uzluga.ru
добавить свой файл

ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ ПОЛЯ


План.

  1. Введение

  2. Возникновение идеи близкодействия в физике Декарта

  3. Возникновение идеи дальнодействия в физике Ньютона

  4. Представления о природе электричества и магнетизма в “эпоху невесомых”; период господства концепции дальнодействия

  5. Установление связи электричества и магнетизма как важнейший этап, подготовивший выдвижение идеи поля

  6. Идея близкодействия в работах Фарадея

  7. Создание теории электромагнитного поля Максвеллом

  8. Утверждение теории Максвелла

  9. Заключение

  10. Список используемой литературы

Введение.

Вопрос о том, как передается действие от одного тела к другому, приобрел особую остроту в связи с установлением закона всемирного тяготения. Учение об электричестве и магнетизме на рубеже XVI-XVII вв. только зарождалось, а в области тяготения в результате работ Ньютона был уже сформулирован в математической форме закон тяготения. Но этот закон не давал ответа на другой вопрос, каким образом удаленные друг от друга тела действуют друг на друга. В этот период и возникают две точки зрения на проблему передачи действия на расстояние.

1. Возникновение идеи близкодействия в физике Декарта.

Родоначальником одной из них является французский мыслитель Рене Декарт. Декарт и его последователи (картезианцы) пытались объяснить тяготение, не прибегая к понятию силы, и представить его как чисто кинематический эффект, обусловленный движением любого вещества, заполняющего все пространство, невесомого флюида – эфира. Некоторое представление о таком объяснении может дать хотя бы следующая мысль в духе Декарта. В жидкости, которая вращается в сосуде, легкие тела устремляются (как бы тяготеют) к оси вращения и подобно этому в вихре среды, заполняющей мировое пространство, вызванном вращением Солнца, планеты испытывают тяготение к Солнцу. И свет, по Декарту, рассматривался как давление, передающееся частицами Среды от источника к глазу. Электрические и магнитные явления объяснялись вихрями тонкой материи, которая выходит, например, из одного полюса магнита и входит в другой, действуя при этом на железные тела, находящиеся вблизи магнита.

Все объяснения такого рода совершенно искусственны и не вытекают из опытных фактов. Но объяснения Декарта получили широкое распространение, потому что были просты и наглядны. Для нас важны не сами эти объяснения, а лежащая в их основе идея: тяготение, электрическое и магнитное действия передаются от тела к телу через среду.

Принцип, согласно которому действие передается через среду в течение некоторого времени, получил название принципа близкодействия. Этот принцип берет свое начало от Декарта, хотя попытки объяснить передачу действия за счет существования особой среды – эфира можно найти и у древних мыслителей, справедливо полагающих, что “тело не может действовать там, где его нет”. В том же духе объяснял электрические явления и английский ученый Вильям Гильберт.

Однако при всей внешней простоте кинематические представления о тяготении были абсолютно бесплодны – из них не вытекало ничего нового. Поэтому картезианские идеи не смогли долгое время выдерживать конкуренцию с теорией тяготения, выдвинутой Ньютоном.

2. Возникновение идеи дальнодействия в физике Ньютона.

Из закона тяготения Ньютона вытекало множество следствий и объяснений различных земных и небесных явлений. Так, например, закон объяснял, почему движение планет подчиняется законам Кеплера. Ньютоновское объяснение тяготения сводилось к утверждению о том, что на каждое тело со стороны других действует сила, вычисляемая по установленному им закону. Почему эта сила действует, как передается тяготение на огромные расстояния, т.е. каков механизм тяготения, Ньютон объяснить не смог, так как не было необходимых фактов, на базе которых можно было бы построить обоснованную гипотезу, а надуманных гипотез он не признавал. Последователи Ньютона (ньютонианцы), восхищенные успехами построенной им теории, довели до абсурда его тезис “Гипотез я не измышляю”– стали вообще отрицать необходимость отыскания причин явлений, считая, что для объяснения всех явлений надо просто вводить соответствующие силы, не задумываясь об их происхождении.

Эта тенденция утвердилась в физике на долгие годы. Ньютон был бесспорно прав, отрицая умозрительные и надуманные гипотезы картезианства и не ставя преждевременного в ту эпоху вопроса “почему?”.

Таким образом, от работ Ньютона берет начало второй принцип, связанный с проблемой взаимодействия, – принцип дальнодействия, согласно которому действие передается от тела к телу без участия какой-либо промежуточной среды, и притом мгновенно.

