Развитие электродинамики и открытия физиков

История развития электродинамики

Достижения электростатики и открытие закона Кулона, казалось, определили последующий путь развития науки про электричество: сбор экспериментальных данных в области электростатики, совершенствование электростатических приборов, создание математической теории электростатических и магнитостатических явлений.

Электростатика

А. Вольта ввел понятие напряжения и выявил связь между количеством электричества, емкостью и напряжением. Научное сообщество отметило заслуги Вольта присвоением единице напряжения наименования «вольт». Математическая теория электростатики успешно создавалась Пуассоном, Грином, Гауссом и другими учеными.

А Вольта
А Вольта

Если до начала XIX в. электрические и магнитные явления рассматривались как две совершенно отдельные области физики и лишь немногие ученые (например, Эпинус) высказывали мнение, что при всех их отличиях электрические и магнитные явления каким-то образом взаимосвязаны, то уже российский академик В. В. Петров и знаменитый английский химик Хэмфри Дэви (1778–1829) обратили внимание на то, что электрическая дуга, которая возникает между угольными электродами, притягивается или
отталкивается сильным магнитом.

Открытие Эрстеда и начало электромагнитизма

Логично было допустить мысль об обратном действии электрического тока на движущийся магнит. Эта идея была впервые успешно решена датским физиком Хансом Христианом Эрстедом (1777–1851). В 1819 г. он установил действие проводника с током на магнитную стрелку. Это открытие привело к формированию электродинамики и практического
использования электромагнетизма.

Закон Био-Савара-Лапласа

В 1820 г. Д. Араго экспериментально обнаружил факт намагничивания железных опилок электрическим током, а немецкий физик Томас Зеебек (1770–1831), который в 1821 г. открыл явление термоэлектричества, впервые использовал железные опилки для определения формы силовых линий магнитного поля вокруг проводников с током различной формы.

Закон Био-Савара Лапласа
Закон Био-Савара Лапласа

Тогда же французские физики Ж. Био и Франц Савар (1791–1841) экспериментально измерили магнитное поле прямого электрического тока, а Лаплас записал формулу для взаимодействия между сегментом тока и намагниченной точкой. Так был установлен один из законов электродинамики — закон Био-Савара-Лапласа.

Ампер и начало электродинамики

Наиболее значительный вклад в развитие электромагнетизма внес французский ученый Андре Мари Ампер (1775–1836), который назвал новую отрасль физики «электродинамикой», и это название сохранилось до наших дней.

Ампер
Ампер

Повторив опыты Эрстеда, Ампер установил так называемое «Правило пловца» для определения отклонения магнитной стрелки магнитным полем электрического тока.

Основательные экспериментальные и теоретические исследования взаимодействия тока и магнита привели Ампера к открытию правил взаимодействия электрических токов и к формированию теории магнетизма.

В основу этой теории он положил гипотезу, согласно которой магнитные взаимодействия — это взаимодействия круговых электрических токов, тем самым установив тесную взаимосвязь между электричеством и магнетизмом.

Открыв явление взаимодействия токов, он установил в 1823 г. основной закон электродинамики — закон Ампера, определяющий силу взаимодействия между проводниками с током.

Уже в 1820 г. Ампер доказал, что магнитное действие электричества может быть использовано для измерения силы тока, и тем самым подтвердил одно из важнейших последствий открытия Эрстеда — начало количественных исследований электрического тока.

К этому выводу пришел и немецкий физик Иоганн Кристиан Поггендорф (1796–1877), основоположник одного из ведущих физических журналов «Анналы физики», который построил в 1821 г. один из первых гальванометров, что давал количественные показатели, а в 1826 г. ввел зеркальный отсчет в электроизмерительных приборах.

Иоганн Поггендорф изобретатель реостата
Иоганн Поггендорф изобретатель реостата

Георг Ом и законы электрических цепей

Важные экспериментальные исследования законов цепей электрического тока совершил в 1825 г. немецкий физик Георг Симон Ом (1787–1854).
В 1826 г. Ом сформулировал основной закон электрической цепи — закон Ома.

