Электромагнитная картина мира

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАБЕРЕЖНОЧЕЛНИНСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО АВТОНОМНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра: «Финансы и Бухгалтерский учет»

Реферат

на тему: «Электромагнитная картина мира»

по дисциплине: «Концепции современного естествознания»

Набережные Челны, 2016 год.

Содержание

1. Электромагнитная картина мира

2. Развитие полевой концепции описания свойства материи

3. Концепции дальнодействия и близкодействия

4. Дискретность и непрерывность материи

5. Сущность электромагнитной теории Максвелла

6. Основные черты ЭМКМ

1. Электромагнитная картина мира

В XIX веке естественные науки накопили огромный эмпирический материал, нуждающийся в переосмыслении и обобщении. Многие полученные в результате исследований научные факты не совсем вписывались в устоявшиеся механические представления об окружающем мире. Во второй половине XIX века на основе исследований в области электромагнетизма сформировалась новая физическая картина мира - электромагнитная картина мира (ЭМКМ).

В её формировании сыграли решающую роль исследования, проведённые выдающимися учёными М. Фарадеем и Дж. Максвеллом, Г. Герцем.

М. Фарадей, отказываясь от концепции дальнодействия (переносчик взаимодействия) вводит понятие физического поля, которое играет значительную роль в дальнейшем развитии науки и техники (радиосвязь, телевидение и т.д.). Дж. Максвелл развивает теорию электромагнитного поля, а Г. Герц экспериментально открывает электромагнитные волны.

В ЭМКМ весь мир заполнен электромагнитным эфиром, который может находиться в различных состояниях. Физические поля трактовались как состояния эфира. Эфир является средой для распространения электромагнитных волн и, в частности, света.

Материя считается непрерывной. Все законы природы сводятся к уравнениям Дж. Максвелла, описывающим непрерывную субстанцию: природа не делает скачков. Вещество состоит из электрически заряженных частиц, взаимодействующих между собой посредством полей.

На основе электромагнитных взаимодействий объясняются все известные механические, электрические, магнитные, химические, тепловые, оптические явления.

Делаются попытки свести механическое описание явлений к описанию на основе теории электромагнитного поля. Трактовка явлений на основе электромагнетизма кажется изящной и законченной. Всё многообразие явлений природы сведено к нескольким математически строгим, хотя и очень сложным, соотношениям.

Понятие эфира (как переносчика света и электромагнитных волн) медленно эволюционирует - вплоть до полного отказа в конечном итоге от самой концепции эфира.

Меняются представления учёных о пространстве и времени. Появляются первые работы А.Эйнштейна по теории относительности. В научных работах зарождаются новые взгляды на природу тяготения, отличные от тех, что развивались в механической картине мира.

Вселенная как бы обретает совершенно новые черты. Ученые обнаруживают «разбегание» галактик. ЭМКМ расширяется, уточняется и углубляется. Учёные строят всё новые и новые модели атома, стремясь узнать, какая из них все-таки ближе всего к истине.

Наиболее красивой и точной стала планетарная модель атома, созданная Э. Резерфордом. Но именно она стала отправной точкой при появлении совершенно новых взглядов на строение окружающего нас мира.

Уже в конце XIX, начале XX века экспериментальные данные, полученные при изучении микро- и мегамира, резко расходились с предсказаниями существующих естественно-научных теорий, требовали разработки новых, более точных и адекватных сущности многих загадочных явлений.

Не смотря на это, электромагнитная картина мира подарила нам очень многое, без чего мы не можем представить современную жизнь: способы получения и использования электрической энергии, к примеру, электрическое освещение и отопление, современные электромагнитные средства связи (радио, телефон, телевидение). Без радиосвязи, например, уже невозможно существование современных государств, функционирование транспорта и производства, немыслимо даже повседневное общение людей.

2. Развитие полевой концепции описания свойства материи

электромагнитный дискретность непрерывность материя

В классическом представлении, как отмечалось выше, различают два вида материи: вещество и поле. К первому из них относятся атомы, молекулы и все построенные из них тела, структура и форма которых весьма разнообразны. Поле - особая форма материи (иногда его называют физическим полем). К настоящему времени известно несколько разновидностей полей: электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, а также волновые (квантовые) поля, соответствующие различным элементарным частицам.

Ограничимся рассмотрением электромагнитного поля. Именно для описания электромагнитных явлений выдающийся английский физик-самоучка Майкл Фарадей (1791-1867) в 30-е годы XIX в. впервые ввел понятие поля.

Наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи - электромагнитного поля, посредством которого осуществляется взаимодействие между электрически заряженными телами, называется электродинамикой.

