Concetti di base della teoria del campo elettromagnetico. L'emergere e lo sviluppo della teoria del campo elettromagnetico. La legge dell'induzione di Faraday

In pratica, nella caratterizzazione dell'ambiente elettromagnetico, vengono utilizzati i termini "campo elettrico", "campo magnetico", "campo elettromagnetico". Spieghiamo brevemente cosa significa e quale connessione esiste tra di loro.

Il campo elettrico è creato dalle cariche. Ad esempio, in tutti i noti esperimenti scolastici sull'elettrificazione dell'ebanite, c'è solo un campo elettrico.

Un campo magnetico si crea quando le cariche elettriche si muovono attraverso un conduttore.

Per caratterizzare il valore campo elettrico viene utilizzato il concetto di intensità del campo elettrico, la designazione E, l'unità di misura è V / m (Volt per metro). Valore campo magnetico caratterizzato da intensità del campo magnetico H, unità A/m (ampere per metro). Quando si misurano frequenze ultrabasse ed estremamente basse, viene spesso utilizzato anche il concetto di induzione magnetica B, l'unità T (Tesla), un milionesimo di T corrisponde a 1,25 A / m.

Per definizione, un campo elettromagnetico è una forma speciale di materia attraverso la quale avviene un'interazione tra particelle caricate elettricamente. Le ragioni fisiche dell'esistenza di un campo elettromagnetico sono legate al fatto che un campo elettrico E variabile nel tempo genera un campo magnetico H, e un H variabile genera un campo elettrico a vortice: entrambe le componenti E e H, in continuo cambiamento, eccitano ciascuna Altro. L'EMF di particelle cariche stazionarie o in movimento uniforme è indissolubilmente legato a queste particelle. Con il movimento accelerato delle particelle cariche, l'EMF "si stacca" da esse ed esiste indipendentemente sotto forma di onde elettromagnetiche, non scomparendo con la rimozione della sorgente (ad esempio, le onde radio non scompaiono anche in assenza di corrente in l'antenna che li emette).

Le onde elettromagnetiche sono caratterizzate dalla loro lunghezza d'onda. Una sorgente che genera radiazione, e di fatto crea oscillazioni elettromagnetiche, è caratterizzata dalla frequenza.

La vita sulla Terra è nata, si è sviluppata e per molto tempo è andata avanti in condizioni di campi elettromagnetici (EMF) relativamente deboli creati da sorgenti naturali. Questi includono i campi elettrici e magnetici della Terra, le sorgenti cosmiche di onde radio (il Sole e altre stelle), i processi che si verificano nell'atmosfera terrestre, ad esempio le scariche dei fulmini, le fluttuazioni nella ionosfera. L'uomo è anche una fonte di deboli campi elettromagnetici. Come permanente fattore ambientale, questi campi sono di una certa importanza nella vita di tutti gli organismi, compreso l'uomo.

Tuttavia, negli ultimi 50-60 anni, un nuovo fattore significativo ambiente - campi elettromagnetici di origine antropica. Sono creati da 2 grandi gruppi di fonti artificiali:

Prodotti appositamente creati per l'emissione di energia elettromagnetica: emittenti radiotelevisive, impianti radar, dispositivi per fisioterapia, vari sistemi di comunicazione radio, impianti tecnologici nell'industria;

I campi elettromagnetici emessi da questi dispositivi, insieme ai campi naturali della Terra e dello Spazio, creano un ambiente elettromagnetico complesso e variabile. Di conseguenza, la forza totale dei campi elettromagnetici in vari punti della superficie terrestre è aumentata di 100-10.000 volte rispetto allo sfondo naturale. È aumentato in modo particolarmente forte vicino a linee elettriche, stazioni radio e televisive, radar e impianti di comunicazione radio, varie installazioni ad alta intensità energetica e energetica e trasporti elettrici urbani. Sulla scala del progresso evolutivo, questo colossale aumento dell'intensità dei campi elettromagnetici può essere visto come un salto una tantum con conseguenze biologiche scarsamente prevedibili.

