Історія розвитку вчення про електрику та магнетизм (при вивченні фізики та технічної механіки)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Університет Григорія Сковороди в Переяславі

Історія розвитку вчення про електрику та магнетизм (при вивченні фізики. Технічної механіки)

Герасимчук Віктор Петрович кандидат педагогічних наук, старший викладач, старший викладач кафедри теорії та методики технологічної освіти та комп'ютерної графіки

м. Переяслав

Анотація

У статті розглядаються ключові аспекти в історії розвитку вчення про електростатику та магнетизм, а також: наводяться основні події, які залишили вагомий слід у розвитку фізики як науки в цілому. Висвітлено теорію і практику єдиного історичного наукового процесу розвитку природи і способів її вивчення та дослідження, розкрито історичні закономірності становлення фундаментальних фізичних явищ, понять, теорій, вчення про електрику стало наукою тільки після встановлення закону Кулона, згідно з яким сила, діюча між двома зарядами, обернено пропорційна до квадрата відстані між ними. Цей закон має своєрідну історію, поняття «Кількість електрики», вже з XVII ст. було загальним надбанням і із самого початку без спеціального обґрунтування було пов'язано з уявленням про те, що ніщо не може бути створене або знищене. Показано їх еволюцію та суспільно- історичну значущість досягнень фізичної науки. Ознайомлено з еволюцією фізичних ідей, особливостями їх реалізації у різних соціально-економічних умовах. Систематизовано, узагальнено й теоретично осмислено основні наукові підходи до використання елементів історизму на заняттях з фізики у педагогічному закладі освіти. Проблема підвищення мотивації до навчання доволі актуальна, адже в сучасних умовах спостерігаємо зниження престижу освіти та навчання. Водночас фізика традиційно вважається важким для розуміння предметом, і це вимагає пошуку нових і удосконалення існуючих методів, форм та засобів навчання. Використання історичного підходу на заняттях є одним із шляхів розв'язання зазначеної проблеми. Історичні матеріали спрямовуються на розвиток пізнавального інтересу, формування світосприйняття, стимулювання пізнавальної діяльності. Важливими особливостями використання елементів історизму є їх виховний вплив на особистість, різноманітність форм та методів представлення. Історичний підхід дозволяє дати найбільш повне та загальне уявлення про різні поняття сили, сили струму, маси, енергії, імпульсу, тощо, прослідкувати шлях руху наукової думки від її витоків і до сучасності. Зроблено висновок про повноту реалізації можливостей історії фізики в процесі підготовки висококваліфікованого педагога

Ключові слова: електрика, магнетизм, електричні коливання, провідники, діелектрики, гальванічні елементи, електроліз, електромагніт.

Abstract

Gerasymchuk Viktor Petrovych PhD in Pedagogy, Senior Lecturer, Senior Lecturer of the Department of Theory and Methods of Technological Education and Computer Graphics, Hryhorii Skovoroda University in Pereiaslav, Pereiaslav

HISTORY OF THE DEVELOPMENT OF THE SCIENCE OF ELECTRICITY AND MAGNETISM (WHILE STUDYING PHYSICS. TECHNICAL MECHANICS)

The article considers key aspects in the history of the development of the doctrine of electrostatics and magnetism, as well as: the main events that left a significant mark on the development of physics as a science as a whole are cited. The theory and practice of a single historical scientific process of the development of nature and methods of its study and research are highlighted, the historical regularities of the formation of fundamental physical phenomena, concepts, theories are revealed, the study of electricity became a science only after the establishment of Coulomb's law, according to which the force acting between two charges, inversely proportional to the square of the distance between them. This law has a peculiar history, the concept of «Quantity of electricity», since the XVII th century. was a common property and from the very beginning, without special justification, was associated with the idea that nothing could be created or destroyed. Their evolution and socio-historical significance of the achievements of physical science are shown. The evolution of physical ideas, the peculiarities of their implementation in different socio-economic conditions are introduced. The main scientific approaches to the use of elements of historicism in physics classes in a pedagogical educational institution are systematized, generalized, and theoretically elaborated. The problem of increasing motivation to study is quite urgent, because in modern conditions we are witnessing a decline in the prestige of education and training. At the same time, physics is traditionally considered a difficult subject to understand, and this requires the search for new and improvement of existing methods, forms and means of learning. Using a historical approach in classes is one of the ways to solve the mentioned problem. Historical materials are aimed at the development of cognitive interest, the formation of worldviews, and the stimulation of cognitive activity. Important features of the use of elements of historicism are their educational impact on the personality, variety of forms and methods of presentation. The historical approach makes it possible to give the most complete and general idea of various concepts of force, current, mass, energy, momentum, etc., to trace the path of movement of scientific thought from its origins to the present. A conclusion was made about the complete realization of the possibilities of the history of physics in the process of training a highly qualified teacher.

