Научный вклад физиков в теорию электромагнетизма

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Целью работы является ознакомление с жизнью и научной деятельностью ученых, занимавшихся вопросами электромагнетизма, а именно: Г.Р. Кирхгофа, Д.П. Джоуля, Э.Х. Ленца, М. Фарадея, Ш.О. Кулона. Интересным моментом в ходе работы является прослеживание путей, которые привели их к широкой научной деятельности. Рассматривается круг вопросов, которыми занимались отдельные ученые. Ознакомление с опытами, в ходе которых были открыты фундаментальные законы электромагнетизма.

ГУСТАВ РОБЕРТ КИРХГОФ

Биография. Родился 12 марта 1824 года в Кёнигсберге; с 1842 по 1846 г. изучал математику и физику в Кёнигсбергском университете, а в 1847 году уже выступил в качестве приват-доцента в Берлине; в 1850-1854 гг., в качестве экстраординарного профессора, читал лекции в Бреславле, затем до 1874 года исполнял должность ординарного профессора в Гейдельберге, откуда в 1875 году перешёл в Берлин; в 1875 году избран членом берлинской академии, с 1862 года состоял членом-корреспондентом Санкт-Петербургской академии наук. Умер в Берлине 17 октября 1887 году.

Научный вклад. Кирхгоф, будучи прекрасным знатоком математики, обладал в то же время редким умением плодотворно прилагать эти знания к труднейшим вопросам математической физики, в области которой преимущественно работал. Уже первые его работы о распространении электричества по пластинкам (1845-1847) послужили исходным пунктом для множества работ других учёных. Целый ряд последующих работ по электричеству был посвящён вопросам о распределении электричества на проводниках, о разряде конденсаторов, о течении электричества по подводным кабелям и т. д.; особенно важна работа об индукции токов (1849), содержащая описание способа определения электрического сопротивления проводников в абсолютной мере, и два больших мемуара об индуктированном магнетизме (1853 и 1876). Одновременно Кирхгоф обнародовал ряд замечательных работ по механике, относящихся главным образом к теории деформации, равновесия и движения упругих тел.

Свои взгляды на основные принципы механики Кирхгоф изложил в весьма известных лекциях по механике, содержащих и решение множества трудных вопросов теорий упругости и течения жидкости; в этом сочинении Кирхгоф старался отрешиться от необходимости введения в основу механики понятий о массе и силе в причинной связи с движением. Наибольшей известностью пользуются работы Кирхгофа над радиацией (излучением); ряд опытных (совместно со знаменитым химиком Бунзеном) и теоретических работ над этим вопросом (1858-1860) привели к блестящему открытию обращения линий спектра, к объяснению Фраунгоферовых линий и к созданию целого метода, чрезвычайно важного по своим приложениям в физике, химии и астрономии, - спектрального анализа. Затем следовал целый ряд работ по термодинамике паров и растворов и по оптике. Последние исследования Кирхгофа касались изменений формы тел под влиянием магнитных и электрических сил (1884-1885).

Работы Кирхгофа напечатаны главным образом в "Poggendorfs Annalen der Physik", в "Crelles Journal f?r Mathematik" и последние в отчетах берлинской академии; большинство из них собрано в его "Gesammelte Abhandlungen" (Лейпциг, 1882). Кроме этого, им издано несколько томов его "Vorlesungen?ber Mathematische Physik" (Лейпциг, 1876 и сл.) и знаменитое исследование над спектрами: "Untersuchungen?ber das Sonnenspectrum und die Spectren der chemischen Elemente" (Берлин, 1861; 3 изд., 1876), переведённое и на английский язык.

ДЖЕЙМС ПРЕСКОТТ ДЖОУЛЬ

Биография. До 15-ти лет Джеймс Джоуль воспитывался в семье отца, богатого пивовара; затем работал на заводе, изучая в то же время математику, химию и физику под руководством Джона Дальтона. Первые работы Джеймса Джоуля, относящиеся к 1838-1840 годам, касаются исследования законов электромагнетизма.

Изыскивая лучшие способы измерения электрических токов, Джеймс Джоуль в 1841 году открыл названный его именем закон, дающий зависимость между силой тока и выделенным этим током в проводнике теплом (Закон Джоуля - Ленца). В 1842 году независимо этот закон был открыт русским физиком Э.Х. Ленцем.

Изучая тепловые действия токов, Дж. Джоуль в 1843 году пришёл к убеждению в существовании предсказанной Юлиусом Майером определённой зависимости между работой и количеством произведённого ею тепла и нашёл численное соотношение между этими величинами - механический эквивалент тепла.