Sostanza e campo- concetti fisici fondamentali che denotano due tipi principali di materia a livello macroscopico:

Sostanza - un insieme di formazioni discrete che hanno una massa a riposo (atomi, molecole e ciò che è costruito da esse);

campo - un tipo di materia caratterizzato da continuità e con massa a riposo nulla (campo elettromagnetico e campo gravitazionale - gravitazionale). La scoperta del campo come tipo di materia ha avuto un grande significato filosofico, poiché ha rivelato l'incoerenza dell'identificazione metafisica della materia con la materia. Lo sviluppo di Lenin della definizione dialettica-materialistica della materia si basava in gran parte su una generalizzazione filosofica dello sviluppo della dottrina del campo. A livello subatomico (cioè a livello di particelle elementari), la differenza tra materia e campo diventa relativa. I campi (elettromagnetici e gravitazionali) perdono il loro carattere puramente continuo: devono corrispondere a formazioni discrete - quanti (fotoni e gravitoni). MA particelle elementari, di cui è costituita la materia - protoni, neutroni, elettroni, mesoni, ecc. - agiscono come quanti del corrispondente nucleone, mesone e altri campi e perdono il loro carattere puramente discreto. È illegale a livello subatomico distinguere tra materia e campo in base alla presenza o assenza di una massa a riposo, poiché i campi di nucleone, mesone, ecc. hanno una massa a riposo. Nella fisica moderna, i campi e le particelle agiscono come due lati inestricabilmente legati del microcosmo, come espressione dell'unità delle proprietà corpuscolari (discrete) e ondulatorie (continue, continue) dei microoggetti. Le idee sul campo fungono anche da base per spiegare i processi di interazione, incarnando il principio dell'azione a corto raggio.

Principali caratteristiche della materia e del campo

1. Materia e campo differiscono nella massa a riposo

Le particelle di materia hanno una massa a riposo, i campi elettromagnetici e gravitazionali no. Tuttavia, nel microcosmo ogni campo è associato a una particella (un quanto di questo campo) e ogni particella è considerata come un quanto del campo corrispondente. Per i campi nucleari (mesone, nucleone, ecc.) questa differenza non è più valida: i quanti di questi campi hanno una massa a riposo finita.

2. Sostanza e campo differiscono nelle leggi del moto

La velocità di propagazione dei campi elettromagnetici e gravitazionali è sempre uguale alla velocità della luce nel vuoto (c), e la velocità di movimento delle particelle di materia è sempre inferiore a c. Tuttavia, la presenza di campi nucleari elimina anche questo confine. Per i quanti di questi campi è proprio l'impossibilità di muoversi ad una velocità pari a c ad essere caratteristica.

3. La sostanza e il campo differiscono nel grado di permeabilità

La sostanza è poco permeabile, i campi elettromagnetici e gravitazionali sono viceversa.

A livello del microcosmo, anche questo confine scomparirà. Per particelle come i neutrini, la materia è molto permeabile, d'altra parte, i campi nucleari possono avere una permeabilità molto bassa.

4. Materia e campo differiscono per il grado di concentrazione di massa ed energia

Molto grandi - per particelle di materia e molto piccoli - per campi elettromagnetici e gravitazionali. Nel microcosmo, anche questa distinzione viene cancellata. I campi nucleari hanno un'enorme concentrazione di massa ed energia, e anche i quanti del campo elettromagnetico possono raggiungere concentrazioni di energia molto superiori a quelle delle particelle di materia.

5. La sostanza e il campo differiscono in quanto entità corpuscolari e ondulatorie

Questa differenza scompare a livello di microprocessi. Le particelle di materia hanno proprietà ondulatorie e il campo elettromagnetico, che è continuo nei processi macroscopici, rivela il suo aspetto corpuscolare a livello del microcosmo.

