Открытия, ставшие основой для создания теории электромагнитного поля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Многим известно, что в древности, наши предки имели свойство объяснять и наделять непонятные им явления, такие как, например природные стихии, мистическими, а под час и божественными свойствами.

Немаловажную роль среди сложных для понимания древних людей, а следовательно и интересное с точки зрения объяснения, является такое явление как электричество. Древние не исследовали ни электрических, ни магнитных явлений. Однако они попытались дать объяснение этим явлениям. Самое первое объяснение свойств магнита притягивать железо заключалось в том, что магниту приписывалась «душа», которая заставляла магнит притягивать железо или притягиваться к железу. При этом магнит представляли подобно живому существу. Живое существо, например собака, видит кусок мяса и стремится к нему приблизиться. Подобно этому магнит как бы видит железо и стремится к нему притянуться. Это объяснение весьма примитивно с нашей точки зрения. Однако такого рода объяснения, когда предметы неживой природы одушевлялись, были характерными для древних, которые верили в существование целого ряда богов, духов и т. д.

Открытия, ставшие основой для создания теории электромагнитного поля

Одним из первых электричество привлекло внимание греческого философа Фалеса в VII веке до н. э., который обнаружил, что потёртый о шерсть янтарь (др.-греч. ?лекфспн: электрон) приобретает свойства притягивать легкие предметы. Однако долгое время знание об электричестве не шло дальше этого представления. В 1600 году появился сам термин электричество («янтарность»), а в 1650 году магдебургский бургомистр Отто фон Герике создал электростатическую машину в виде насаженного на металлический стержень серного шара, которая позволила наблюдать не только эффект притягивания, но и эффект отталкивания. В 1729 году англичанин Стивен Грей провел опыты по передаче электричества на расстояние, обнаружив, что не все материалы одинаково передают электричество. В 1733 году француз Шарль Дюфе установил существование двух типов электричества стеклянного и смоляного, которые выявлялись при трении стекла о шелк и смолы о шерсть. В 1745 г. голландец Питер ван Мушенбрук создает первый электрический конденсатор -- Лейденская банка.

Первую теорию электричества создает американец Б. Франклин, который рассматривает электричество как «нематериальную жидкость», флюид («Опыты и наблюдения над электричеством», 1747 год). Он также вводит понятие положительного и отрицательного заряда, изобретает громоотвод и с его помощью доказывает электрическую природу молний. Изучение электричества переходит в плоскость точной науки после открытия в 1785 году Закона Кулона.

Далее, в 1791 году, итальянец Гальвани публикует «Трактат о силах электричества при мышечном движении», в котором описывает наличие электрического тока в мышцах животных. Другой итальянец Вольта в 1800 г. изобретает первый источник постоянного тока -- гальванический элемент, представляющий собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделенных смоченной в подсоленной воде бумагой. В 1802 г. Василий Петров обнаружил вольтову дугу.

Электромагнитная картина мира

Представления о материи, которые были заложены в работах X. Эрстеда и А. Ампера в конце XVIII - начале XIX века. Затем, в процессе длительных размышлений о сущности электрических и магнитных явлений, М. Фарадей пришел к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи континуальными, непрерывными. Открыв явление электромагнитной индукции, он сделал вывод, что огромную роль в передаче электрических и магнитных сил играет среда. Одним из первых идеи Фарадея оценил Д. Максвелл, создавший электромагнитную теорию в середине XIX века. Тем самым было завершено создание электродинамики, еще одной фундаментальной физической теории.

Важнейшими понятиями новой теории являются: заряд, который может быть как положительным, так и отрицательным; напряженность поля - сила, которая действовала бы на тело, несущее единичный заряд, если бы оно находилось в рассматриваемой точке.

Дж. Максвелл (1831-1879)

Когда электрические заряды движутся друг относительно друга, появляется дополнительная магнитная сила. Поэтому общая сила, объединяющая электрическую и магнитную силы, называется электромагнитной. Считается, что электрические силы соответствуют покоящимся зарядам, магнитные силы - движущимся зарядам. Все многообразие этих сил и зарядов описывается системой уравнений классической электродинамики. Они известны как уравнения Максвелла. Эти уравнения имеют решения, которые описывают электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. Из них можно получить решения для совокупности всех волн, которые могут распространяться в любом направлении в пространстве.

Таким образом, были выдвинуты новые как физические, так и философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменившие прежнюю механическую картину мира. Разумеется, нельзя сказать, что эти изменения были кардинальны, так как они осуществились в рамках классической науки. Поэтому новую электромагнитную картину мира можно считать промежуточной, соединяющей в себе как новые идеи, так и старые механистические представления о мире.