Количественное доказательство было дано Джоулем в ряде классических опытов. Он помещал в сосуд с водой соленоид с железным сердечником, вращающийся в поле электромагнита. Джоуль измерял количество теплоты, выделявшееся в результате трения в катушке, в случаях замкнутой и разомкнутой обмотки электромагнита. Сравнивая эти величины, он пришёл к выводу, что выделяемое количество теплоты пропорционально квадрату силы тока и создаётся механическими силами. Далее Джоуль усовершенствовал установку, заменив вращение катушки рукой на вращение, производимое падающим грузом. Это позволило связать величину выделяемого тепла с изменением энергии груза:

Эти результаты были изложены на физико-математической секции Британской ассоциации в его работе 1843 года "О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом значении тепла".

В работах 1847-1850 годов Джоуль даёт ещё более точный механический эквивалент тепла. Им использовался металлический калориметр, установленный на деревянной скамье. Внутри калориметра находилась ось с расположенными на ней лопастями. На боковых стенках калориметра располагались ряды пластинок, препятствовавшие движению воды, но не задевавшие лопасти. На ось снаружи калориметра наматывалась нить с двумя свисающими концами, к которым были прикреплены грузы. В экспериментах измерялось количество теплоты, выделяемое при вращении оси из-за трения. Это количество теплоты сравнивалось с изменением положения грузов и силой, действующей на них.

В 1854 году Джоуль продаёт оставшийся ему от отца завод и всецело посвящает себя науке. Неутомимо работая всё в той же области, Джеймс Джоуль до смерти обнародовал 97 научных работ, из которых около 20 сделаны совместно с Вильямом Томсоном и Лайоном Плэфэром; большинство из них касаются приложения механической теории тепла к теории газов, молекулярной физике и акустике и принадлежат к классическим работам по физике.

Джеймс Прескотт Джоуль был членом Лондонского королевского общества и доктором права Эдинбургского (1871) и Лейденского (1875) университетов, награждён 2 медалями Королевского общества; в 1878 году правительством ему была назначена пожизненная пенсия в 215 фунтов.

В 1872 и 1877 Джоуль был избран президентом Британской ассоциации по распространению научных знаний.

Джоуль был первооткрывателем энергии синапсов.

Публикации. Сочинения Джоуля собраны в "Scientific papers by J.P. Joule" (2 т., Лонд., 1884-87) и переведены в 1872 году Германом Шпренгелем на немецкий язык. ученый электромагнетизм биографическое фарадей

ЭМИЛИЙ ХРИСТИАНОВИЧ ЛЕНЦ

Биография (24 февраля 1804-10 февраля 1865). От 1823 до 1826 г. принимал участие в качестве физика в кругосветном путешествии Коцебу. Результаты научных исследований этой экспедиции напечатаны им в "Мемуарах Санкт-Петербургской академии наук" (1831). В 1829 принимал участие в первой экспедиции на Эльбрус под руководством генерала Эммануэля. В 1828 г. выбран адъюнктом академии, а в 1834 г. академиком. Вместе с тем он состоял профессором, а в последние годы и ректором СПб университета. Преподавал также в знаменитой Немецкой школе Святого Петра (1830-1831), в Главном педагогическом институте и в Михайловском артиллерийском училище. Лекции его по физике и физической географии отличались замечательной ясностью и строгой систематичностью. Такими же качествами обладали и его известные руководства физики (для гимназии) и физической географии; оба учебника выдержали несколько изданий, но первый из них был особенно распространен. Настолько же блестяща и плодотворна была и научная деятельность академика Ленца.

В истории физики научным трудам его всегда будет

отводиться почетное место. Многие его научные исследования относятся к физической географии (о температуре и солености моря, об изменчивости уровня Каспийского моря, о барометрическом измерении высот, об измерении магнитного наклонения и напряженности земного магнетизма и др.). Но главным образом он работал в области электромагнетизма. Выяснению важного значения этих работ посвящены, между прочим, сочинения А. Савельева: "О трудах академика Ленца в магнитоэлектричестве" (СПб., 1854) и В. Лебединского: "Ленц как один из основателей науки об электромагнетизме" (журн. "Электричество" 1895). Главнейшие результаты его исследований излагаются и во всех учебниках физики. Именно:

· закон индукции ("Правило Ленца"), по которому направление индукционного тока всегда таково, что он препятствует тому действию (напр. движению), которым он вызывается (1834 г.).

· "Закон Джоуля и Ленца": количество теплоты, выделяемое током в проводнике, пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению проводника (1844).

· Опыты, подтверждающие "явление Пельтье"; если пропускать гальванический ток через висмутовый и сурьмяной стержни, спаянные концами и охлажденные до 0 °C, то можно заморозить воду, налитую в ямку около спая (1838).

· Опыты над поляризацией электродов (1847) и т. д.