Conclusione generale:

La differenza tra materia e campo caratterizza correttamente il mondo reale nell'approssimazione macroscopica. Questa differenza non è assoluta, e nel passaggio ai micro-oggetti la sua relatività si rivela chiaramente. Nel micromondo, i concetti di "particelle" (sostanza) e "onde" (campi) agiscono come caratteristiche aggiuntive che esprimono l'essenza internamente contraddittoria dei micro-oggetti.

Come risultato dello studio di questo capitolo, lo studente dovrebbe:

sapere

• fondamenti empirici e teorici della teoria del campo elettromagnetico;
• la storia della creazione della teoria del campo elettromagnetico, la storia della scoperta della pressione della luce e delle onde elettromagnetiche;
• essenza fisica delle equazioni di Maxwell (in forma integrale e differenziale);
• le fasi principali della biografia di J. K. Maxwell;
• le principali direzioni nello sviluppo dell'elettrodinamica dopo J.K. Maxwell;
• successi di J.K. Maxwell in fisica molecolare e termodinamica;

essere in grado di

• valutare il ruolo di Maxwell nello sviluppo della teoria dell'elettricità e del magnetismo, il significato fondamentale delle equazioni di Maxwell, il posto del libro "Trattato sull'elettricità e il magnetismo" nella storia della scienza, gli esperimenti storici di G. Hertz e P. N. Lebedev;
• discutere le biografie dei principali scienziati che lavorano nel campo dell'elettromagnetismo;

possedere

Capacità di operare con i concetti di base della teoria del campo elettromagnetico.

Parole chiave: campo elettromagnetico, equazioni di Maxwell, onde elettromagnetiche, pressione della luce.

Le scoperte di Faraday hanno rivoluzionato la scienza dell'elettricità. Con il suo mano leggera l'elettricità iniziò a guadagnare nuove posizioni nella tecnologia. Hai guadagnato un telegrafo elettromagnetico. Nei primi anni '70. 19esimo secolo collegava già l'Europa con gli Stati Uniti, l'India e il Sud America, apparvero i primi generatori di corrente elettrica e motori elettrici, l'elettricità iniziò ad essere ampiamente utilizzata in chimica. I processi elettromagnetici hanno invaso la scienza sempre più a fondo. È giunta un'era in cui l'immagine elettromagnetica del mondo era pronta a sostituire quella meccanica. Avevamo bisogno di un uomo di genio che potesse, come Newton ai suoi tempi, combinare i fatti e le conoscenze accumulate a quel tempo e, sulla base di esse, creare una nuova teoria che descrivesse le basi del nuovo mondo. J.K. Maxwell è diventata una persona del genere.

James impiegato Maxwell(Fig. 10.1) nacque nel 1831. Suo padre, John Clerk Maxwell, era chiaramente un uomo eccezionale. Avvocato di professione, dedicò tuttavia molto tempo ad altre cose per lui più interessanti: viaggiò, disegnò automobili, organizzò esperimenti fisici e pubblicò anche diversi articoli scientifici. Quando Maxwell aveva 10 anni, suo padre lo mandò a studiare all'Accademia di Edimburgo, dove rimase per sei anni, fino all'ingresso all'università. All'età di 14 anni Maxwell scrisse il primo articolo scientifico sulla geometria delle curve ovali. Suo riepilogoè stato pubblicato in Proceedings of the Royal Society of Edinburgh, 1846.

Nel 1847 Maxwell entrò all'Università di Edimburgo, dove iniziò a studiare a fondo la matematica. In questo momento, altri due lavori scientifici di uno studente dotato furono pubblicati negli Atti della Royal Society di Edimburgo. Il contenuto di uno di essi (sulle curve di rotolamento) è stato presentato alla società dal professor Kelland, l'altro (sulle proprietà elastiche dei solidi) è stato presentato per la prima volta dall'autore stesso.