Keywords: electricity, magnetism, electric oscillations, conductors, dielectrics, galvanic elements, electrolysis, electromagnet.

Постановка проблеми

Сучасні тенденції реформування української системи освіти потребують оновлення змісту, форм та методів професійної підготовки вчителя, органічно адаптованого до життя у динамічному суспільстві інноваційних змін, багатоманітних зв'язків і перетворень. Відомо, що якісна освіта - це, перш за все, високопрофесійні педагогічні кадри. Саме тому, такого важливого значення набуває підготовка у ВНЗ конкурентоспроможного вчителя, адже сучасній інноваційній моделі школи потрібен конкурентоспроможний вчитель, готовий до професійної діяльності в умовах змін і вдосконалення фахової майстерності.

Курс фізики та технічної механіки посідає важливе місце серед навчальних предметів загальноосвітньої підготовки для майбутнього вчителя технологій. Фізика є основою технічної грамотності майбутніх фахівців, на її основі розвиваються інтелектуальні та дослідницькі здібності. Важливе завдання сучасного викладача - зацікавити студентів та спонукати до навчання. Проблема підвищення мотивації до навчання є актуальною, адже в сучасних умовах спостерігаємо зниження престижу освіти та навчання в суспільстві. фізичний електрика закон кулон

Аналіз останніх досліджень і публікацій

На сучасному етапі науковці активно звертаються до проблеми учителя, його творчої діяльності, розглядаючи різні її аспекти та компоненти. Так. проблеми формування майстерності у професійній діяльності вчителя висвітлено у роботах В. Андрущенка. В.І. Андріяшина, Г.Є. Левченка, В.М. Мадзігона, В.К. Сидоренка. В.В. Стешенка, Г.В. Терещука, Д.О. Тхоржевського. Проблемі формування понять з різних навчальних дисциплін присвячені дослідження М.С. Корця, В.П. Курок, А.В.Касперського. Проблему застосування історії науки у навчанні розглядали у своїх працях відомі педагоги та методисти: М. В. Головко та М. І. Шут, М.І.Садовий та інші.

Метою означеної статті є з'ясування можливостей історико-методоло- гічного підходу в системі реалізації підготовки майбутніх вчителів технологій при вивченні дисципліни «Фізика. Технічна механіка» в контексті розвитку концептуальних ідей про електрику та магнетизм.

Виклад основного матеріалу

Вчення про електрику і магнетизм набагато молодше, ніж механіка та оптика. Окрім слова «магніт» і деяких елементарних спостережень над натертим бурштином минуле не залишило нічого більшого. (У Китаї вже в другому столітті н.е. знали компас, але в Європу він потрапив тільки в XIII столітті.) Середні віки дали знання того, що кожна частина магніту утворює знову повний магніт. Гідним уваги являється, можливо, страх, з яким сприймав Христофор Колумб під час своєї подорожі в 1492 р. зміну східного відхилення компаса, що існувало в Південній Європі, на західне.

Навіть у перші півтора століття розвитку сучасної фізики історія фізичних ідей мало спрямовувалася в цю область, незважаючи на безперечну заслугу Вільяма Гільберта, який досліджував за допомогою невеликої магнітної стрілки зміну силових ліній поблизу намагнічених сталевих кульок і встановив досконалу аналогію їх дії з дією Землі на компас. Він перший застосував термін «електрика». Нічого не змінили також дослідження Отто Геріке, який помітив відштовхування однаково заряджених тіл і побудував першу машину, що виробляє електрику шляхом тертя, а також відкрив намагнічення шматочків заліза магнітним полем Землі.

У механіці, оптиці, вченню про теплоту і хімії відбувалося глибоке свідоме дослідження древніх спостережень донаукового досвіду, який мав певне значення. Але в області електрики і магнетизму лише належало пройти відповідну «доісторичну» стадію, перш ніж можна було прийти до якісних ідей. Дослідники XVII і початку XVIII ст. стикалися з такими складними явищами, як електризація шляхом тертя, утворення іскри, вплив вологості повітря та ін., які неможливо було пояснити через відсутність основних понять електростатики [2].

Все ж в цю епоху виникли ряд важливих якісних спостережень. Розрізнення провідників електрики і ізоляторів провів в 1731 р. Стефан Грей, Франц Епинус показав в 1759 р., що між ними існують переходи усіх ступенів. Обоє спостерігали уперше індукційні дії заряджених тіл на ізольовані провідники. Випадкові спостереження привели в 1745 р Евальда Георга фон Клейста і Пітера Мушенброка до відкриття лейденської банки - первинної форми електричного конденсатора, над розумінням якої працював, окрім Епинуса, також Веніамін Франклін. Франклін дав терміни «позитивна» і «негативна» електрика. У зв'язку з цим відкриттям Йоганн Карл Вільке виявив в 1758 р. поляризацію діелектрика - типовий приклад відкриття, що рано з'явилося і тому було втрачене. Електрофор, з якого повинна була пізніше розвинутися індукційна електростатична машина, був винайдений Олександром Вольтом. Експериментальне доведення електричної природи грози в 1752 р. Франкліном, викликало велику і виправдану сенсацію. [3]

Поняття «Кількість електрики», вже з XVII ст. було загальним надбанням і із самого початку без спеціального обґрунтування було пов'язано з уявленням про те, що ніщо не може бути створене або знищене.