Таким образом, к XVIII в. оформляются две точки зрения на проблему взаимодействия. Одна основана на принципе дальнодействия, другая – на принципе близкодействия. Влияние взглядов Ньютона на последующее развитие физики было столь велико, что и учение об электричестве и магнетизме строилось в духе ньютоновской концепции дальнодействия, требующей установления математических законов взаимодействия электрических и магнитных сил без выяснения их природы. Так было вплоть до эпохи Фарадея – Максвелла.

Но помимо вопроса о том, как взаимодействуют магнитные и наэлектризованные тела, требовали решения другие вопросы: что такое электричество и магнетизм? Чем магнитные и наэлектризованные тела отличаются от “обычных” тел и друг от друга? И теория электромагнитного поля не могла быть создана до установления взаимосвязи электричества и магнетизма. Обращусь теперь к рассмотрению развития взглядов на природу электричества и магнетизма.

3. Представления о природе электричества и магнетизма в “эпоху невесомых”; период господства концепции дальнодействия.

Первоначально электрические и магнитные явления отождествлялись, так как было известно, что наэлектризованные тела, как и магнитные, лишь притягивают другие тела. Первая серьезная работа в области электричества и магнетизма принадлежит В. Гильберту (1600 г.), который, изучая магнитные явления, резко отграничивает их от электрических (магнитные свойства “вечны”, электрические же можно возбудить и уничтожить, в отличие от электрических взаимодействий магнитные проявляются и как притяжения и как отталкивания; электрические слабее магнитных). Исследование электрических явлений пошло значительно быстрее после создания первого генератора электричества – электрической машины Отто фон Герике, бургомистра немецкого города Магдебурга, человека изобретательного ума, дипломата, общественного деятеля, инженера и тонкого экспериментатора, который на шестом десятке лет после своих знаменитых опытов с “магдебургскими полушариями” занялся электричеством. Вращающийся шар из серы при трении о ладонь руки позволил Герике получать большие электрические заряды. Он обнаружил притяжение и отталкивание зарядов, электрическую искру, а также проводимость льняных ниток.

Спустя семь десятков лет голландским ученым Мушенбруком был получен новый источник больших электрических зарядов – первый конденсатор – лейденская банка. Желая зарядить воду в стеклянной банке, Мушенбрук опустил цепочку от генератора в сосуд с водой, а потом вынул ее. О том, что он при этом испытал, говорят слова из его сообщения: “Я думал, что пришел конец” и “не согласился бы подвергнуться еще раз такому испытанию даже за королевский трон Франции”. Опыты с лейденской банкой,

вызывающие физиологическое действие электричества и сопровождающееся искровым разрядом, стали повторять очень многие и не только в лабораториях, но и при дворе, в аристократических гостиных. 700 взявшихся за руки парижских монахов, а в другой раз 180 солдат при дворе Людовика XV, содрогающихся от электрического разряда конденсатора, – таковы были первые цепи электрического тока, первые колебательные (в прямом смысле!) контуры.

Электричество стало модным, что способствовало возбуждению интереса к этой области явлений. Развитию исследований способствовала надежда на практическое использование электричества для лечебных целей, а также стремление на основе изучения электричества решать проблему грозозащиты, поскольку утверждалась мысль об электрическом характере молнии.

Бенджамин Франклин (1706-1790), сын ремесленника, выдающийся американский дипломат, борец за независимость Америки и равноправие негров, популярный писатель, обаятельный человек, занимался физикой всего семь лет, но сделал очень многое – с него начинается теоретическое осмысление электричества. Впервые в его работах появляются современные термины: “положительный” и “отрицательный” заряд, “разряд”, “конденсатор” и т.д. По Франклину, электричество – это особая невесомая субстанция (флюид), состоящая из мельчайших отталкивающихся частиц и содержащаяся во всех телах. Избыток ее означает положительную электризацию, недостаток – отрицательную. Это представление оказалось очень плодотворным, так как многое объясняло: одновременную электризацию трущихся тел – переходом флюида от одного тела другому; проводимость – движением субстанции в проводниках; конденсацию в лейденской банке – накоплением флюида и т.д.