Nel 1850, Maxwell continuò la sua formazione a Peterhouse - St. Peter's College, Cambridge University, e da lì si trasferì all'Holy Trinity College - Trinity College, che diede al mondo I. Newton, e successivamente V. V. Nabokov, B. Russell e altri. Nel 1854 il signor Maxwell supera l'esame e ottiene una laurea. Poi è stato lasciato al Trinity College come insegnante. Tuttavia, era più interessato ai problemi scientifici. A Cambridge, Maxwell iniziò a studiare il colore e la visione dei colori. Nel 1852 giunse alla conclusione che la miscelazione dei colori spettrali non coincide con la miscelazione dei colori. Maxwell sviluppa la teoria della visione dei colori, progetta un top a colori (Fig. 10.2).

Riso. 10.1.

Riso. 10.2.

Oltre ai suoi vecchi hobby - problemi di geometria e colore, Maxwell si interessò all'elettricità. Nel 1854, il 20 febbraio, scrisse una lettera da Cambridge a W. Thomson a Glasgow. Ecco l'inizio di quella famosa lettera:

"Caro Thomson! Ora che sono entrato nell'empia classe universitaria, ho cominciato a pensare alla lettura. A volte è molto piacevole trovarsi tra libri meritatamente riconosciuti che non ho ancora letto, ma che devo leggere. Ma abbiamo un forte desiderio di tornare alle cose fisiche e alcuni di noi qui vogliono attaccare l'elettricità".

Dopo aver completato il corso, Maxwell divenne membro del Trinity College, Università di Cambridge, e nel 1855 divenne membro della Royal Society of Edinburgh. Tuttavia, lasciò presto Cambridge e tornò nella sua nativa Scozia. Il professor Forbes lo informò che un posto vacante per professore di fisica era stato aperto ad Aberdeen, al Marishall College, e lui aveva tutte le possibilità di riempirlo. Maxwell accettò l'offerta e nell'aprile 1856 (all'età di 24 anni!) assunse una nuova posizione. Ad Aberdeen, Maxwell ha continuato a lavorare sui problemi dell'elettrodinamica. Nel 1857 inviò a M. Faraday la sua opera "Sulle linee di forza di Faraday".

Tra gli altri lavori di Maxwell ad Aberdeen, il suo lavoro sulla stabilità degli anelli di Saturno era ampiamente noto. Dallo studio della meccanica degli anelli di Saturno è stato del tutto naturale passare alla considerazione dei moti delle molecole di gas. Nel 1859 Maxwell parlò a una riunione della British Association for the Advancement of Sciences con un rapporto "Sulla teoria dinamica dei gas". Questa relazione segnò l'inizio della sua fruttuosa ricerca nel campo della teoria cinetica dei gas e della fisica statistica.

Nel 1860 Maxwell accettò un invito dal King's College di Londra e vi lavorò come professore per cinque anni. Non era un brillante conferenziere e non amava particolarmente fare lezione. Pertanto, l'interruzione dell'insegnamento che ne seguì fu per lui più desiderabile che fastidiosa e gli permise di immergersi completamente nella risoluzione di affascinanti problemi di fisica teorica.

Secondo A. Einstein, Faraday e Maxwell hanno svolto nella scienza dell'elettricità gli stessi ruoli che Galileo e Newton hanno svolto nella meccanica. Proprio come Newton diede agli effetti meccanici scoperti da Galileo una forma matematica e una giustificazione fisica, così Maxwell fece lo stesso riguardo alle scoperte di Faraday. Maxwell ha dato alle idee di Faraday una forma matematica rigorosa, ha introdotto il termine "campo elettromagnetico" e ha formulato leggi matematiche che descrivono questo campo. Galileo e Newton gettarono le basi per l'immagine meccanica del mondo, Faraday e Maxwell per quella elettromagnetica.