Среди четырех видов фундаментальных взаимодействий - гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого - электромагнитное взаимодействие занимает первое место по широте и разнообразию проявлений. В повседневной жизни и в технике мы чаще всего встречаемся с различными видами электромагнитных взаимодействий: силы упругости, трения, силы наших мышц и мышц различных животных и т. д.

Электромагнитное взаимодействие позволяет видеть окружающие нас многообразные предметы и тела, так как свет - одна из форм электромагнитного поля. Сама жизнь немыслима без сил электромагнитной природы. Живые существа и даже человек, как показывают полеты космонавтов, способны длительное время находиться в состоянии невесомости, когда силы всемирного тяготения заметно не проявляются. Но если бы на мгновение прекратилось действие электромагнитных сил, то сразу исчезла бы и жизнь. Строение атомной оболочки, сцепление атомов в молекулы (химическая связь) и образование из вещества тел различной формы определяются исключительно электромагнитным взаимодействием.

К созданию электромагнитной теории поля привела длинная цепь случайных открытий и планомерных кропотливых исследований, начиная с обнаружения способности янтаря, потертого о шелк, притягивать легкие предметы и кончая предложенной великим английским ученым Джеймсом Клерком Максвеллом идеи о порождении магнитного поля переменным электрическим полем.

Лишь после создания Максвеллом электромагнитной теории поля, во второй половине XIX в., началось широкое практическое использование электромагнитных явлений. Изобретение радио русским физиком и электромехаником А.С. Поповым (1859-1906) - одно из первых важнейших применений принципов новой, электромагнитной, теории. При развитии электромагнитной теории поля впервые научные исследования предшествовали техническим применениям. Если паровая машина была построена задолго до создания теории тепловых процессов, то сконструировать электродвигатель или радиоприемник оказалось возможным лишь после открытия и изучения законов электродинамики.

Многочисленное практическое применение электромагнитных явлений несомненно способствовало существенному преобразованию сферы деятельности человека и развитию цивилизации.

3. Концепции дальнодействия и близкодействия

Утверждению понятия поля в значительной мере способствовало стремление осознать дальнодействующий характер электрических сил и сил тяготения. Сразу же после открытия И. Ньютоном закона всемирного тяготения, а затем, примерно через сто лет, и закона Кулона, описывающего взаимодействие заряженных тел, возникли вопросы в большей степени философского содержания: почему физические тела, обладающие массой, действуют друг на друга на расстояниях, даже на огромных, через пустое пространство, и почему заряженные тела взаимодействуют даже через электрически нейтральную среду? До введения понятия поля не было удовлетворительных ответов на данные вопросы.

Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участия в данном процессе. Передача взаимодействия происходит мгновенно. Такое предположение составляет сущность концепции дальнодействия. Сам И. Ньютон считал невероятным и даже невозможным подобного рода взаимодействие тел.

Основоположником концепции дальнодействия является французский математик, физик и философ Рене Декарт. Многие ученые придерживались этой концепции вплоть до конца XIX в.

Экспериментальные исследования электромагнитных явлений показали несоответствие концепции дальнодействия физическому опыту. Кроме того, данная концепция находится в противоречии с постулатом специальной теории относительности, в соответствии с которым скорость передачи взаимодействий тел ограничена и не должна превышать скорость света в вакууме.

Было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно и перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а лишь спустя конечное время. Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие заряженные частицы, т. е. взаимодействие передается через «посредника» - электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в пустоте - примерно 300 000 км/с. Это и составляет сущность новой концепции - концепции близкодействия, которая распространяется не только на электромагнитное, но и на другие виды взаимодействий. Согласно концепции близкодействия взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение - посредством гравитационного поля), непрерывно распределенных в пространстве.

4. Дискретность и непрерывность материи

Что же такое физическое поле? Можно ли представить его наглядно с помощью простых, доступных нашему пониманию образов? Как оно соотносится с представлениями о частицах вещества?

Самое простое представление о поле дает сплошная среда, например вода, заполняющая некоторую область пространства (или же вообще все пространство). Эта среда может иметь в разных точках, например, различную плотность или температуру, по-разному двигаться. Именно конкретное физическое свойство среды, разное в разных точках и доступное для измерений, физически определяет поле. В связи с этим различают поле температур, поле скоростей, силовое поле и т. д.

В философском плане разделение мира на тела и частицы, с одной стороны, и сплошную среду, поле и пустое пространство - с другой, соответствует выделению двух крайних свойств мира - его дискретности и непрерывности.

Дискретность (или прерывность) означает - «зернистость», конечную делимость пространственно-временного строения и состояния предмета или объекта, его свойств и форм движения (скачки), тогда как непрерывность выражает единство, целостность и неделимость объекта, сам факт его устойчивого существования. Для непрерывного нет границ делимого.