Признание этого закона несколько затянулось. Лишь после применения многими физиками более совершенных методов измерения, которые подтвердили выводы Ома, и опровержения некоторых его ошибочных взглядов закон Ома получил всеобщее признание.

Законы Кирхгофа

Особая заслуга в этом принадлежит немецкому физику Густаву-Роберту Кирхгофу (1824–1887), который в течение 1845–1849 гг. теоретически исследовал прохождение электрического тока по проводникам различной конфигурации и по разветвленных цепях.

Кирхгоф воспользовался теорией потенциала, разработанной английским математиком Джорджем Грином, который в 1828 г. в работе «Опыт применения математического анализа в теории электричества и магнетизма» ввел понятие потенциала.

Опираясь на работы М. В. Остроградского (1801–1861), который открыл ряд теорем о потенциале, и на исследования других ученых, Грин ввел в теорию электричества современное понятие о потенциале и в более общем виде сформулировал закон Ома.

Роберт Кирхгоф
Роберт Кирхгоф

Это дало Кирхгофу возможность в 1847 г. установить закономерности прохождения электрического тока в разветвленных цепях, так называемые правила Кирхгофа. Эти законы сейчас широко используются при последовательном и параллельном соединении резисторов, источников электрической энергии, шунтировании.

X. Дэви установил в 1821 г. зависимость сопротивления проводника от его длины и поперечного сечения, обнаружил его изменение с изменением температуры. Этот закон теперь хорошо известен; значительно меньше известно, кто его открыл.

Фарадей и электромагнитная индукция

Новый важный этап в развитии электродинамики связан с именем выдающегося английского физика Майкла Фарадея (1791–1867), который совершил фундаментальные открытия в сфере электричества и магнетизма и сыграл значительную роль в их практическом применении.

Родился Фарадей в пригороде Лондона в семье кузнеца, которая воспитывала у детей любовь к труду, честность, гордость. Не имея возможности из-за материальных условий закончить даже начальную школу, он в двенадцатилетнем возрасте начал работать в переплетной мастерской книжной лавки. Там он имел возможность читать книги и этим, как и посещением воскресных лекций, заполнять пробелы в своем образовании.

Фарадей
Фарадей

Слушая и восхищаясь лекциями известного английского ученого, профессора королевского института X. Дэви, Фарадей попросил принять его на работу в институт.

В 1813 г. Дэви взял Фарадея в институт, и здесь прошла вся его научная деятельность. Позже Дэви говорил, что Фарадей является его «величайшим открытием».

Первые опыты Фарадея были посвящены химии. Он впервые добыл жидкий хлор и выполнил ряд важных работ по сжижению газов, а в 1825 г. получил бензол.
Его научная популярность быстро росла.

В 1824 г. его избирают членом Лондонского королевского общества, а в следующем году он возглавил лабораторию Королевского института.

Уже в 1821 г. Фарадей, исходя из диалектической идеи о двусторонней связи между электричеством и магнетизмом, поставил перед собой задачу найти электродинамический аналог электростатической индукции — «превратить магнетизм в электричество».

Десятилетняя напряженная работа увенчалась успехом. В августе 1831 г. Фарадей совершил одно из самых блестящих своих открытий — открыл электромагнитную индукцию.

В этом же году была напечатана первая серия его знаменитых «Экспериментальных исследований по электричеству», а последняя, тридцатая, вышла в свет в 1855 г.

В этих сериях, что состоят из 3000 параграфов, отражены взгляды, мысли и результаты научных экспериментов почти двадцатипятилетней исследовательской деятельности Фарадея, в течение которой он подробно исследовал явление электромагнитной индукции, вывел законы, определяющие электродвижущую силу индукции, впервые исследовал открытое им явление самоиндукции и экстратоков замыкания и размыкания.

Открытие электромагнитной индукции
Открытие электромагнитной индукции

Ему принадлежат также первые предсказания, что электрические и магнитные действия не передаются непосредственно от тела к телу, а переносятся через диэлектрическую среду, которая лежит между ними, и эта среда существенно влияет на ход электрического явления.