Вместе с этим возникают теории, в которых фигурируют два рода флюидов – положительный и отрицательный. Франц Эпинус, долгое время работавший в России, считал электричество и магнетизм разнородными явлениями (ведь магнит не притягивает электризованное тело) и ввел в физику понятие об особом магнитном флюиде. Соответствующие уровню науки того времени теории, основанные на представлениях об электричестве и магнетизме как особых жидкостях, господствовали много десятков лет, и в рамках их сформировались многие современные понятия: “количество электричества”, “сохранение заряда”, “электроемкость” и т.д.

Лишь М.В. Ломоносов настаивал на единстве электричества, магнетизма и света, считая, что все эти явления есть процессы, происходящие в эфире. Если Эпинус развивал ньютоновское представление о дальнодействии, то Ломоносов стоял на принципах, примыкающих к близкодействию, предвосхищая в своих догадках на 100 лет идеи Максвелла. Высказывания Ломоносова не получили широкой известности, и даже на родине они не были поняты и оценены.

Итак, в XVIII в. господствовало убеждение, что электричество и магнетизм – это особые материальные субстанции; взаимосвязь электричества и магнетизма отрицалась; проблема передачи действия решалась в духе дальнодействия.

Позиции дальнодействия укрепляются еще больше после открытия закона взаимодействия зарядов. Изучая проблемы кручения нитей, французский ученый Шарль Кулон (1736-1806) обнаруживает, что угол закручивания нити пропорционален моменту приложенных сил, и это наталкивает его на создание точнейших крутильных весов (с чувствительностью 10 -7 г/град) для измерения сил по углу закручивания. С помощью этих весов он устанавливает закон взаимодействия зарядов и магнитных полюсов, характеризуемых так называемыми “магнитными массами” m. Открытые им законы поражали тем, что повторяли “по форме” закон тяготения Ньютона:

q 1 q 2 m 1 m 2

F ЭЛ. = k и F М = k`

r 2 r 2

(Как было не увериться еще раз в справедливости дальнодействия Ньютона!)

Начался XIX в., а понятия поля в физике еще не существовало и не только из-за господства дальнодействия, но и из-за незнания связи электричества и магнетизма. О связи между этими явлениями не знали потому, что изучали фактически области электро- и магнитостатики, а ведь электромагнетизм является динамическим эффектом, связанным с движением зарядов, т.е. с током. Но электрического тока как объекта изучения в физике еще не было, так как не существовало источника постоянного длительного тока – конденсатор же давал лишь кратковременный разряд. Начало изучения постоянного электрического тока связано с именами двух итальянских ученых – Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта.

4. Установление связи электричества и магнетизма как важнейший этап, подготовивший выдвижение идеи поля.

Луиджи Гальвани (1737-1798) – анатом по профессии. Случилось так, что при препарировании лягушек в его лаборатории кто-то привел в действие электрическую машину. В момент проскакивания электрической искры мышцы препарированной лягушки, к которой в это время прикасались скальпелем, стали сокращаться. Как было не заинтересоваться этим – может быть электричество оживляет организм? Гальвани вывешивал препарированные лапки лягушки на открытом воздухе, чтобы проверить, будет ли возникать эффект под действием атмосферного электричества во время грозы. Мышцы во время грозового разряда сокращались. Но к удивлению ученого, они сокращались и при ясной погоде. Причина была в том, что лапки подвешивались на медных крючках к железной ограде и при контакте разнородных металлов возникала разность потенциалов, вызывающая раздражение нервов и потому сокращение мышц.

Гальвани же сделал вывод о существовании “животного электричества”, считая, что мышца и нерв есть своеобразная лейденская банка, источник электричества, замыкаемый проводником. Открытие Гальвани вызвало бурю страстей, сравнимую, по свидетельству современников, лишь с бурей, вызванной французской революцией. И не мудрено: если “оживают” ткани лягушек, так, может быть, можно воскрешать электричеством мертвых?

От искушения повторить опыты Гальвани не устоял и сорока шестилетний профессор А. Вольта (1745-1827), известный к этому времени ученый, изобретатель электрофора, талантливейший лектор, в аудиторию которого собирались не только со всей Италии, но и из других европейских стран. Он обратил внимание на то, что содрогание лапок лягушки наблюдается лишь тогда, когда нерв и мышцы соединяются разнородными материалами.