У області магнетизму в середині XVIII ст. було відоме лише одне: відкриття явища діамагнетизму, яке було виявлене в 1778 р. Антоном Бругмансом при відштовхуванні вісмуту магнітом.

Вчення про електрику стало наукою тільки після встановлення закону Кулона, згідно з яким сила, діюча між двома зарядами, обернено пропорційна до квадрата відстані між ними. Цей закон має своєрідну історію. Вона розпочалася з припущень про його існування у зв'язку з ньютонівським законом тяжіння. У 1767 р. Прістлі цілком очевидно бачив переконливий доказ цього закону у встановленому ним і іншими наприклад Генрі Кавендишем, явищі: заряд провідника знаходиться цілком на його поверхні, тоді як склад провідника абсолютно вільна від електричних дій. Проте на ці спостереження не звертали ніякої уваги, у 1785 р. Огюст Кулон провів досліди за допомогою крутильних терезів. Він безпосередньо виміряв силу між двома маленькими зарядженими кульками, частково по статичному відхиленню терезів, частково по коливаннях підвішеної до цих терезів кульок. У наступній роботі 1786 р. Кулон, не знаючи про своїх попередників, повідомив про захисну дію провідників і бачив також в цьому доказ закону електричних сил. Проте ця частина його роботи була абсолютно забута, так що ми сьогодні переважно пов'язуємо захисну дію провідників з ім'ям Фарадея. На сучасників Кулона справили велике враження тільки дійсно наочні виміри за допомогою крутильних терезів, завдяки яким закон носить ім'я Кулона [1].

Кулон прирівняв силу, діючу між двома зарядами, пропорційною кількостям електрики по аналогії із законом Ньютона. Доказати це він не міг, оскільки на той час не мав розмірності для зарядів. Ідею визначення цього досліду, і саме на основі закону Кулона, ми уперше знаходимо у дослідженнях Г ауса.

Кулон застосовував свій закон і до магнетизму. Але тут його досліди менш переконливі, оскільки накопичення магнітних «флюїдів» на точкових полюсах представлялося завжди сумнівним, хоча він намагався довести це заздалегідь підготовленими вимірюваннями. Те, що було правильним в цьому поширенні закону Кулона на магнітні явища, знайшло своє точне відображення в застосовності диференціального рівняння Лапласа до магнетизму, на що вказав в 1828 р. Джордж Грін. Важливим є отримане за допомогою крутильних терезів доведення Кулоном того, що магнітне поле Землі надає магнітній стрілці обертальний момент, пропорційний синусу кута відхилення від меридіана. Це є основою для поняття магнітного моменту.

Прогрес, викликаний законом Кулона, ілюструється застосуванням в 1811 р. Пуассоном теорії потенціалу, розвиненої раніше для тяжіння. Дійсно, в законі Кулона або в еквівалентному йому диференціальному рівнянні Лапласа-Пуассона, а також у досвіді, що підтверджує постійність потенціалу на провіднику, міститься уся електростатика, оскільки діелектрики не беруть участь в явищах. Подальшою розробкою теорії потенціалу ми зобов'язані, окрім Гріна, Карлу Фрідріху Гауссу, який виступив в 1839 р. зі своєю знаменитою роботою. Ця теорія вплинула далеко за межами її власної області, оскільки стала прообразом для багатьох інших галузей математичної фізики.

Гаусс дав згадане визначення кількості електрики на підставі закону Кулона. Одиницею кількості електрики є, відповідно до цього закону, та кількість, яка відштовхує з силою в 1 дину рівна йому кількість, що знаходиться від нього на відстані в 1 см. Гаусс дав перший абсолютний вимір магнітного моменту сталевого магніту і сили магнітного поля Землі. Його математична теорія цього поля є безпосереднім і завершуючим продовженням роботи В. Гільберта. Гаусс заснував також першу раціональну електричну і магнітну систему заходів [3].