Новая картина мира требовала нового решения проблемы физического взаимодействия. Ньютоновская концепция дальнодействия заменялась фарадеевским принципом близкодействия. Он утверждал, что любые взаимодействия передаются полем от точки к точке, непрерывно и с конечной скоростью.

Ньютоновская концепция абсолютного пространства и абсолютного времени не подходила к новым полевым представлениям о материи, так как поля не имеют четко очерченных границ и перекрывают друг друга. Кроме того, поля - это абсолютно непрерывная материя, поэтому пустого пространства просто нет. Так же и время должно быть неразрывно связано с процессами, происходящими в поле. Было ясно, что пространство и время должны перестать быть самостоятельными, независимыми oт материи сущностями. Но инерция мышления и сила привычки были столь велики, что еще долго ученые предпочитали верить в существование абсолютного пространства и абсолютного времени. Лишь к началу XX века эти взгляды уступили место относительной концепции пространства и времени, в соответствии с которой пространство, время и материя существуют только вместе, полностью зависят друг от друга.

Не менялось в электромагнитной картине мира представление о месте и роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь капризом природы. Эти взгляды лишь упрочились после появления дарвиновской теории эволюции. Идеи о качественной специфике жизни и разума с большим трудом прокладывали себе путь в научном мировоззрении.

Новая электромагнитная картина мира объяснила большой круг явлений, непонятных с точки зрения прежней механической картины мира. Она глубже вскрыла материальное единство мира, поскольку электричество, магнетизм, свет объяснялись на основе одних и тех же законов.

Однако и на этом пути вскоре стали возникать непреодолимые трудности, что наглядно показало переходный характер новой картины мира. Так, согласно электромагнитной картине мира заряд стал считаться точечным центром, а факты свидетельствовали о конечной протяженности частицы-заряда. Поэтому уже в электронной теории X. Лоренца частица-заряд вопреки новой картине мира стала рассматриваться в виде твердого заряженного шарика, обладающего массой.

Непонятными оказались результаты опытов Майкельсона-Морли, в которых пытались обнаружить «эфирный ветер». Свет в то время считали электромагнитными волнами, которые распространялись в особой среде - эфире. Наблюдатель на Земле перемещается относительно эфира вследствие движения Земли, а потому воспринимаемая скорость света должна зависеть от скорости движения планеты. Это и было явление «эфирного ветра», поиск которого продолжался в целом ряде опытов вышеназванных ученых. Несмотря на все повышавшуюся точность измерений (первый опыт был проведен в 1881 г., а последний - в 1963 г.), данного явления обнаружить не удалось. Это заставило усомниться в существовании эфира.

Последовательное применение теории Максвелла к другим движущимся средам приводило к выводам о неабсолютности пространства и времени. Однако убежденность в их абсолютности была так велика, что ученые удивлялись своим выводам, называли их странными и отказывались от них. Именно так поступили X. Лоренц и А. Пуанкаре, чьи работы завершают до-эйнштейновский период развития физики. Речь идет об электронной теории Лоренца, а также о его знаменитых уравнениях, переведенных на язык четырехмерного пространства-времени Пуанкаре, которыми позже воспользовался А. Эйнштейн в своей теории относительности.

Принимая законы электродинамики в качестве основных законов физической реальности, Эйнштейн ввел в электромагнитную картину мира идею относительности пространства и времени. Тем самым было устранено противоречие между пониманием континуальных (полевых) представлений о материи и ньютоновской концепцией абсолютного пространства и времени.

Таким образом, к концу XIX в. накапливалось все больше необъяснимых несоответствий теорий и опыта. Одни были обусловлены недостроенностью электромагнитной картины мира, другие вообще не согласовывались с континуальными представлениями о материи.

Тем не менее, об этих мелких неприятностях физики предпочитали не думать. Они считали, что как никогда близки к решению основной задачи науки - получению абсолютной истины, раскрытию всех тайн окружающего мира. Это позволило такому известному физику, как Г. Кирхгоф, в 80-х годах XIX в. заявить, что в физике не осталось ничего неизвестного и неоткрытого.

Но даже создание теории относительности не могло спасти электромагнитной картины мира. С конца XIX в. обнаруживалось все больше непримиримых противоречий между электромагнитной картиной и фактами, что и послужило основанием для второй глобальной научной революции, которая разрушила не только существующую картину мира, но и все здание классической науки. В ходе этой революции начала складываться современная наука и новая квантово-релятивистская картина мира.

