wieku: sob. artykuły / ew. wyd. L.S. POLAK. - M.: Nauka, 1985.
11. Maxwell, JK Traktat o elektryczności i magnetyzmie: w 2 tomach - M.: Nauka, 1989.
12. Karcew, wiceprezes Maxwella. - M.: Młoda Gwardia, 1974.
13. Niven, W.Życie i działalność naukowa J. K. Maxwella: krótki esej (1890) // J. K. Maxwell. Materia i ruch. - M .: Iżewsk: RHD, 2001.
14. Harman, RM Naturalna filozofia Jamesa Clerka Maxwella. - Cambridge: Wydawnictwo Uniwersyteckie, 2001.
15. Bołotowski, B.M. Olivera Heaviside'a. - M.: Nauka, 1985.
16. Gorochow, W.G. Formowanie teorii inżynierii radiowej: od teorii do praktyki na przykładzie konsekwencji technicznych odkrycia G. Hertza // WIET. - 2006r. - nr 2.
17. seria książek„ZhZL”: „Ludzie nauki”, „Twórcy nauki i techniki”.

pole fizyczne - jest to szczególna forma materii, która istnieje w każdym punkcie przestrzeni, objawiająca się oddziaływaniem na substancję mającą właściwość powiązaną z tą, która stworzyła to pole.

ciało + ładunek  pole  ciało + ładunek

Na przykład w przypadku emisji pojedynczego impulsu radiowego w znacznej odległości między antenami nadawczą i odbiorczą, w pewnym momencie okazuje się, że sygnał został już wyemitowany przez antenę nadawczą, ale jeszcze nie został wyemitowany. otrzymane przez otrzymującego. W konsekwencji w określonym czasie energia sygnału będzie zlokalizowana w przestrzeni. W tym przypadku oczywiste jest, że nośnik energii nie jest zwykłym środowiskiem materialnym, ale reprezentuje inną rzeczywistość fizyczną, którą nazywa się pole .

Istnieje zasadnicza różnica w zachowaniu materii i pola.

Główną różnicą jest płynność. Substancja zawsze ma ostrą granicę objętości, którą zajmuje, a pole nie może zasadniczo mieć ostrej granicy ( podejście makroskopowe ), zmienia się płynnie z punktu do punktu. W pewnym punkcie przestrzeni może istnieć nieskończona liczba pól fizycznych, które nie wpływają na siebie nawzajem, czego nie można powiedzieć o materii. Pole i materia mogą się wzajemnie przenikać.

EMF i ładunek elektryczny to podstawowe pojęcia związane ze zjawiskami fizycznymi elektromagnetyzmu.

EMF - jest to szczególna forma materii, za pomocą której odbywa się oddziaływanie między ładunkami elektrycznymi, co jest różne ciągły dystrybucja w przestrzeni (EMW, EMF cząstek naładowanych) i wykrywanie dyskrecja struktury (fotony), charakteryzujące się zdolnością do propagacji w próżni z prędkością bliską Z, wywierając siłę na naładowane cząstki, w zależności od ich prędkości .

EMF można w pełni opisać za pomocą potencjałów skalarnych i wektorowych, które zgodnie z teorią względności tworzą pojedynczy czterowymiarowy wektor w czasoprzestrzeni, którego składowe są przekształcane podczas przechodzenia z jednego układu inercjalnego do drugiego w zgodnie z przekształceniami G. Lorentza.

Ładunek elektryczny – właściwość cząstek substancji lub ciał, która charakteryzuje ich związek z własnym polem elektromagnetycznym oraz ich interakcję z zewnętrznym polem elektromagnetycznym; ma dwa rodzaje, znane jako ładunek dodatni (ładunek protonowy) i ładunek ujemny (ładunek elektronowy); ilościowo określone przez oddziaływanie siłowe ciał z ładunkami elektrycznymi .

Idealizacja jest wygodna dla analizy EMF „opłata punktowa” to ładunek skoncentrowany w punkcie. Najmniejszy ładunek w przyrodzie to ładunek elektronu. mi e-mail \u003d 1,60210 -19 C, dlatego ładunki ciał muszą być wielokrotnością mi e-mail .