Первые опыты Вольта очень просты. Он брал две монеты из разных металлов и одну из них клал на язык, а другую – под него; при соединении их проволокой ощущался такой же вкус, как и при “пробовании на язык” проводов от известных в то время источников электричества. В результате ряда опытов Вольта убедился в том, что ткани организма не источник, а индикатор электричества, возникающего при контакте разнородных металлов. Так была открыта контактная разность потенциалов. Открыв контактное электричество, Вольта создает к 1800 г. первый источник постоянного тока – “вольтов столб”, состоящий из стопы чередующихся цинковых и серебряных кружков, разделенных картонками, смоченными соленой водой. По его предложению получаемое таким образом, электричество называют гальваническим (в дань уважения к тому, чьи опыты натолкнули Вольта на открытия).

Эти открытия приносят Вольта необычайную славу. Наполеон приглашает его в Париж, где его осыпают почестями и наградами, избирают членом сената. Но к чести Вольта, почести не вскружили ему голову. Он чуждался всей той шумихи, которая создавалась вокруг него, предпочитая свою лабораторию дворцам и гостиным, и до конца своих дней сохранил честность, бескорыстие и прямоту.

Создание длительно действующего источника электричества позволило начать изучение действий постоянного электрического тока. Прежде всего устанавливается химическое действие (сначала разложение воды на кислород и водород, а затем выделение из щелочи новых элементов Na и K – Дэви, 1808 г.). Обнаруживается и тепловое действие (нагревание проводников током, электрическая дуга, полученная в 1803 г. петербургским профессором В.В. Петровым, который построил самую большую в то время батарею из 2100 элементов). А с 1820 г. начинается целая цепь открытий, знаменующих появление новой области – электромагнетизма, и вплотную подводящих физику к понятию поля.

Изучение электромагнетизма. Эрстед. Ампер.

В 1808 г. к причалу одного из французских портов едва добрался своим ходом полуразрушенный молнией военный корабль. На борт его поднялась комиссия, в состав которой входил Франсуа Араго, блестящий ученый, ставший в 23 года академиком, человек необычайного темперамента. Араго обратил внимание, что стрелки всех компасов были перемагничены в результате удара молнии. Подобных фактов к этому времени у Араго накопилось изрядное количество. Казалось бы, вывод о связи электричества и магнетизма напрашивается сам собой, но Араго не сумел его сделать: ведь электрическая природа молнии была не так давно доказана Франклином и это еще требовало осмысления.

Честь установления связи электричества с магнетизмом принадлежит датскому ученому Гансу Христиану Эрстеду (1777-1851). Диалектическая идея о взаимосвязи явлений, воспринятая Эрстедом из философии Гегеля, заставляла его целенаправленно искать связь между электричеством и магнетизмом. За несколько лет до своего открытия он пишет: “Следует испробовать, не производит ли электричество каких-либо действий на магнит”. Но, видимо, он долго не смог понять, как проверить свою догадку.

15 февраля 1820 г. Эрстед на лекции демонстрировал нагревание проводника током. Вблизи установки находилась магнитная стрелка, и кто-то из наблюдательных студентов обратил внимание, что при прохождение тока стрелка поворачивалась (правда, это не единственная версия по поводу данного открытия). Эрстед тщательно изучил обнаруженный эффект и опубликовал о нем сообщение (21 июля 1820г.).

Открытие Эрстеда вызвало сенсацию. В августе 1820 г., через несколько дней после публикации Эрстеда, опыт производится на Женевском съезде естествоиспытателей, в котором участвует Араго. А 11 сентября на заседании Французской академии Араго уже ставит опыт Эрстеда. В числе других его с волнением наблюдает и Ампер (1775-1836), которому суждено было глубже других понять суть нового открытия и заложить основы электромагнетизма – учения, вершиной которого стала теория создания электромагнитного поля. Теперь счет истории создания нового направления исследований идет уже по дням. 11 сентября Ампер наблюдает опыт Эрстеда в исполнении Араго, а на следующем заседании академии – 18 сентября сам выступает с докладом, в котором выдвигает мысль о том, что поскольку ток вызывает ориентацию магнитной стрелки, то и ориентация стрелки компаса под действием земного магнетизма вызвана токами, текущими в Земле с востока на запад. Но тогда логично предположить, что и магнитное действие постоянного магнита обусловлено существованием круговых токов, циркулирующих в магните в плоскостях, перпендикулярных его оси. А тогда взаимодействие магнитов есть, по сути дела, взаимодействие циркулирующих в них “молекулярных токов”, т.е. ток должен действовать на ток. Если выдвинутые гипотезы верны, то нет нужды в “магнитных жидкостях”, “магнитных истечениях”, с помощью которых по традиции и объяснялись магнитные взаимодействия.