Але закон збереження електрики уперше був доведений в 1843 р. Михайлом Фарадеєм. У ізольованому, сполученому з кондуктором електрометрії «відрі для льоду» він поміщав заряджену металеву кулю, що висить на довгій шовковій нитці; мірою його заряду була розбіжність листочків електрометрії. Фарадей показав, що ця розбіжність не залежить від тих предметів, які ще знаходяться в «відрі для льоду», і від стану їх заряду. Можна цей заряд перенести цілком або частково на інший провідник; це не зробить ніякого впливу. Тільки коли вносять нові заряди в «відро для льоду», відхилення електрометрії також змінюється; воно вказує алгебраїчну суму внесених зарядів. Цей досвід, що не поступається за своїм значенням в цей же час отриманим доказам закону збереження енергії, не знайшов такої ж оцінки тільки тому, що уявлення про не руйновані електричні флюїди було вже раніше встановлене і не потребувало захисту.

Другий, може бути ще плідні ший, крок наука про електрику отримала тоді, коли Олександр Вольта зробив відкриття на основі спостережень Луїджі Гальвані над жаб'ячою лапкою, які викликали сенсацію і знайшли багато послідовників. Рідко нове спостереження є таким важким для розуміння, як це; цим відкриттям була прокладена дорога в абсолютно незвідану область.

Перші випадкові спостереження Гальвані над здриганням жаб'ячих лапок, сполучених з металевою скобою, поблизу електричних іскрових розрядів або при наближенні грози були фактично першою вказівкою на електричні коливання; жаб'яча лапка діяла як «детектор». Але лише більш ніж через сто років фізики змогли це використовувати. Тоді ж дослідження і щасливий випадок привели Гальвані до того, що він зміг викликати здригання лапок жаби за допомогою скоби, зробленої з двох різних металів. Це був перший гальванічний елемент; жаб'яча лапка була одночасно його електролітом і індикатором струму. Але це не було усвідомлено самим Гальвані. Він вважав, може бути не зовсім неправильно, що перед ним явища тваринної електрики, які вже давно були відомі у електричною ската і інших риб [4|.

Вольта також захищав в 1792 р. це переконання. Але після довгого ряду дослідів він все більш і більш переймався думкою, що біологічний об'єкт - жаб'яча лапка або навіть людська мова - мають тільки другорядне значення. У 1796 р. він зовсім виключив цей момент і висловив істотне припущення про «циркуляцію» електрики в ланцюзі провідників, коли вона складається з двох (чи більше) провідників «першого» класу і одного провідника «другого» класу. Він перший ввів ці поняття, так само як поняття стаціонарного електричного струму. Спираючись на це нове знання, він сконструював в 1800 р. вольтів стовп, цей прототип гальванічних елементів, що з'явилися в подальші роки і десятиліття, як гриби після дощу. Знаменитим став також «основний досвід Вольта», який повинен був показати заряджання двох металів при зіткненні. Сучасна критика (Еміль Варбург) його підриває: між двома металевими пластинками є завжди ще водяний прошарок, і фактично те, що вимірював Вольта, було напругою на полюсах відкритого гальванічного елементу. Але правильною і засадничою була вказівка Вольта на те, що в чисто металевому середовищі, скільки б не було різних металів, вмить утворюється електрична рівновага, яка виключає будь-який струм. Тільки температурні відмінності породжують струм (термоелектрика). Це було виявлено в 1821 р. Томасом Йоганном Зеебеком.

Електроліз, в якому ми тепер бачимо причину виникнення гальванічного струму, був описаний вже в 1797 р. до елементу Вольта, Олександром Гумбольдтом (що здобувало велику славу своїми досягненнями в описових природних науках). Він спостерігав електроліз в ланцюзі одного цинкового і одного срібного електродів з прошарком води між ними. Геніальний фантазер Йоганн Вільгельм Ріттер отримав шляхом електролізу металеву мідь з розчину мідного купоросу. Він виявив також ідентичність статичної і гальванічної електрики, застосовуючи для електролізу розряди лейденської банки. Він перший встановив, що хімічні перетворення є причиною виникнення струму в гальванічному елементі. У 1800 р. Гемфрі Деві почав свої знамениті електролітичні дослідження, які його привели в 1807 р. до відкриття гальванічного виділення лужних металів. Завдяки кількісному виміру маси продуктів електролізу він відкрив для дослідження напрям, який привів в 1834 р. до закону еквівалентності Михайла Фарадея, в 1853 р. до робіт Йоганна Вільгельма Гитторфа про пересування іонів, в 1875 р. до відкриття Фрідріхом Кольраушем незалежності рухливості іонів, а в 1887 р. до теорії електролітичної дисоціації Сванте Аррениуса. Чудове завершення знайшли цей знаменитий ряд відкриттів в теорії електрорушійних сил Вальтера Нернста [3].

Тим самим була завершена теорія гальванічного струму. Правда, уявлення про те, що, наприклад, іон натрію повинен вільно рухатися у водному розчині, не реагуючи хімічно з довкіллям, зустрічало спочатку значний опір; часто не визнавали відмінності між нейтральним атомом і іоном. Але теорія отримала такі численні підтвердження, що опір поступово затих.

