Электромагнитная картина мира

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электромагнитная картина мира

Картина материи и мира по Ньютону поражала своей стройностью, но и в ней оставались «белые пятна». Во-первых, в механику никак не вписывалось живое вещество. Вопрос о людях - кто мы есть? - полностью оставался в ведении теологии. Человек по-прежнему трактовался как божественное творение, которому, однако, не дано понять замыслы и деяния Бога. Во-вторых, в МКМ плохо вписывались свет и совокупность электрических и магнитных явлений, сведения о которых накапливались с древности. Внутренние неясности теории, её противоречия некоторым наблюдаемым фактам всегда составляют своеобразные «точки роста». Так было и с МКМ. Учение об электромагнетизме начиналось с накопления фактов, которые вначале представлялись только любопытным набором разрозненных наблюдений. Уже к началу 18-го века реальность электрических и магнитных явлений не вызывала сомнений, но попытки выяснить их суть приводили лишь к умозрительным мнениям о существовании «особых» электрических или магнитных «флюидов». Сам термин «электричество» был введен ещё в 1600 г. У. Гильбертом (1544-1603 гг.), описавшим опыты с янтарем и появление при этом «электрических сил».

Атмосферное электричество исследовалось М.В.Ломоносовым (1711-1765 гг.), Г.Рихманом (1711-1753 гг.), Б.Франклином (1706-1790 гг.). Они утверждали, что электрический «флюид», скорее всего, связан с корпускулами вещества. Л.Гальвани (1737-1798 гг.) при исследованиях «животного электричества» обнаружил наличие электрических потенциалов на границе «металл-жидкость» (металл-электролит). Шарль Огюст Кулон (1736-1806 гг.) в 1785 году опубликовал свой «Мемуар», в котором был сформулирован «закон Кулона» о взаимодействии электрических зарядов. Этот закон фиксировал наличие электрических сил притяжения и отталкивания, при этом силы взаимодействия описывались формулой

(5)

где q, Q - величины зарядов, r - расстояние между точечными (сферическими) зарядами. Но что представляет собой «электрический заряд», оставалось не очень ясным. По своей математической форме закон Кулона удивительно напоминал закон всемирного тяготения.

Рис. 8

А. Вольта (1745-1827 гг.) в 90-х годах открыл контактную разность потенциалов, что вместе с открытием Гальвани дало начало построению химических источников электрического тока. В 1801-1805 годах Г. Дэви в Англии и В. Петров в России получили и исследовали явление электрической дуги, то есть прохождение тока через раскаленный газ. В 1820 году Х. Эрстед (1777-1851 гг.) открыл действие тока на магнитную стрелку. А. Ампер (1775-1836 гг.) установил закон магнитного взаимодействия проводников с током, подтвердив наличие общности в электрических и магнитных явлениях. Ампер фактически заложил основы электродинамики.

Рис. 9

Затем последовала серия экспериментальных открытий Майкла Фарадея (1791-1867 гг.). Главные из них:

Явление и законы электролиза однозначно свидетельствовали о том, что носителем электрического заряда является вещество. Электрический заряд и масса есть природные свойства частиц вещества. Следовательно, электрический заряд также дискретен, как и вещество. Но элементарный носитель отрицательного заряда - электрон - был экспериментально открыт лишь в 1897 году Дж.Дж.Томсоном. Протон и того позже. Электрические заряды разного «происхождения» тождественны между собой. Разные «виды электричества» (трибоэлектричество, электричество атмосферное, животное, химическое, индукционное) есть лишь разные проявления одной и той же природной сущности.

В природе существует особый вид материальных сред - физические поля.

Рис. 10

Рис. 11

Есть поле электрическое и поле магнитное. Отсюда было недалеко и до идеи гравитационного поля. «Открытие поля - это самое важное открытие со времен Ньютона» (А. Эйнштейн). Открытый Фарадеем закон электромагнитной индукции утверждал физическую реальность «превращения магнетизма в электричество». В работах Фарадея содержится мысль о том, что «магнитное взаимодействие» распространяется с конечной скоростью и что этот процесс можно описать с помощью теории колебаний. Фактически это была идея электромагнитных волн.

Магнитооптический эффект Фарадея показал наличие взаимодействия света и магнитного поля и тем самым наталкивал на мысль об электромагнитной сущности света. Фактически в работах Фарадея был создан системный экспериментальный фундамент учения об электромагнетизме как универсальном явлении природы.