Следует заметить, что открытие электромагнитной индукции сразу же приобрело большое научное и практическое значение и способствовало быстрому построению первых генераторов электрического тока.

Фарадей впервые доказал, что все виды электричества, известные в то время, — термоэлектричество, гальваническое, статическое и индукционное — имеют единую природу, качественно тождественны между собой и отличаются только количеством и интенсивностью.

При установлении законов электролиза (1833–1834) Фарадей ввел и основную терминологию этого явления.

Электродинамика
Электродинамика

В 1845 г. ученый открыл диамагнетизм и парамагнетизм, а в 1846 г. впервые наблюдал непосредственное воздействие магнитного поля на свет и открыл магнитное вращение плоскости поляризации.

Это стало важной вехой в последующей формулировке электромагнитной теории света Дж. Максвеллом.

Генри, Ленц и Джоуль

Исследованиями в этом новом направлении, указанном Фарадеем, занималось много физиков. Джозеф Генри, который, как предполагают, еще до Фарадея открыл явление индукции, выявил также явление самоиндукции.
Особенную роль сыграли работы Генри, которые описывали «ток высшего порядка», то есть ток, индуцированный другим индуцированным током.

Большую роль в исследовании явлений электромагнетизма сыграл академик Петербургской Академии наук Э.X. Ленц (1804–1865), который в 1833 г. установил правило, определяющее направление индукционного тока.

Это правило Ленца, сформулированное им в виде динамического закона, сыграло принципиальную роль при конструировании первых электрических
машин, осуществленных Ленцем вместе с российским физиком и электротехником Б. С. Якоби (1802–1874).

В 1842 Ленц установил (параллельно с английским физиком Д. Джоулем) закон теплового воздействия электрического тока — закон Джоуля-Ленца, который сыграл существенную роль в установлении закона сохранения и превращения энергии.

Концепция физического поля

Детальный анализ электрических и магнитных характеристик материи привел Фарадея к радикально новой фундаментальной идеи — идеи поля. Другие физики рассуждали в терминах «обычного притяжения и отталкивания». На сознание ученых все еще сильно влияли успехи Ньютона, формула закона притяжения которого так потрясающе
исполнялась в небесной механике.

Подобный этой формуле закон Кулона позволил создать математическую теорию электростатики и магнитостатики. Ампер сумел вписать в эту схему и электромагнетизм.
Необходимо было сделать обобщение закона Ампера, чтобы он описывал индукционные явления, выявленные Фарадеем.

Этой целью задался Вильгельм Вебер, который сумел вывести формулу взаимодействия частиц, имеющих электрический заряд.

Но эта формула включала не только заряды частиц и их расположение, но также скорость и ускорение, что делало ее тяжелой для расчетов и совершенно непохожей на формулы Ньютона и Кулона.

Фарадей полностью отказался от этих идей и ввел принципиально новый объект — физическое поле. В понимании Фарадея поле — это то, что распространяется с некоторой скоростью в пространстве, излучается, вступает во взаимодействие с объектами материального мира. По мнению Эйнштейна, это была, пожалуй, самая оригинальная идея, самое важное открытие со времен Ньютона.

Пространство рассматривалось Ньютоном и другими учеными как пассивное вместилище тел и электрических зарядов. У Фарадея же пространство участвует в явлениях — оно как раз и представляет собой сосредоточение явлений.

Работами Фарадея, Ленца и других ученых в области электромагнетизма была подготовлено то звено в развитии науки, на базе которого исследованиями английского физика Д. Максвелла была завершена теоретическая разработка классической электродинамики.

Спасибо:
( 2 оценки, среднее 5 из 5 )
Литература, математика, русский язык, физика, география, история, астрономия и обществознание
Подписаться
Уведомить о
1 Комментарий
Старые
Новые Популярные
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии
Ника

Вот это да! Самые крутые открытия, сделанные древними учёными по электродинамике!