В математике этим философским категориям соответствуют дискретное множество натуральных чисел и непрерывное множество (континуум) действительных чисел. Для точного пространственно-временного описания свойств сплошной среды (и поля) был разработан специальный раздел математики.

Дискретные и непрерывные свойства мира в рамках классической физики первоначально выступают как противоположные друг другу, отдельные и независимые друг от друга, хотя в целом и дополняющие общее представление о мире. И только развитие концепции поля, главным образом для описания электромагнитных явлений, позволило понять их диалектическое единство. В современной квантовой теории это единство противоположностей дискретного и непрерывного нашло более глубокое физико-математическое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.

После появления квантовой теории поля представление о взаимодействии существенно изменилось. Согласно данной теории, любое поле не является непрерывным, а имеет дискретную структуру. Например, электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами - квантами электромагнитного поля, т. е. фотоны - переносчики этого поля. Аналогично другие виды взаимодействия возникают в результате обмена частиц квантами соответствующих полей. Например, в гравитационном взаимодействии, как предполагается, принимают участие гравитоны (их существование пока экспериментально не подтверждено).

Согласно полевой концепции, участвующие во взаимодействии частицы создают в каждой точке окружающего их пространства особое состояние - поле сил, проявляющееся в силовом воздействии на другие, частицы, помещенные в какую-либо точку данного пространства. Первоначально выдвигалась механическая интерпретация поля как упругих напряжений гипотетической среды «эфира». Теория относительности, отвергнув «эфир» как особую упругую среду, вместе с тем придала фундаментальный смысл понятию поля как первичной физической реальности.

В современной квантовой физике на роль «эфира» может претендовать новый возможный вид материи - физический вакуум. Первые представления о нем дал один из создателей квантовой теории поля английский физик П. Дирак (так называемое «море Дирака»). Хотя вакуум мы непосредственно не видим (он прозрачен для электромагнитных излучений и не оказывает никакого сопротивления движению материальных частиц и тел), но все же он может проявляться при взаимодействии с ним тех же частиц или электромагнитных волн (гамма-квантов), обладающих достаточной энергией. Если эта энергия превышает удвоенную энергию покоя, например, электрона, то гамма-квант при наличии еще одной частицы (атомного ядра) может, сам исчезнув, породить пару электрон-позитрон, как бы «вырванную» из вакуума. Есть и другие свидетельства в пользу физического вакуума.

В истории физики за последние 300 лет предложены по крайней мере четыре разные концепции «эфира»: абсолютное пространство Ньютона, светоносный эфир Гюйгенса, гравитационный эфир Эйнштейна и физический вакуум Дирака. Насколько оправдается интуиция физиков о существовании в природе особой среды - физического вакуума, покажет только будущее.

5. Сущность электромагнитной теории Максвелла

В 60-х годах XIX в. английский физик Максвелл развил теорию Фарадея об электромагнитном поле и создал теорию электромагнитного поля. Это была первая теория поля. Она касается только электрического и магнитного полей и весьма успешно объясняет многие электромагнитные явления. Полезно напомнить некоторые основные идеи, лежащие в основе данной теории, и вытекающие из нее выводы.

Из закона Фарадея следует, что любое изменение сцепленного с контуром магнитного потока приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) индукции, вследствие чего появляется индукционный ток. Следовательно, возникновение ЭДС электромагнитной индукции возможно и в неподвижном контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Однако ЭДС в любой цепи возникает только тогда, когда в ней на носителей тока действуют сторонние силы, т. е. силы неэлектростатического происхождения. Поэтому закономерно возникает вопрос о природе сторонних сил в данном случае. Опыт показывает, что такие сторонние силы не связаны ни с тепловыми, ни с химическими процессами в контуре; их возникновение нельзя также объяснить силами Лоренца, так как они на неподвижные заряды не действуют. Максвелл высказал гипотезу, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в контуре. Согласно представлению Максвелла контур, в котором появляется ЭДС, играет второстепенную роль, являясь своего рода лишь «прибором», обнаруживающим это поле. Электрическое поле, возбуждаемое магнитным полем, как и само магнитное поле, является вихревым.

Согласно Максвеллу, если всякое переменное магнитное поле возбуждает в пространстве вихревое электрическое поле, то должно существовать обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вызывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Для установления количественных соотношений между изменяющимся электрическим полем и вызываемым им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение так называемый ток смещения, обладающий способностью создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Ток смещения в вакууме не связан с движением зарядов, а обусловливается только изменением электрического поля во времени и вместе с тем возбуждает магнитное поле - в этом заключается принципиально новое утверждение Максвелла.

Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться или движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), или переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.

В стационарном случае, когда электрическое и магнитное поля не изменяются во времени, источниками электрического поля являются только электрические заряды, а источниками магнитного - только токи проводимости. В данном случае электрическое и магнитное поля независимы друг от друга, что и позволяет изучать отдельно постоянные электрические и магнитные поля.