Дальнейшее развитие учения об электромагнетизме связано с именем Джеймса Кларка Максвелла (1831-1879 гг.). В нем прекрасно сочетались проницательность ума с богатой научной фантазией, глубочайшие познания в математике с необыкновенной экспериментальной изобретательностью. Он исследовал восприятие цветов и их сочетаний, у него есть выдающиеся работы по механике и по статистической теории газов. Маятник Максвелла и распределение молекул по скоростям навеки поселились в учебниках физики. Вслед за Ньютоном Максвелл подтвердил тезис о том, что «нет ничего практичнее хорошей теории». В 1873 году он опубликовал трактат «Учение об электричестве и магнетизме», в котором изложена теория электромагнетизма. Его система уравнений электромагнитного поля по своей значимости сравнима с системой уравнений механики Ньютона.

Систему уравнений Максвелла для полей в вакууме приведем в современной «транскрипции». Слева даны уравнения в интегральной форме, где интегрирование ведется по конечному замкнутому контуру, по стягиваемой контуром поверхности или по конечному объему, заключенному в замкнутую поверхность. Справа приведены те же уравнения в дифференциальной форме, в такой форме они справедливы для любой точки пространства.

(6.1)

(6.2)

(6.3)

(6.4)

К этой системе четырех векторных уравнений обычно принято добавлять соотношение

c2 е0 / м0 = 1 (6.5)

И закон Ома в дифференциальной форме

(6.6)

Здесь обозначено:

dl, L - элемент линейного контура и сам контур;

dS, S - элемент поверхности и поверхность;

dV, V - элемент объема и объем;

- вектор напряженности электрического поля;

- вектор магнитной индукции магнитного поля;

с - плотность электрического заряда;

j - вектор плотности электрического тока;

c - скорость света;

е0 и м0 - размерные «электрическая» и «магнитная» постоянные, характеризующие «емкостные» и «индуктивные» свойства пустого, без вещества, пространства;

div, rot - дифференциальные операторы, включающие первые производные по координатам.

Первое уравнение фиксирует, что в природе электрический заряд и электростатическое поле взаимосвязаны, а количественное соотношение между ними устанавливается тем фактом, что поле порождается зарядом. Силовые линии поля оканчиваются или начинаются на источниках поля - зарядах, или же уходят в бесконечность, то есть эти линии разомкнуты.

Второе уравнение определяет ещё один источник электрического поля. Им является изменяющееся во времени магнитное поле (в правой части уравнения есть производная по времени). Уравнение обобщает закон электромагнитной индукции, но слева в уравнении фигурирует напряженность не статического, а вихревого электрического поля, у которого силовые линии замкнуты. Оно фиксирует наличие в природе и статического, и вихревого электрических полей.

Третье уравнение описывает факт отсутствия в природе магнитных зарядов. Магнитное поле всегда имеет вихревой характер, то есть его силовые линии всегда замкнуты.

Четвертое уравнение означает, что источников магнитного поля в природе два. Один - активный ток, то есть движущиеся электрические заряды. Соответственно, в правой части уравнения присутствует вектор плотности тока. Второй - изменяющееся во времени электрическое поле, обозначаемое производной по времени от напряженности электрического поля.

Силовое действие полей на покоящийся или движущийся заряд q определяется силой Лоренца

(7)

где F - сила,

v - вектор скорости заряда.

Первое слагаемое - это кулоновская сила, второе - магнитная. Квадратные скобки означают векторное произведение, то есть тот факт, что вектор силы перпендикулярен векторам и скорости, и магнитной индукции.

Система уравнений (6) - (7) представляет собой свод самых общих законов электродинамики. Все прикладные вопросы в электротехнике и радиотехнике решаются через уравнения Максвелла, записанные для конкретных систем зарядов, токов и полей с учетом конкретных свойств вещества, поскольку в реальности нас интересует не только вакуум.