Некоторые свои исследования Ленц производил вместе с Парротом (о сжатии тел), Савельевым (о гальванической поляризации) и академиком Борисом Якоби (об электромагнитах). Список его мемуаров, которые печатались в "Записках Императорской Академии Наук" и в журнале "Poggendorfs Annalen", помещён в "Biographisch-literarisches Handw?rterbuch von Poggendorf" (I, 1424).

МАЙКЛ ФАРАДЕЙ

Биография (22 сентября 1791-25 августа 1867). Майкл родился 22 сентября 1791 года в Ньюнгтон-Баттсе (ныне Большой Лондон). Его отец был небогатым кузнецом из лондонского предместья. Кузнецом был и старший брат Роберт, всячески поощрявший тягу Майкла к знаниям и на первых порах поддерживавший его материально. Мать Фарадея, трудолюбивая и необразованная женщина, дожила до времени, когда её сын добился успехов и признания, и по праву гордилась им. Скромные доходы семьи не позволили Майклу окончить даже среднюю школу, с тринадцати лет он начал работать как поставщик книг и газет, а затем в возрасте 14 лет пошёл работать в книжную лавку, где обучался и переплётному ремеслу. Семь лет работы в мастерской на улице Блэндфорд стали для юноши и годами напряженного самообразования. Всё это время Фарадей упорно занимался - он с упоением читал все переплетаемые им научные труды по физике и химии, а также статьи из "Британской энциклопедии", повторял в устроенной им домашней лаборатории эксперименты, описанные в книгах, на самодельных электростатических приборах. Важным этапом в жизни Фарадея стали занятия в Городском философском обществе, где Майкл по вечерам слушал научно-популярные лекции по физике и астрономии и участвовал в диспутах. Деньги (по шиллингу на оплату каждой лекции) он получал от брата. На лекциях у Фарадея появились новые знакомые, которым он писал много писем, чтобы выработать ясный и лаконичный стиль изложения; он также старался овладеть приёмами ораторского искусства.

Начало работы в Королевском институте. Обратив внимание на тягу юноши к науке, в 1812 году один из посетителей переплётной мастерской, член Лондонского королевского общества Дено, подарил ему билет на цикл публичных лекций знаменитого физика и химика, первооткрывателя многих химических элементов Г. Дэви в Королевском институте. Майкл не только с интересом выслушал, но и подробно записал и переплёл четыре лекции, которые послал вместе с письмом профессору Дэви с просьбой взять его на работу в Королевский институт. Этот "смелый и наивный шаг", по словам самого Фарадея, оказал на его судьбу решающее влияние. Профессор был удивлён обширными знаниями юноши, но в тот момент в институте не было вакантных мест, и просьба Майкла была удовлетворена лишь через несколько месяцев. В 1813 Дэви (не без некоторого колебания) пригласил Фарадея на освободившееся место лаборанта в химической лаборатории Королевского института, где он проработал много лет. В самом начале этой деятельности осенью того же года вместе с профессором и его женой он совершил длительное путешествие по научным центрам Европы (1813-1815 гг.). Это путешествие имело для Фарадея большое значение: он вместе с Дэви посетил ряд лабораторий, где познакомился со многими выдающимися учёными того времени, в том числе с А. Ампером, М. Шеврелем, Ж.Л. Гей-Люссаком и А. Вольтой, которые в свою очередь обратили внимание на блестящие способности молодого англичанина.

Первые самостоятельные исследования. После возвращения в 1815 в Королевский институт Фарадей приступил к интенсивной работе, в которой всё большее место занимали самостоятельные научные исследования. В 1816 он начал читать публичный курс лекций по физике и химии в Обществе для самообразования. В этом же году появляется и его первая печатная работа. В 1820 Фарадей провёл несколько опытов по выплавке сталей, содержащих никель. Эта работа считается открытием нержавеющей стали, которое не заинтересовало в то время металлургов. В 1821 в жизни Фарадея произошло несколько важных событий. Он получил место надзирателя за зданием и лабораториями Королевского института (то есть технического смотрителя) и опубликовал две значительные научные работы (о вращениях тока вокруг магнита и магнита вокруг тока и о сжижении хлора). В том же году он женился и, как показала вся его дальнейшая жизнь, был весьма счастлив в браке.

В период до 1821 Фарадей опубликовал около 40 научных работ, главным образом по химии. В 1824 ему первому удалось получить хлор в жидком состоянии, а в 1825 г он впервые синтезирует гексахлоран - вещество, на основе которого в XX веке изготовлялись различные инсектициды.