Уравнения Максвелла - наиболее общие уравнения для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. В электромагнетизме они играют такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле - с порождаемым им магнитным, т. е. электрическое и магнитное поля неразрывно взаимно связаны и образуют единое электромагнитное поле.

К электромагнитному полю применим только принцип относительности Эйнштейна, поскольку факт распространения электромагнитных волн в вакууме во всех системах отсчета с одинаковой скоростью не совместим с принципом относительности Галилея.

6. Основные черты ЭМКМ

Главная исходная идея ЭМКМ - это естественнонаучный материализм, а ее ядро - теория электромагнитного поля. ЭМКМ базировалась на следующих идеях:

· Непрерывность материи (континуальность),

· Материальность электромагнитного поля,

· Неразрывность материи и движения,

· Связь пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей.

Материя и движение. Материя существует в двух видах: вещество и поле. Они строго разделены и их превращение друг в друга невозможно. Главным является поле, а значит основным свойством материи является непрерывность (континуальность) в противовес дискретности.

Пространство и время. В первоначальной ЭМКМ абсолютное и пустое пространство (как в МКМ) было заполнено мировым эфиром. Электромагнитное поле представлялось как колебания эфира. С неподвижным эфиром пытались связать абсолютную систему отсчета, самую простую, самую лучшую. Создание СТО привело к отказу от эфира.

Из постулатов СТО (специальная теория относительности) следовала относительность длины, времени и массы, т.е. их зависимость от системы отсчета. Из преобразований Лоренца, выведенных для перехода от одной ИСО (инерциамльная система отсчёта (ИСО) -- система отсчёта, в которой все свободные тела движутся прямолинейно и равномерно, либо покоятся) к другой, следовало, что пространство и время связаны между собой и образуют единый четырехмерный мир (пространственно-временной континуум Минковского), являясь его проекциями. Свойства пространственно-временного континуума (метрика Мира, его геометрия) определяются распределением и движением материи.

Событие, происходящее с некоторой частицей, характеризуется местом, где оно произошло (т.е. совокупностью значений x, y, z), и временем, когда оно произошло. («Что? Где? Когда?»). В воображаемом четырехмерном пространстве, по осям которого откладываются пространственные координаты x, y, z и время t, событие можно изобразить точкой. Точка, изображающая событие в 4-мерном пространстве, называется мировой точкой. С течением времени мировая точка, соответствующая данной частице, перемещается в 4-мерном пространстве, описывая некоторую линию, которую называют мировой линией.

Взаимодействие. В период становления и развития ЭМКМ физика знала два взаимодействия - гравитационное и электромагнитное. В рамках этой картины Мира оба эти взаимодействия объяснялись исходя их понятия «поле». Это означало, что и то и другое взаимодействие передается с помощью промежуточной среды, т.е. поля со скоростью, равной скорости света. Таким образом, принцип дальнодействия МКМ был заменен принципом близкодействия. В рамках ЭМКМ А. Эйнштейном была предпринята попытка разработать единую теорию гравитационного и электромагнитного взаимодействия. После создания ОТО (общая теомрия относиительности) ученый до конца своей жизни работал над созданием единой теории поля - труд, непосильный для одного человека. (На сегодня создана теория поля, включающая три взаимодействия: электромагнитное, сильное и слабое. Включение в нее гравитационного взаимодействия до сих пор остается проблемой).

Основными принципами ЭМКМ являются принцип относительности Эйнштейна, близкодействие, постоянство и предельность скорости света, эквивалентность инертной и гравитационной масс, причинность. (Какого-либо нового понимания причинности по сравнению с МКМ не произошло. Главными считались причинно-следственные связи и динамические законы, их выражающие.) Большое значение имело установление взаимосвязи массы и энергии (E=mc2). Масса стала не только мерой инертности и гравитации, но и мерой содержания энергии. В результате два закона сохранения - массы и энергии - были объединены в один общий закон сохранения массы и энергии.

Дальнейшее развитие физики показало, что ЭМКМ имеет ограниченный характер. Главная трудность здесь заключалась в том, что континуальное понимание материи не согласовывалось с опытными фактами, подтверждающими дискретность многих ее свойств - заряда, излучения, действия. Не удавалось объяснить соотношения между полем и зарядом, устойчивость атомов, их спектры, явление фотоэффекта, излучение абсолютно черного тела. Все это свидетельствовало об относительном характере ЭМКМ и необходимости замены ее новой картиной мира.

Вскоре на смену ЭМКМ пришла новая - квантово-полевая картина Мира, объединившая дискретность МКМ и непрерывность ЭМКМ.

Размещено на Allbest.ru