Відкриття Вольта започаткувало ряд ще інших ліній розвитку. Гальванічні елементи давали струми зовсім іншої сили і тривалості, ніж ті, які виходили шляхом розряду конденсатора. У 1811 р. Деві за допомогою батареї з 2000 елементів отримав вольтову дугу, яка служила електричним джерелом світла до тих пір, поки в 70-х роках XIX століття вона не була поступово витіснена винайденою Томасом Едісоном освітлювальною лампою. Завдяки елементам сталі доступні дослідженню магнітні дії струму.

З початку XIX століття існувало багато різних припущень про сили, діючі між електричними і магнітними флюїдами; ці припущення привели до досліджень взаємодії між магнітними полюсами і відкритими стовпами вольтів. Незалежно від таких помилкових шляхів і чисто випадково Ганс Хрістіан Ерстед наштовхнувся в 1820 р. на факт відхилення магнітної стрілки електричним струмом і знайшов після цього також відповідний напрям сили магніту, діючої на контур із струмом. Багато фізиків, особливо французькі, стали досліджувати знову відкриту область, і впродовж двох років були створені основи електромагнетизму. Спочатку Домінік Франсуа Араго і Жозеф Луї Г ей-Люссак спостерігали намагнічення шматка заліза під впливом струму, що проходить по дроту, намотаному на залізо. Це був перший електромагніт. У тому ж році Андре Мари Ампер встановив своє знамените правило буравчика для визначення напряму магнітного силового поля по відношенню до провідника струму і знайшов, що однаково спрямовані струми притягуються, а протилежно спрямовані - відштовхуються. Він показав, що соленоїд діє як магнітний стержень. Одночасно Жан Батист Біо і Фелікс Савар на підставі результатів досвіду сформулювали названий по їх імені закон магнітної дії окремого елементу струму. Фарадей в 1821 р. піддав дії постійних магнітів рухливі частини ланцюга струму і, навпаки, магніти дії струмів. Після цього в 1822 р. Ампер показав взаємодію двох електричних ланцюгів струму і прийняв його за початковий пункт для свого основного закону електродинаміки - термін, який уперше з'являється саме у нього. Особливе значення мало, правда тільки через століття, його пояснення магнетизму вже не за допомогою двох магнітних флюїдів, але дією гіпотетичних молекулярних струмів [3].

З цих магнітних дій струму була отримана міра для сили струму. У 1826 р. Симон Ом за допомогою ясного розподілу понять «Електрорушійна сила», «рівні напруги», «сила струму» вивів названий по його імені закон пропорційності між силою струму і різницею напруги, причому коефіцієнт пропорційності означав опір провідника. Ом показав, що опір дроту пропорційний довжині і обернено пропорційно до її перерізу, і заклав цим основи для поняття питомої електропровідності тіл. Але це тільки одна з трьох констант, які характеризують поведінку будь-якої речовини відносно електрики і магнетизму.

У 1847 р. Р. Кірхгоф зміг вирішити проблему розгалуження струму шляхом встановлення правил, названих по його імені. Найважливіше застосування електродинаміка знайшла в телеграфі. У 1833 р. Гаус і Вільгельм Вебер дали принцип функціонування телеграфу по одній лінії.

Після 1822 р. настала перерва в розвитку електромагнетизму, хоча до цього була досліджена тільки половина цієї групи явищ.

У 1831 р. Фарадей відкрив, що дії струмів на магніт відповідає зворотна дія магніту на струм. Він намотував на залізне кільце дві котушки з дроту і пропускав струм через першу котушку; відразу ж після включення струму в першій котушці виникав струм в другій; при виключенні струму в першій котушці в другій з'являвся струм протилежного напряму. Тим самим була відкрита індукція, і Фарадей в подальші роки з'ясував її різні форми. У 1833 р. його дещо неясні вказівки про напрям індукованих рухів струмів Е.Х. Ленц з'єднав в правило, назване по його імені. Незабаром з'явилися індукційні машини, які виробляли електричний струм без застосування гальванічних елементів. Але особливо великий підйом в цій області почався після 1867 р., коли В. Сіменс замінив використовувані в індукційних машинах сталеві магніти електромагнітами, які живилися таким, що виробляється цими машинами струмом: саме у цьому полягає динамо електричний принцип [2].