Maxwell iniziò a pensare alle sue idee sull'elettromagnetismo nel 1857, quando fu scritto il già citato articolo "Sulle linee di forza di Faraday". Qui fa ampio uso di analogie idrodinamiche e meccaniche. Ciò ha permesso a Maxwell di applicare l'apparato matematico del matematico irlandese W. Hamilton e di esprimere così le relazioni elettrodinamiche in linguaggio matematico. In futuro, le analogie idrodinamiche saranno sostituite dai metodi della teoria dell'elasticità: i concetti di deformazione, pressione, vortici, ecc. Sulla base di ciò, Maxwell arriva alle equazioni di campo, che in questa fase non sono ancora state ridotte sistema unificato. Indagando sui dielettrici, Maxwell esprime l'idea di "corrente di spostamento", nonché, ancora vagamente, l'idea della connessione tra la luce e il campo elettromagnetico ("stato elettrotonico") nella formulazione di Faraday che Maxwell utilizzò poi .

Queste idee sono esposte negli articoli "Sulle linee fisiche delle forze" (1861-1862). Furono scritti durante il periodo londinese più prolifico (1860-1865). Allo stesso tempo, furono pubblicati i famosi articoli di Maxwell "Dynamic Theory of the Electromagnetic Field" (1864-1865), in cui venivano espressi pensieri sulla natura unificata delle onde elettromagnetiche.

Dal 1866 al 1871 Maxwell visse nella tenuta di famiglia, Middleby, partendo occasionalmente per gli esami a Cambridge. Essendo impegnato in affari economici, Maxwell non lasciò gli studi scientifici. Ha lavorato duramente sull'opera principale della sua vita, "Trattato sull'elettricità e sul magnetismo", ha scritto il libro "Teoria del calore", una serie di articoli sulla teoria cinetica dei gas.

Nel 1871 c'era evento significativo. A spese dei discendenti di G. Cavendish, fu istituito a Cambridge il Dipartimento di Fisica Sperimentale e iniziò la costruzione dell'edificio del laboratorio sperimentale, che nella storia della fisica è noto come Cavendish Laboratory (Fig. 10.3). Maxwell è stato invitato a diventare il primo professore del dipartimento e capo del laboratorio. Nell'ottobre 1871 tenne una conferenza inaugurale sulle tendenze e il significato della ricerca sperimentale nell'istruzione universitaria. Questa conferenza è diventata un programma per insegnare la fisica sperimentale per molti anni a venire. Il 16 giugno 1874 fu aperto il Cavendish Laboratory.

Da allora, il laboratorio è diventato per molti decenni il centro della scienza fisica mondiale, ed è lo stesso ora. Per più di cento anni, migliaia di scienziati l'hanno attraversata, tra cui molti di coloro che hanno fatto la gloria della scienza fisica mondiale. Dopo Maxwell, il Cavendish Laboratory era diretto da molti scienziati eccezionali: JJ Thomson, E. Rutherford, L. Bragg, N. F. Mott, AB Pippard e altri.

Riso. 10.3.

Dopo l'uscita del "Trattato sull'elettricità e sul magnetismo", in cui è stata formulata la teoria del campo elettromagnetico, Maxwell decide di scrivere il libro "Electricity in an Elementary Presentation" per rendere popolare e diffondere le sue idee. Maxwell ha lavorato al libro, ma la sua salute stava peggiorando. Morì il 5 novembre 1879, senza assistere al trionfo della sua teoria.

Soffermiamoci sull'eredità creativa dello scienziato. Maxwell ha lasciato un segno profondo in tutte le aree della scienza fisica. Non senza ragione un'intera serie teorie fisiche portare il suo nome. Ha proposto un paradosso termodinamico che ha perseguitato i fisici per molti anni: il "demone di Maxwell". Nella teoria cinetica introdusse i concetti noti come: "distribuzione di Maxwell" e "statistica di Maxwell-Boltzmann". Scrisse anche un elegante studio sulla stabilità degli anelli di Saturno. Inoltre, Maxwell ha creato molti piccoli capolavori scientifici in un'ampia varietà di campi: dall'implementazione della prima fotografia a colori al mondo allo sviluppo di un metodo per rimuovere radicalmente le macchie di grasso dai vestiti.