Ампер смело выступает против освященных десятилетиями традиционных взглядов. Эта смелость идет не только от оригинальности и широты мышления гения, но и в значительной мере от мировоззрения Ампера. Он – сторонник ньютоновского метода принципов, согласно которому незачем выдумывать излишних гипотез. Руководствуясь идеей общности в явлениях природы и принципом “природа не излишествует в причинах”, он был против введения множества невесомых: “Разве надо для каждой новой группы

явлений придумывать специальный флюид!” Ампер видит задачу физики в том, чтобы “свести к минимуму число принципов, объясняющих физические явления”. Его исходная идея о том, что все многообразие явлений взаимодействия магнитов, магнитов и токов можно свести к взаимодействию токов, означала устранение излишних гипотез и сведение многообразия к единой основе. Но эта исходная идея нуждалась в экспериментальном исследовании, и вся неделя с 18 по 25 сентября была посвящена этому. 25 сентября Ампер продемонстрировал свои знаменитые опыты. Спираль с током действует на магнитную стрелку так же, как и полосовой магнит. Спираль ориентируется в магнитном поле Земли подобно стрелке компаса, а две спирали взаимодействуют подобно полосовым магнитам. Позднее он осуществил и взаимодействие прямых проводников с током. Ему возражали: “Это взаимодействие электрическое”, но он показывал, что одинаково заряженные проводники должны отталкиваться, а у него одинаковые по направлению токи притягиваются, т.е. он впервые разграничил электростатические и электродинамические явления (термины введены Ампером). Затем Ампер впервые вывел формулу для расчета силы взаимодействия двух элементов тока, на основе которой путем суммирования взаимодействия всех элементов можно получить формулы для определения сил взаимодействия конечных проводников с током любой конфигурации – знаменитый закон Ампера.

Амперу принадлежит идея гальванометра (термин его), основанного на действии тока на стрелку; Ампер вводит понятия и термины “напряжение”, “сила тока”, “направление тока”. Таким образом, Ампер является основателем электродинамики. Не случайно Максвелл назвал его “Ньютоном электричества”.

Дарования Ампера проявились очень рано – в тринадцать лет он прочел все двадцать томов энциклопедии Дидро, хотя официального образования и не получил. Интересы его были чрезвычайно обширны: разные отрасли математики (теория игр, геометрия), биология, геология, лингвистика, философия, химия и, конечно, физика. Вот те отрасли знания, которыми он занимался. Окружающим он казался человеком странным: близорукий, рассеянный, доверчивый, мало обращающий внимание на свой внешний вид, да к тому же имеющий не столь ценимую обычно привычку прямолинейно говорить человеку все то, что думаешь о нем.

Его открытия многие коллеги не понимали и встречали скептическими усмешками. Приборы он покупал и изготовлял на свои деньги, а их было мало. Приходилось выпрашивать дополнительную работу у университетского начальства, отправляться в инспекционные поездки по провинциальным училищам, составлять отчеты о них по требованию начальства, получавшего, видимо, удовольствие от возможности унизить оригинала–ученого. А он был человеком редчайшей скромности. Немногие современники по достоинству оценили его заслуги, слава пришла к нему лишь после смерти. “Смерть Ампера – несчастье национальное”, – сказал Араго. Но это, конечно, была потеря не одной Франции.

Итак, был сделан еще один шаг на пути к понятию поля – установлена связь электричества и магнетизма. Но электродинамика Ампера, равно как и электростатика, получившая к этому времени стройное математическое оформление, была основана на дальнодействии. Тот факт, что ньютоновская программа поиска математических законов сил без выяснения механизма их действия успешно реализовалась в результате установления законов Кулона, Ампера и Био-Савара-Лапласа, еще более укреплял принцип дальнодействия. А вихри материи, якобы циркулирующие вокруг проводника с током и поворачивающие стрелку, электрические и магнитные атмосферы вокруг магнитов, токов и заряженных тел, были гипотезами, без которых можно было обойтись, так как они не вытекали из фактов и не давали никаких математических выражений для сил. Какую оригинальность суждений, непредвзятость мнений и своеобразие видения мира нужно было проявить, чтобы в эпоху безраздельного господства дальнодействия выдвинуть идею поля, чуждую духу науки того времени и научным традициям. Этот революционный шаг был сделан Майклом Фарадеем (1791-1867).