Електродинаміка дала можливість встановити другу, незалежну від закону Кулона, систему заходів. Можна, наприклад, в якості одиниці сили струму вибрати такий струм, який, протікаючи в довгому провіднику на відстані одного сантиметра від другого такого ж провідника з таким же струмом, діє на одиницю довжини останнього з силою в одну дину. Ця електромагнітна одиниця така, що рівна їй сила струму впродовж одиниці часу дає конденсатору одиницю кількості електрики. Це з необхідністю привело до питання про відношення до електростатичної одиниці, визначеної законом Кулона. З відповідних формул побачили, що це відношення має розмірність швидкості. Його значення виміряв в 1852 р. Вільгельм Вебер з дивовижним результатом: це є швидкість світла, рівна 3*1010 см/сек. Джемс Клерк Максвелл перевірив цей результат в 1868 - 1869 рр. з вищою точністю, оскільки це мало важливе значення для електромагнітної теорії світла. Надалі визначення цього відношення було так вдосконалене, що і зараз вважається точним виміром швидкості світла. Вживані нині в техніці електричні одиниці - ампер, ом, вольт та ін. - були встановлені в 1881 р. Інтернаціональним конгресом в Парижі. У той час. через недостатнє передбачення розвитку техніки, не наважувалися прийняти електромагнітну одиницю сили струму як технічну одиницю, оскільки вона здавалася непрактично великою, і визначили ампер як 1/10 цієї одиниці.

Відкриття електродинаміки поставили теорію перед завданнями, які на відміну від усіх колишніх завдань не могли бути дозволені розглядом центральних сил, діючих між матеріальними точками і залежних тільки від відстані. Ампер і Франц Ернст Нейман і передусім Вільгельм Вебер розробили нову теорію. Основний закон Вебера (1846) охопив усе, що тоді знали про електрику, допущенням, що сила між двома зарядами залежить не лише від відстані, але також від швидкості і прискорення, що струми є зарядами, що рухаються. До 1890 р. закон Вебера грав велику роль в науці. Але усі ці теорії страждали тим недоліком, що вони допускали дальнодію. Оскільки була визнана кінцева швидкість поширення електричних дій, вони втрачали грунт. Вони свідчать ще сьогодні про те, який важкий був шлях пізнання в цій області, до яких великих змін усіх фізичних переконань він привів [4].

Ватажком в розробці правильного розуміння електричних і магнітних явищ був Михайло Фарадей. У 1837 р. він виявив вплив діелектриків на електростатичні явища; у 1846 і в подальші роки він показав загальну поширеність діамагнітних властивостей в природі, тоді як парамагнетизм є виключенням. Тоді ж у нього виникло представлення, що електричні і магнітні дії не безпосередньо йдуть від тіл до тіл, а переносяться через діелектрик, що лежить між ними, який стає місцем електричного або магнітного «поля», - це поняття також введене Фарадеєм. Вказане переконання розвивалося поступово в процесі його експериментів.

У 1879 р. Берлінська Академія поставила конкурсне завдання: експериментально довести вплив діелектрика на магнітну індукцію; у 1887 р. його вирішив Г. Герц за допомогою швидких коливань. Важливим результатом подібних роздумів стало також дослідження Конрада Рентгена в 1888 р. Він виявив, що магнітні дії електрично поляризованого діелектрика, що рухається, такі ж, як дії електричного струму. Це відповідає ідеї Фарадея. Можна називати встановлений ефект струмом Рентгена. Відкриття в 1888 р. електромагнітних хвиль Герцем поклало край усім сумнівам. З числа коливань і довжини хвиль він безпосередньо визначив швидкість їх поширення і знайшов її рівній швидкості світла.

Передісторія цього відкриття пов'язана з твором Гельмгольца «Про збереження сили». З різних спостережень над розрядами лейденських банок і особливо з незалежності породжуваного при цьому джоуля тепло від усіх особливостей дроту, що замикає контур, Гельмгольц зробив висновок про коливальний характер розряду. Так само у зв'язку з принципом збереження енергії Вільям Томсон (лорд Кельвін) дав в 1853 р. математичну теорію цього явища, до якої ми навряд чи що-небудь можемо додати. Беренд Вільгельм Феддерсен спостерігав з 1858 до 1862 р. ці коливання у вигляді розрядної іскри в дзеркалі, що оберталося. У 1870 р. Фрідріх Вільгельм Безольд явно виявив коливання в дротах, що проводили, з вільним кінцем і в ланцюзі резонатора з розімкненим іскровим проміжком. Але уперше в руках Герца подібні резонатори стали засобом дослідження хвиль в атмосфері, засобом доказу їх поляризації, віддзеркалення, заломлення, а також інтерференції; вони дали можливість також виміряти довжини хвиль і тим самим швидкість поширення [11].

Хвилі, з якими експериментував Герц, були сильно затухаючими. Якщо ми тепер можемо повторити його досліди з незгасаючими хвилями і, отже, з більшою точністю, то цим ми зобов'язані техніці. Але ця техніка пройшла важкий шлях до 1913 р. і пізніше, поки навчилися отримувати незгасаючі хвилі на основі принципу зворотного зв'язку, що було використано для бездротового телеграфу і інших подібних цілей.