Passiamo alla discussione teoria del campo elettromagnetico- quintessenza creatività scientifica Maxwell.

È interessante notare che James Clerk Maxwell è nato lo stesso anno in cui Michael Faraday ha scoperto il fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Maxwell fu particolarmente colpito dal libro di Faraday Experimental Investigations in Electricity.

Ai tempi di Maxwell esistevano due teorie alternative sull'elettricità: la teoria delle "linee di forza" di Faraday e la teoria sviluppata dagli scienziati francesi Coulomb, Ampère, Biot, Savart, Arago e Laplace. La posizione iniziale di quest'ultimo è l'idea dell'azione a lungo raggio: il trasferimento istantaneo dell'interazione da un corpo all'altro senza l'aiuto di alcun mezzo intermedio. Pensando realisticamente, Faraday non poteva riconciliarsi con una tale teoria. Era assolutamente convinto che "la materia non può agire dove non esiste". Il mezzo attraverso il quale viene trasmessa l'azione, Faraday chiamava il "campo". Il campo, secondo lui, era permeato di "linee di forza" magnetiche ed elettriche.

Nel 1857 l'articolo di Maxwell "Sulle linee di forza di Faraday" apparve negli Atti della Cambridge Philosophical Society. Conteneva l'intero programma di ricerca sull'elettricità. Si noti che le equazioni di Maxwell sono già state scritte in questo articolo, ma finora senza una corrente di polarizzazione. L'articolo "Sulle linee di forza di Faraday" richiedeva la continuazione. Le analogie elettroidrauliche hanno dato molto. Con il loro aiuto sono state scritte utili equazioni differenziali. Ma non tutto potrebbe essere subordinato ad analogie elettroidrauliche. La legge più importante dell'induzione elettromagnetica non rientrava nel loro quadro. Era necessario escogitare un nuovo meccanismo ausiliario che facilitasse la comprensione del processo, riflettendo sia il movimento traslatorio delle correnti che la natura rotazionale e vorticosa del campo magnetico.

Maxwell ha proposto un mezzo speciale in cui i vortici sono così piccoli da adattarsi all'interno delle molecole. I "vortici molecolari" rotanti producono un campo magnetico. La direzione degli assi dei vortici delle molecole coincide con le loro linee di forza e loro stessi possono essere rappresentati come sottili cilindri rotanti. Ma le parti esterne e toccanti dei vortici devono entrare direzioni opposte, cioè. impedire il movimento reciproco. Come possono due ingranaggi adiacenti ruotare nella stessa direzione? Maxwell ha suggerito che tra le file di vortici molecolari sia posizionato uno strato di minuscole particelle sferiche ("ruote folli") in grado di ruotare. Ora i vortici potrebbero ruotare nella stessa direzione e interagire tra loro.

Maxwell iniziò anche a studiare il comportamento del suo modello meccanico nel caso di conduttori e dielettrici e giunse alla conclusione che i fenomeni elettrici possono verificarsi anche in un mezzo che impedisce il passaggio di corrente, in un dielettrico. Supponiamo che le "ruote folli" non possano avanzare in questi mezzi sotto l'azione di un campo elettrico, ma quando il campo elettrico viene applicato e rimosso, vengono spostate dalle loro posizioni. Ci è voluto un grande coraggio scientifico a Maxwell per identificare questo spostamento di cariche legate con la corrente elettrica. Dopotutto, questa corrente - corrente di polarizzazione- nessuno ha ancora guardato. Dopodiché, Maxwell ha dovuto inevitabilmente fare il passo successivo: riconoscere dietro questa corrente la capacità di creare il proprio campo magnetico.

Pertanto, il modello meccanico di Maxwell ha permesso di trarre la seguente conclusione: un cambiamento nel campo elettrico porta alla comparsa di un campo magnetico, ad es. al fenomeno opposto a Faraday, quando una variazione del campo magnetico porta alla comparsa di un campo elettrico.