Статические электрические поля

статический электрический поле ток

Статическое электричество возникает в случае нарушения внутриатомного или внутримолекулярного равновесия вследствие приобретения или потери электрона. Обычно атом находится в равновесном состоянии благодаря одинаковому числу положительных и отрицательных частиц - протонов и электронов. Электроны могут легко перемещаются от одного атома к другому. При этом они формируют положительные (где отсутствует электрон) или отрицательные (одиночный электрон или атом с дополнительным электроном) ионы. Когда происходит такой дисбаланс, возникает статическое электричество.

Статические электрические поля создаются электрически заряженными телами, в которых электрический заряд индуцируется на поверхности объекта, находящегося внутри статического электрического поля. Как следствие, электрическое поле на поверхности объекта, особенно с малым радиусом (например, в точке) может быть больше, чем невозмущенное электрическое поле (то есть, поле, без присутствия в нем объекта). Поле внутри объекта может быть очень маленьким или нулевым. Электрические поля воспринимаются электрически заряженными объектами как сила. Например, на волосяной покров тела воздействует сила, которую человек может ощущать.

В среднем, поверхностный заряд Земли отрицателен, хотя верхние слои атмосферы несут в себе положительный заряд. Результирующее статическое электрическое поле около поверхности Земли имеет напряженность приблизительно 130 V/m. Это поле уменьшается по мере увеличения высоты, и его величина составляет приблизительно 100 V/m на высоте над уровнем моря 100 m, 45 V/m - на высоте 1 km, и менее 1 V/m - на 20 km. Реальные величины широко варьируются в зависимости от локального профиля температуры и влажности, и присутствия ионизированных примесей. Например, под грозовыми облаками, и по мере их приближения, происходят большие изменения поля на уровне Земли, поскольку, обычно, нижняя часть облака заряжена отрицательно, в то время как верхняя его часть содержит положительный заряд. Кроме того, между облаком и Землей существует свободное пространство. По мере приближения облака, поле на уровне Земли может сначала увеличиваться, а затем уменьшаться. При этом Земля становится заряженной положительно. Во время этого процесса, даже при отсутствии в этом месте молний, можно наблюдать поля от 100 V/m до 3 kV/ m. Полное изменение полей происходит очень быстро, в течение одной минуты, и большая напряженность поля может сохраняться на протяжении всей грозы. Обычные облака, так же, как и грозовые, содержат электрические заряды и, поэтому, сильно влияют на электрическое поле на уровне Земли. Большие, до 200%, отклонения от величины поля при ясной погоде могут возникать в случае тумана, дождя и естественно возникающих крупных и мелких ионов. Изменения электрического поля во время дневного цикла могут ожидаться даже при абсолютно ясной погоде. За эти суточные вариации, возможно, несут ответственность довольно регулярные изменения локальной ионизации, температуры или влажности, возникающие вследствие этого изменения в электрической проводимости атмосферы около Земли, а также механический перенос заряда локальным движением воздуха.

Стандартные уровни созданных человеком в офисах и домах электростатических полей колеблются в диапазоне от 1 до 20 kV/m. Эти поля часто возникают вокруг высоковольтного оборудования, например, телевизоров и мониторов (VDUs) или создаются трением. Линии передачи постоянного тока создают как статическое электрическое, так и магнитное поле и являются экономичным средством распределения энергии в условиях больших расстояний.

Статические электрические поля широко используются в таких отраслях промышленности, как химическая, текстильная, авиационная, бумажная, резиновая и транспорт.

Биологические эффекты статических полей

Экспериментальные исследования дают слишком незначительные биологические доказательства того, чтобы говорить о каких-либо вредных эффектах воздействия статических электрических полей на здоровье человека. Несколько проведенных на животных исследований также не добыли никаких данных, свидетельствующих о вредных генетических эффектах, росте опухолей, или воздействии полей на эндокринную или сердечно-сосудистую систему.

Индукционный ток

Электрический ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, пронизывающего этот контур. Величина и направление индукционного тока определяются законом электромагнитной индукции и правилом Ленца.

-Закон электромагнитной индукции

Для любого замкнутого контура индуцированная электродвижущая сила (ЭДС) равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через этот контур.

-Закон Лоренца

Сила Лоренца вызывает направленный вниз ток в двух вертикальных плечах петли, то есть ток течёт от верхнего диска к нижнему. В проводящих ободах диска сила Лоренца перпендикулярна ободу, поэтому никакой ЭДС в ободах не генерируется, также как и в горизонтальной части движущейся петли. Ток передаётся от нижнего обода к верхнему через внешний обратный контур, который ориентирован в плоскости поля B. Таким образом, сила Лоренца в обратной петле перпендикулярна к петле, и ЭДС в ней не генерируется. Обходя путь в направлении, противоположном направлению тока, мы находим, что работа против силы Лоренца производится только в вертикальном плече движущейся петли.