Często jednak wygodnie jest uznać ładunek za rozłożony w sposób ciągły (podejście makroskopowe). Istnieje pojęcie objętości (, C / m 3), powierzchni (
, C/m 2) i liniowy ( , C/m) gęstość ładunku.

. (1.1)

. (1.2)

. (1.3)

EMF stacjonarnych ładunków elektrycznych jest nierozerwalnie związane z cząsteczkami, które je generują, ale EMF naładowanej cząstki poruszającej się z przyspieszoną prędkością może istnieć niezależnie od materii w postaci EMW .

EMW - Oscylacje EM rozchodzące się w przestrzeni w czasie ze skończoną prędkością.

W badaniu pola elektromagnetycznego znajdują się dwie formy jego manifestacji - pola elektryczne i magnetyczne, którym można nadać następujące definicje.

Pole elektryczne - jeden z przejawów pola elektromagnetycznego, spowodowany ładunkami elektrycznymi i zmianą pola magnetycznego, który ma wpływ siłowy na naładowane cząstki i ciała, wykryty przez wpływ siły na bez ruchu naładowane ciała i cząstki.

Pole magnetyczne - jeden z przejawów pola elektromagnetycznego, spowodowany ładunkami elektrycznymi poruszający naładowane cząstki (i ciała) oraz zmianę pola elektrycznego, która ma wpływ na poruszający cząstki naładowane, wykryte przez działanie siły skierowane normalnie do kierunku ruchu tych cząstek i proporcjonalne do ich prędkości .

Podział pola elektromagnetycznego na pola elektryczne i magnetyczne jest względny, ponieważ zależy od wyboru bezwładnościowego układu odniesienia, w którym badane jest pole elektromagnetyczne. Na przykład, jeśli pewien system składa się z ładunków elektrycznych w spoczynku, to podczas badania pola elektromagnetycznego w tym systemie zostanie ustalona obecność pola elektrycznego i brak pola magnetycznego. Jeśli jednak inny układ współrzędnych porusza się względem tego układu, wówczas pole magnetyczne zostanie wykryte również w drugim układzie.

Główne cechy pola elektromagnetycznego uważane (natężenie pola elektrycznego ) oraz (Indukcja magnetyczna ), które opisują manifestację sił mechanicznych w EMF i można je bezpośrednio zmierzyć. Natężenie pola elektrycznego można zdefiniować jako siłę działającą na ładunek punktowy o znanej wielkości ( siła Sz. Coulomba ):

. (1.4)

Indukcja magnetyczna jest określana jako siła działająca na ładunek punktowy Q znana wartość, poruszający w polu magnetycznym z prędkością , (siła G. Lorentza )
:

. (1.5)

Charakterystyki pomocnicze pola elektromagnetycznego to (indukcja elektryczna lub przemieszczenie elektryczne ) oraz (intensywność składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego ). Nazwy cech pola elektromagnetycznego nie są bezsporne, ale rozwinęły się one historycznie. Jednostki miary głównych charakterystyk pola elektromagnetycznego podano na stronie 3. Użyjemy Międzynarodowy układ jednostek SI , najwygodniejszy dla praktyczny Aplikacje.

Połączenie między charakterystyką główną i pomocniczą odbywa się za pomocą równania materiałowe :

. (1.6)

. (1.7)

W większości środowisk wektory oraz , lubić oraz ,współliniowy (Aneks 1). Ale w przypadku mediów żyroelektrycznych (ferroelektryki) i żyromagnetycznych (ferromagnesy)  oraz  stają się napinacz ilości, a wektory określone parami mogą utracić kolinearność.

Wartość
nazywa strumień magnetyczny .

Wartość  -przewodność środowisko. Mając tę wartość na uwadze, możemy się odnieść gęstość prądu przewodzenia (J itp ) i natężenie pola:

. (1.8)

Równanie (1.8) jest formą różniczkową Prawo G. Ohma dla sekcji łańcucha.