На початку XX століття вчення про електрику і магнетизм здавалося досить завершеним, тим паче, що незадовго до цього атомістика внесла порядок і ясність в розуміння явищ розряду в розріджених газах. Проте саме в найістотнішій області цього вчення, в області електропровідності, було відкрито нове несподіване явище. У 1835 р. вимірами Е. X. Ленца було показано, що опір металів при охолодженні зменшується. Камерлинг-Оннес досліджував це явище при температурі 10° С, досягнутою в 1908 р. при зрідженні гелію. Він знайшов, що у металів, наприклад у золота, срібла міді, є деяке критичне значення опору, нижче якого воно не падає. Але в 1911 р. він виявив спочатку у ртуті, а потім у свинцю, олова і деяких інших металів раптове зникнення опору електричному струму, як тільки температура падала нижче критичної точки, характерної для цих тіл. Так була встановлена надпровідність. У 1914 р. Камерлинг-Оннес показав, що струм, циркулюючий в надпровідному кільці, не змінювався за величиною впродовж декількох днів без додатка якої-небудь електрорушійної сили. Нарешті, Камерлинг-Оннес знайшов також, що при постійній температурі надпровідність може бути зруйнована дією магнітного поля, після чого вступає у свої права закон Ома. Напруженість магнітного поля, при якому ще зберігається надпровідність, змінюється у міру пониження температури і у чистих металів може досягати декількох сотень гаусе [2].

Подальші дослідники додали до списку надпровідників ще декілька чистих металів, а також ряд сплавів і хімічних сполук. В. Гааз і його співробітники помітили, що критичне значення напруженості поля для надпровідного дроту залежить від напряму магнітного поля по відношенню до осі дроту. Пояснення цьому явищу дав в 1932 р. М. Лаує. Якщо помістити надпровідник в однорідне магнітне поле, то він деформує це поле, тому що силові лінії обходять його, як це показав на основі теорії Максвелла Габріель Ліппман. Але стискування силових ліній обумовлює посилення поля в певних точках поверхні; надпровідність руйнується, як тільки в якій-небудь точці досягається критичне значення поля. Це підтвердили в подальші роки виміру Гааза і його співробітників на надпровідниках різної форми.

Але все таки надпровідник не є провідником в сенсі теорії Максвелла. Не можна сказати, що він відрізняється від інших провідників тільки нескінченно великою провідністю. Тоді магнітне поле, проникаючи всередину провідника, повинне було б «вморожуватися» в нім при падінні температури нижче критичної точки. Але в 1933 р. виміри В. Мейснера і Р. Оксенфельда показали, що воно при цьому буде витіснено, причому не істотно, чи роблять раніше охолодження нижче критичної точки, а потім збуджують магнітне поле, або навпаки. Цей ефект Мейснера вимагає доповнення теорії Максвелла на абсолютно нових основах [4].

З питання про відношення електромагнітного поля до його зарядів погляди фізиків мінялися. Подібно до того як Ньютон і його послідовники розглядали гравітацію як причинно обумовлений результат дії мас, так кожен фізик спочатку розглядав електричні сили як результат дії зарядів. Фарадей і Максвелл висунули на передній план поняття поля, а заряди були зведені до свого роду сингулярних точок поля. Але відношення знову перекинулося, коли у зв'язку з електронною теорією на передній план виступили атомні носії електричних елементарних зарядів. Нам здається, що жодне з цих переконань не відповідає фактам. Заряди і поле настільки пов'язані один з одним, що одно не може існувати без іншого. Тому наука може з однаковим успіхом як приймати заряди за основу для пізнання поля, так і робити висновок про заряди зі змін електричних силових ліній. Це - логічні висновки; вони не мають справи з реальним відношенням причини і наслідку. Те ж, звичайно, відноситься до взаємин між полем тяжіння і його масами.