Постепенно его экспериментальные исследования всё более переключались в область физики. После открытия в 1820Х. Эрстедом магнитного действия электрического тока Фарадея увлекла проблема связи между электричеством и магнетизмом В 1822 в его лабораторном дневнике появилась запись: "Превратить магнетизм в электричество". Рассуждения Фарадея были следующими: если в опыте Эрстеда электрический ток обладает магнитной силой, а, по убеждению Фарадея, все силы взаимопревращаемы, то и магниты должны возбуждать электрический ток. В том же году им была предпринята попытка найти поляризующее действие тока на свет. Пропуская поляризованный свет через воду, находящуюся между полюсами магнита, он пытался обнаружить деполяризацию света, однако опыт дал отрицательный результат.

В 1823 году Фарадей становится членом Лондонского королевского общества и назначается директором физической и химической лабораторий Королевского института, где и проводит свои эксперименты.

В 1825 году в статье "Электромагнитный ток (под влиянием магнита)" Фарадей описывает опыт, который, на его взгляд, должен показать, что ток, действующий на магнит, испытывает с его стороны противодействие. Этот же опыт описан в дневнике Фарадей от 28 ноября 1825 года. Схема опыта выглядела так. Два провода, разделённые двойным слоем бумаги, располагались параллельно друг другу. При этом один подключался к гальваническому элементу, а второй - к гальванометру. По мысли Фарадея, при протекании тока в первом проводе должен был индуцироваться ток во втором, что фиксировалось бы гальванометром. Однако и этот эксперимент дал отрицательный результат.

В 1831 году, после десяти лет непрерывных поисков, Фарадей нашёл, наконец, решение своей проблемы. Существует предположение, что к этому открытию Фарадея подтолкнуло сообщение от изобретателя Джозефа Генри, который также проводил индукционные опыты, однако не публиковал их, считая малозначительными и пытаясь придать своим результатам некую систематичность. Генри, однако, опубликовал сообщение о том, что ему удалось создать электромагнит, способный поднять тонну. Это стало возможным за счёт применения изоляции проводов, позволившей создавать многослойную обмотку, значительно усиливающую магнитное поле.

Фарадей так описывает свой первый успешный эксперимент:

В 1832 году Фарадей открывает электрохимические законы, которые ложатся в основу нового раздела науки - электрохимии, имеющего сегодня огромное количество технологических приложений.

ШАРЛЬ ОГЮСТЕН ДЕ КУЛОН

Биография. Шарль де Кулон родился 14 июня 1736 года в Ангулеме, в семье правительственного чиновника. Учился в одной из лучших школ для молодых людей дворянского происхождения "Коллеже четырёх наций" (Коллеж Мазарини). После окончания этого заведения сдал экзамены и в феврале 1760 года поступил в Военно-инженерную школу в Мезьере, одно из лучших высших технических учебных заведений XVIII века. Окончил Школу в 1761 году, получил чин лейтенанта и был направлен в Брест, где чуть больше года занимался картографическими работами. Затем в течение нескольких лет Кулон служил в инженерных войсках на принадлежавшем Франции острове Мартиника в Форте Бурбон. Много раз тяжело болел. По состоянию здоровья был вынужден вернуться во Францию, служил в Ла-Рошели и Шербуре. В 1781 году обосновался в Париже, служил интендантом вод и фонтанов. После начала революции в 1789 году ушёл в отставку и перебрался в своё поместье в Блуа.

Научная деятельность. Ещё в начале 1770-х годов, вернувшись с Мартиники, Кулон активно занялся научными исследованиями. Публиковал работы по технической механике (статика сооружений, теория ветряных мельниц, механические аспекты кручения нитей и т. п.). Кулон сформулировал законы кручения; изобрёл крутильные весы, которые сам же применил для измерения электрических и магнитных сил взаимодействия. В 1781 году описал опыты по трению скольжения и качения и сформулировал законы сухого трения. В том же году стал членом Парижской Академии наук. С 1785 по 1789 год опубликовал семь мемуаров, где сформулировал закон взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов (закон Кулона), а также закономерность распределения электрических зарядов на поверхности проводника. Ввёл понятия магнитного момента и поляризации зарядов. В 1789 году у него вышел труд по теории трения скольжения (Th?orie des machines simples, en ayant?gard au frottement de leurs parties et? la roideur des cordages).

Уже после революции Академия наук неоднократно вызывала учёного в Париж для участия в определении мер и весов (инициатива революционного правительства). Кулон стал одним из первых членов Национального института, заменившего академию. В 1802 году был назначен инспектором общественных сооружений, но здоровье, подорванное на службе, не позволило учёному существенно проявить себя на этой должности.

Кулон скончался 23 августа 1806 году в Париже. Его имя внесено в список величайших учёных Франции, помещённый на первом этаже Эйфелевой башни.

Размещено на Allbest.ru