Pola są podzielone na skalarny , wektor oraz napinacz .

Pole skalarne - jest to pewna funkcja skalarna z dziedziną definicji rozprowadzoną w sposób ciągły w każdym punkcie przestrzeni (rys. 1.1). Charakteryzuje się pole skalarne pozioma powierzchnia (na przykład na ryc. 1.1 - ekwipotencjalny linie), co wyraża równanie:
.

pole wektorowe - jest to ciągła wielkość wektora podana w każdym punkcie przestrzeni z dziedziną definicji (rys. 1.2) Główną cechą tego pola jest linia wektorowa , z których w każdym punkcie wektor pole jest skierowane stycznie. fizyczny zapis linie siły :
.

Pole tensorowe jest ciągłą wielkością tensorową rozłożoną w przestrzeni. Na przykład dla dielektryka anizotropowego jego przenikalność względna staje się wielkością tensorową:
.

Do połowy XIX wieku. w tych gałęziach fizyki, w których badano zjawiska elektryczne i magnetyczne, gromadzono bogaty materiał empiryczny, sformułowano szereg ważnych praw: prawo Coulomba, prawo Ampere'a, prawo indukcji elektromagnetycznej, prawa prądu stałego itp. Sytuacja była bardziej skomplikowane pojęciami teoretycznymi. Schematy teoretyczne zbudowane przez fizyków opierały się na ideach działania dalekiego zasięgu i korpuskularnej naturze elektryczności. Największą popularnością cieszyła się teoria W. Webera, łącząca ówczesną elektrostatykę i elektromagnetyzm. Nie było jednak całkowitej jedności teoretycznej w poglądach fizyków na zjawiska elektryczne i magnetyczne. W ten sposób koncepcja pola Faradaya znacznie różniła się od innych poglądów. Ale koncepcja pola była postrzegana jako złudzenie, została wyciszona i nie ostro skrytykowana tylko dlatego, że zasługi Faradaya były zbyt wielkie w rozwoju fizyki. W tym czasie fizycy podejmują próby stworzenia ujednoliconej teorii zjawisk elektrycznych i magnetycznych. Jeden z nich okazał się sukcesem. To była teoria Maxwella, rewolucyjna w swym znaczeniu.

J. C. Maxwell, po ukończeniu Uniwersytetu w Cambridge w 1854, rozpoczął badania nad elektrycznością i magnetyzmem w ramach przygotowań do profesury. Poglądy Maxwella na zjawiska elektryczne i magnetyczne ukształtowały się pod wpływem prac M. Faradaya i W. Thomsona.

Maxwell subtelnie wyczuł i zrozumiał naturę głównej sprzeczności, która rozwinęła się w połowie XIX wieku. w fizyce procesów elektrycznych i magnetycznych. Z jednej strony ustalono liczne prawa różnych zjawisk elektrycznych i magnetycznych (które nie budziły zastrzeżeń, a ponadto wyrażały się w kategoriach ilościowych), ale nie miały holistycznego uzasadnienia teoretycznego. Z drugiej strony koncepcja pola zjawisk elektrycznych i magnetycznych zbudowana przez Faradaya nie została matematycznie sformalizowana.

Maxwella i postawił sobie za zadanie, w oparciu o idee Faradaya, zbudować rygorystyczny teoria matematyczna uzyskać równania, z których można by wyprowadzić np. prawa Coulomba, Ampère’a itp., tj. przetłumacz idee i poglądy Faradaya na rygorystyczny język matematyczny. Będąc genialnym teoretykiem i wirtuozem władającym aparatem matematycznym, J.K. Maxwell poradził sobie z tym najtrudniejszym zadaniem – stworzył teorię pola elektromagnetycznego, która została przedstawiona w opublikowanej w 1864 roku pracy „Dynamiczna teoria pola elektromagnetycznego”.

Teoria ta znacząco zmieniła wyobrażenia o obrazie zjawisk elektrycznych i magnetycznych, łącząc je w jedną całość. Główne postanowienia i wnioski tej teorii są następujące.