Строго говоря, непосредственно из уравнений Максвелла не следует, что переменные электрическое и магнитное поля должны распространяться в пространстве. Но если подставить друг в друга «зацепляющиеся» уравнения, содержащие производные по времени от силовых характеристик полей, то получается два очень похожих друг на друга уравнения:

и (8)

где ? - оператор Лапласа

(8a)

Математически это есть волновое уравнение, описывающее распространение электромагнитного поля со скоростью:

(9)

Это означает, что из уравнений Максвелла следует математическая модель электромагнитной волны. Отсюда был сделан вывод о том, что электромагнитные волны должны быть физической реальностью. Поэтому почти сразу же после выхода трактата начались экспериментальные поиски электромагнитных волн. Природе был задан вопрос: Как можно обнаружить электромагнитную волну? Направление поисков подсказали работы Фарадея: обнаружить можно по её воздействию на вещество, расположенное на некотором расстоянии от предполагаемого источника переменных электрического и магнитного полей. В 1888 г. Г.Герц получил на своей установке ответ: Да, есть. И распространяется она в пространстве со скоростью света. Справедливость максвелловской системы уравнений была подтверждена экспериментально, что дало огромный толчок исследованиям электромагнитного излучения, в том числе света, условий распространения этого излучения в пространстве и времени, а также в части его практического использования.

Рис. 12

материя электричество потенциал химический

К концу 19-го века сформировалась электромагнитная картина мира (ЭКМ). Её основу составляли классические представления о сущности неживой материи и формах её существования по Ньютону, Фарадею, Максвеллу. В формировании этой картины внесли большой вклад ученые инженеры, работавшие в области прикладной электротехники (Э.Х. Ленц и др.).

Основные положения ЭКМ

Материя существует в двух видах: в виде дискретного вещества и в виде непрерывных физических полей. Вещество и поле друг в друга не превращаются.

Электрические заряды имеют вещественного носителя, то есть масса и электрический заряд есть свойства элементарных частиц вещества. Заряд дискретен. Он существует в виде элементарных носителей двух знаков. Элементарный заряд по модулю равен е = 1.6.10-19 Кл.Масса и заряд неуничтожаемы, в природе действуют законы сохранения массы и электрического заряда.

В природе есть два материальных поля - гравитационное и электромагнитное, они взаимонезависимы и друг в друга не переходят. Гравитационное поле порождается массами и воздействует на массу. Электромагнитное поле порождается электрическими зарядами и воздействует на них. Поля имеет импульс и энергию.

Электромагнитное поле представляет собой систему переменных во времени электрических и магнитных полей, порождающих друг друга. В отсутствие вещества электромагнитное роле распространяется в пространстве с постоянной скоростью с = 3.108 м/с.

Гравитационные и электромагнитные взаимодействия определяют все явления во Вселенной.

В природе существует универсальная количественная аддитивная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Эта мера называется энергией. Энергия не возникает и не уничтожается, она только переходит из одной формы в другую.

Для вещества справедливы законы механики Ньютона. Таким образом, выявление огромной роли электромагнитного взаимодействия не означало «отмены» механики.

Формирование ЭКМ как системной картины природы составило основу дальнейшего прогресса цивилизации. Учение об электромагнетизме способствовало качественным преобразованиям во многих отраслях знания - физики, химии, философии, математики. Электромагнитная картина позволила глубже понять физическую сущность многих механических явлений - сил трения, сил упругости, явлений коррозии, усталости металлов и др. Ещё в 1869 году появилась периодическая система химических элементов, созданная Д. И. Менделеевым на основе выявленной периодичности физических и химических свойств элементов. К концу 19-го века физики и химики стали понимать, что эта периодичность есть пока ещё не очень понятное следствие электромагнитных взаимодействий в атомах и молекулах. Открытия в области электромагнетизма стимулировали появление новых воззрений в философском осмыслении естествознания и познания. Философские изыскания физика Э.Маха привели к возникновению эмпириокритицизма. Новое видение природы анализировались в таких работах, как «Диалектика природы» Ф.Энгельса, «Материализм и эмпириокритицизм» В.Ленина, «Философия живого опыта» А. Богданова. Ещё со времен Фарадея началось интенсивное развитие электротехники. До открытий Максвелла и Герца она в основном базировалась на использовании постоянного тока и явления электромагнитной индукции. Системное осмысление электромагнетизма, понимание того, как распространяется электромагнитное поле по металлическим проводам (волноводам) и в пустом пространстве привело к невероятно быстрому развитию техники переменных токов, к созданию и быстрому прогрессу радиосвязи. В этой области работали такие выдающиеся умы, как Т. Эдисон, А. Белл, М.О. Доливано-Добровольский, А.С. Попов. материя электричество химический

Электромагнитные технологии активно внедряются и в традиционную механическую технику. Обрабатывающие станки оснащаются электроприводом, создается электрическая система зажигания для двигателей внутреннего сгорания.

Интенсивно развиваются линии передачи электрической энергии на большие расстояния, что фактически положило начало объединению технических объектов в техносферу.

Размещено на Allbest.ru