Новітні дослідження по магнетизму виходять за межі чистої електродинаміки. Згідно теорії Максвелла намагнічення пропорційно магнітному полю відповідно до дослідів, що відносяться до діамагнітним і слабо парамагнітних тіл. У залозі, нікелі, кобальті і деяких сплавах, в яких уперше був відкритий магнетизм, при зростаючій силі поля намагнічення досягає значення насичення, яке, звичайно, лежить далеко за межами намагнічення у інших речовин. Для твердих металів, як, наприклад, більшість сортів сталі, намагнічення взагалі значно менше залежить від сили поля, чим від попередньої обробки. Інакше не було б постійного магніту. Для подібних речовин в 1880 р. Еміль Варбург виявив явище, яке незалежно від нього відкрив в 1882 р. Джеймс Альфред Евінг і назвав його гістерезисом: у тому випадку, коли поле зростає від нуля, намагнічення відбувається інакше, ніж при його зменшенні до нуля. З намагніченням, пов'язана робота, яка в магніті перетворюється на теплоту. Ще більш вражаюче було відкриття Пьєра Кюрі. Він довів в 1895 р„ що діамагнетизм незалежний від температури, тоді як парамагнітна сприйнятливість, навпаки, зі збільшенням абсолютної температури зменшується обернено пропорційно до її. Що стосується феромагнетизму, то при характерній для речовини «температурі Кюрі» (для заліза вона дорівнює 774°С, для нікелю 372°С, для кобальту 1149°С) він переходить в нормальний парамагнетизм, що поступово зменшується із зростанням температури. Теоретичне пояснення різної поведінки діа- і парамагнітної речовини дав в 1905 р. Поль Ланжевен. Тоді як діамагнетизм ґрунтується на індукційній дії магнітного поля на електрони, що знаходяться в молекулі, парамагнетизм викликається елементарними магнітами, що вільно обертаються, з постійними моментами; поле примушує їх прийняти певний напрям усупереч дії теплового руху. У 1907 р. Пьєр Ернст Вейс розповсюдив статистичну термодинамічну теорію на феромагнетизм, створивши гіпотезу внутрішнього магнітного поля, напруженість якого характерна для тіла і для його намагнічення і яке разом з магнітним полем сприяє орієнтації елементарних магнітів. Якою б довільною не здавалася спочатку ця гіпотеза. Вейс був на правильному шляху; у 1927 р. Гейзенберг зміг звести внутрішнє поле за допомогою теорії квант до «спіна» електронів. Тим самим магнетизм подібно до електрики був зведений до первинних властивостей елементарних часток [3].

Від цієї теорії до кількісного розуміння властивостей феромагнетиків шлях, звичайно, далекий і він ще не цілком прокладений. Серед багатьох обставин при цьому грають роль, наприклад, кристалічна структура, пружна напруга і домішки.

Як показав Дебай в 1912 р.. теорія магнетизму Ланжевена без всяких обмовок може бути застосована до пояснення залежності від температури електричної сприйнятливості рідин і газів, молекули яких мають постійний електричний момент; електрична сприйнятливість також зменшується обернено пропорційно до абсолютної температури.

Висновки

Сучасний освітній процес закладу вищої освіти потребує удосконалення використання елементів історії природничої науки у навчанні фізики. Зміст та обсяг матеріалів з історії доцільно пропонувати в контексті навчальної теми, невеликими за обсягом частинами, які логічно доповнюють питання, що розглядаються. Систематичність використання елементів історії фізики підвищує якість навчання здобувачів освіти. Отже, студенти мали б можливість усвідомити і зрозуміти предмет фізики через призму особистісного ставлення до діяльності видатних фізиків оцінити соціальні сторони їх діяльності та вплив їх відкриттів на розвиток соціуму.

Література

1. Головко М. В. Використання матеріалів з історії вітчизняної науки при вивченні фізики та астрономії. Київ. ТОВ «Міжнар. фін. агенція». 1998. 93 с.

2. Лимарєва Ю. М. Курс «історія та методологія фізики» у педагогічному виші. Педагогічні науки: теорія, історія, інноваційні технології. 2015. № 6 (50). С. 227 - 232.

3. Садовий М. І. Історія фізики з перших етапів становлення до початку ХХІ століття. Навч. посіб. [для студ. ф.-м. фак. вищ. пед. навч. закл.]. Кіровоград. ПП «Ексклюзив-Систем». 2012. 415 с.

4. Шут М. І. Історія розвитку фізики в Україні як складова національно-патріотичного виховання. Наукові записки НПУ імені М. П. Драгоманова, випуск XIVIII (педагогічні та історичні науки). Київ. НПУ. 2002. Вип. 48. С. 58.

References

1. Holovko M. V.(1998. 93) Vykorystannia materialiv z istorii vitchyznianoi nauky pry vyvchenni fizyky ta astronomii. [The use of materials from the history of national science in the study of physics and astronomy.]. Kyiv. LLC «Mizhnar. Finn. Agency». [in Ukrainian].

2. Lymarieva Yu. M.( 2015). Kurs «istoriia ta metodolohiia fizyky» u pedahohichnomu vyshi. [Course "History and Methodology of Physics" at the pedagogical university.]. Pedagogical sciences: theory, history, innovative technologies. No. 6 (50). P. 227 - 232. [in Ukrainian].

3. Sadovyi M. I.( 2012. 415) Istoriia fizyky z pershykh etapiv stanovlennia do pochatku KhKhI stolittia. [ The history of physics from the first stages of development to the beginning of the XXI century] Education manual [for students f.-m. faculty higher ped. education app.]. KirovohradPE «Exclusive-System». [in Ukrainian].

4. Shut M. I.(2002) Istoriia rozvytku fizyky v Ukraini yak skladova natsionalno- patriotychnoho vykhovannia.[ The history of the development of physics in Ukraine as a component of national and patriotic education.]. Scientific notes of the NPU named after M.P. Drahomanov, issue XIVIII (pedagogical and historical sciences). Kyiv. NPU. Issue 48. P. 58. [in Ukrainian].

Размещено на Allbest.ru