Pole elektromagnetyczne jest rzeczywiste i istnieje niezależnie od tego, czy istnieją przewodniki i bieguny magnetyczne, które je wykrywają. Maxwell zdefiniował to pole w następujący sposób: „...pole elektromagnetyczne to ta część przestrzeni, która zawiera i otacza ciała znajdujące się w stanie elektrycznym lub magnetycznym” *.

* Maxwell J.K. Wybrane prace z teorii pola elektromagnetycznego. M.. 1952. S.253.

Zmiana pola elektrycznego prowadzi do pojawienia się pola magnetycznego i odwrotnie.

Wektory natężenia pól elektrycznych i magnetycznych są prostopadłe. Stanowisko to wyjaśniało, dlaczego fala elektromagnetyczna jest wyłącznie poprzeczna.

Transfer energii odbywa się w skończonym tempie. W ten sposób uzasadniono zasadę działania bliskiego zasięgu.

Prędkość transmisji oscylacji elektromagnetycznych jest równa prędkości światła ( Z). Z tego wynikała fundamentalna tożsamość zjawisk elektromagnetycznych i optycznych. Okazało się, że różnice między nimi dotyczą tylko częstotliwości drgań pola elektromagnetycznego.

Eksperymentalne potwierdzenie teorii Maxwella w 1887 r. w eksperymentach G. Hertza wywarło na fizykach ogromne wrażenie. I od tego czasu teoria Maxwella została uznana przez przytłaczającą większość naukowców, niemniej jednak przez długi czas wydawała się fizykom jedynie zbiorem równań matematycznych, których specyficzne znaczenie fizyczne było zupełnie niezrozumiałe. Fizycy tamtych czasów powiedzieli: „Teoria Maxwella to równania Maxwella”,

Po stworzeniu teorii Maxwella stało się jasne, że istnieje tylko jeden eter – nośnik zjawisk elektrycznych, magnetycznych i optycznych, co oznacza, że można ocenić naturę eteru na podstawie eksperymentów elektromagnetycznych. Ale to nie rozwiązało problemu eteru, a wręcz przeciwnie, stało się jeszcze bardziej skomplikowane - konieczne było wyjaśnienie propagacji fal elektromagnetycznych i wszystkich zjawisk elektromagnetycznych. Początkowo próbowali rozwiązać ten problem, m.in. J.K. Maxwella na drodze poszukiwania mechanistycznych modeli eteru.

Zastosowany przez Maxwella model eteru elektromagnetycznego był jednak niedoskonały i sprzeczny (on sam uważał go za tymczasowy). Dlatego wielu naukowców próbowało to ulepszyć. Zaproponowano różne modele eterowe. Wśród nich były te, które opierały się na koncepcji pola elektromagnetycznego jako zestawu rurek wirowych utworzonych w eterze i tak dalej. Pojawiły się prace, w których eter uważano nawet nie za medium, ale za maszynę; zbudowane modele z kołami i tak dalej. Pod koniec XIX wieku. zaczęto ogólnie kwestionować istnienie eteru. Teorie oparte na hipotezie eteru były kontrowersyjne i bezowocne, a coraz więcej naukowców traciło wiarę w możliwość konstruktywnego wykorzystania tej idei.

W końcu, po wielu nieudanych próbach zbudowania mechanicznego modelu eteru, stało się jasne, że zadanie to nie jest wykonalne, a pole elektromagnetyczne jest specjalna forma materii rozchodzącej się w przestrzeni, której właściwości nie dają się sprowadzić do właściwości procesów mechanicznych. Dlatego, aby późny XIX v. uwaga została przeniesiona z problemu budowy mechanistycznych modeli eteru na pytanie, jak rozszerzyć układ równań Maxwella, stworzony do opisu układów w spoczynku, na przypadek poruszających się ciał (źródeł lub odbiorników światła). Innymi słowy, czy równania Maxwella dla poruszających się systemów są połączone transformacjami Galileusza? Innymi słowy, czy równania Maxwella są niezmienne w transformacjach Galileusza?