Различия между полем и веществом

Вещество и поле - фундаментальные физические понятия, обозначающие два основных вида материи на макроскопическом уровне:

Вещество - совокупность дискретных образований, обладающих массой покоя (атомы, молекулы и то, что из них построено);

Поле - вид материи, характеризующейся непрерывностью и имеющей нулевую массу покоя (электромагнитное поле и поле тяготения - гравитационное). Открытие поля как вида материи имело огромное философское значение, т. к. обнаружило несостоятельность метафизического отождествления материи с веществом. Разработка Лениным диалектико-материалистического определения материи во многом опиралась на философское обобщение развития учения о поле. На субатомном уровне (т. е. на уровне элементарных частиц) различие вещества и поля становится относительным. Поле (электромагнитное и гравитационное) утрачивают чисто непрерывный характер: им необходимо соответствуют дискретные образования - кванты (фотоны и гравитоны). А элементарные частицы, из которых состоит вещество - протоны, нейтроны, электроны, мезоны и т. д. - выступают как кванты соответствующих нуклонных, мезонных и др. полей и утрачивают свой чисто дискретный характер. Неправомерно на субатомном уровне различать вещество и поле и по наличию или отсутствию массы покоя, т. к. нуклонные, мезонные и т. д. поля обладают массой покоя. В современной физике поля и частицы выступают как две неразрывно связанные стороны микромира, как выражение единства корпускулярных (дискретных) и волновых (континуальных, непрерывных) свойств микрообъектов. Представления о поле выступают также как основа для объяснения процессов взаимодействия, воплощая принцип близкодействия.

Основные характеристики вещества и поля

Вещество и поле различаются по массе покоя. Частицы вещества обладают массой покоя, электромагнитное и гравитационное поля - нет. Однако в микромире каждому полю сопоставляется частица (квант этого поля) и каждая частица рассматривается как квант соответствующего поля.

Вещество и поле различаются по закономерностям движения. Скорость распространения электромагнитного и гравитационного полей всегда равна скорости света в пустоте (с), а скорость движения частиц вещества всегда меньше с. Однако наличие ядерных полей ликвидирует и эту границу.

Вещество и поле различаются по степени проницаемости. Вещество мало проницаемо, электромагнитное и гравитационное поля - наоборот.

На уровне микромира и эта граница исчезнет. Для таких частиц, как нейтрино, вещество оказывается весьма проницаемым, с другой стороны, ядерные поля могут обладать очень малой проницаемостью.

Вещество и поле различаются по степени концентрации массы и энергии. Очень большая - у частиц вещества и очень малая - у электромагнитного и гравитационного полей. В микромире и это различие стирается. Ядерные поля обладают огромной концентрацией массы и энергии, и даже кванты электромагнитного поля могут достигать концентраций энергии, значительно превосходящих таковую у частиц вещества.

Вещество и поле различаются как корпускулярная и волновая сущности. Это различие исчезает на уровне микропроцессов. Частицы вещества обладают волновыми свойствами, а непрерывное в макроскопических процессах электромагнитное поле обнаруживает на уровне микромира свой корпускулярный аспект.

Общие выводы

Различие вещества и поля верно характеризует реальный мир в макроскопическом приближении. Это различие не является абсолютным и при переходе к микрообъектам ярко обнаруживается его относительность. В микромире понятия «частицы» (вещество) и «волны» (поля) выступают как дополнительные характеристики, выражающие внутренне противоречивую сущность микрообъектов.

Во многих случаях электромагнитное излучение ведет себя не как набор монохроматических электромагнитных волн с определенной частотой, а как поток квазичастиц -- фотонов. В первую очередь это относится к электромагнитному излучению высокой частоты. А. Эйнштейн обобщил идею М. Планка о дискретности излучения, предположив, что такая дискретность не связана с каким-то особым механизмом взаимодействия излучения с веществом, а внутренне присуща самому электромагнитному излучению, которое представляет собой кванты -- фотоны. Эти представления получили экспериментальное подтверждение -- на их основе были объяснены закономерности фотоэффекта и эффекта Комптона. Но наряду с корпускулярными свойствами фотон обладает и волновыми свойствами. Квантовая теория поля внесла существенные дополнения и в представление об электромагнитных волнах. Рентгеновское излучение, гамма-излучение обычно рассматриваются как поток квантов - корпускул с энергией ђ, где ђ -- постоянная Планка. Законы излучения атомов и молекул также объясняет квантовая теория излучения. На ее основе построены когерентные излучатели микроволн и световых волн -- мазеры и лазеры.

Размещено на Allbest.ru