Il prossimo articolo di Maxwell sull'elettricità e il magnetismo è "On Physical Lines of Force". I fenomeni elettrici richiedevano un etere duro come l'acciaio per la loro spiegazione. Maxwell si ritrovò inaspettatamente nel ruolo di O. Fresnel, costretto ad "inventare" il proprio etere "ottico" per spiegare i fenomeni di polarizzazione, duro come l'acciaio e permeabile come l'aria. Maxwell nota la somiglianza di due media: "luminifero" ed "elettrico". Si sta gradualmente avvicinando alla sua grande scoperta della "natura unica" della luce e delle onde elettromagnetiche.

Nel prossimo articolo - "Teoria dinamica del campo elettromagnetico" - Maxwell ha usato per la prima volta il termine "campo elettromagnetico". “La teoria che propongo può essere chiamata teoria del campo elettromagnetico, perché si occupa dello spazio che circonda i corpi elettrici o magnetici, e può anche essere chiamata teoria dinamica, poiché ammette che in questo spazio c'è materia situata in movimento, per mezzo del quale si producono i fenomeni elettromagnetici osservati.

Quando Maxwell dedusse le sue equazioni nella Teoria dinamica del campo elettromagnetico, una di esse sembrava indicare esattamente di cosa stava parlando Faraday: le influenze magnetiche si propagavano realmente sotto forma di onde trasversali. Maxwell non si accorse quindi che dalle sue equazioni segue altro: insieme all'azione magnetica, un disturbo elettrico si propaga in tutte le direzioni. Un'onda elettromagnetica nel senso pieno della parola, comprendente sia perturbazioni elettriche che magnetiche, apparve in Maxwell più tardi, già in Middleby, nel 1868, nell'articolo “Sul metodo del confronto diretto della forza elettrostatica con la forza elettromagnetica con un nota sulla teoria elettromagnetica della luce”.

A Middleby, Maxwell completò l'opera principale della sua vita: "A Treatise on Electricity and Magnetism", pubblicata per la prima volta nel 1873 e successivamente ristampata più volte. Il contenuto di questo libro, ovviamente, era principalmente articoli sull'elettromagnetismo. Nel "Trattato" vengono fornite sistematicamente le basi del calcolo vettoriale. Poi ci sono quattro parti: elettrostatica, elettrocinematica, magnetismo, elettromagnetismo.

Si noti che il metodo di ricerca di Maxwell differisce nettamente dai metodi di altri ricercatori. Non solo ogni grandezza matematica, ma anche ogni operazione matematica è dotata di un profondo significato fisico. Allo stesso tempo, ad ogni grandezza fisica corrisponde una chiara caratteristica matematica. Uno dei capitoli del "Trattato" è intitolato "Equazioni di base del campo elettromagnetico". Ecco le equazioni di base del campo elettromagnetico di questo Trattato. Quindi, con l'aiuto del calcolo vettoriale, Maxwell fece più semplicemente quello che aveva fatto in precedenza con l'aiuto di modelli meccanici: derivò le equazioni del campo elettromagnetico.

Consideriamo il significato fisico delle equazioni di Maxwell. La prima equazione dice che le sorgenti del campo magnetico sono le correnti e un campo elettrico che cambia nel tempo. La brillante congettura di Maxwell è stata la sua introduzione di un concetto fondamentalmente nuovo - corrente di spostamento - come termine separato nella legge di Ampère - Maxwell generalizzata:

dove H- vettore dell'intensità del campo magnetico; jè il vettore della densità di corrente elettrica, a cui è stata aggiunta da Maxwell la corrente di spostamento; D- vettore di induzione elettrica; c è una costante.

Questa equazione esprime l'induzione magnetoelettrica, scoperta da Maxwell e basata sui concetti di correnti di spostamento.

Un'altra idea che ha immediatamente ottenuto il riconoscimento di Maxwell è stata l'idea di Faraday della natura dell'induzione elettromagnetica: il verificarsi di una corrente induttiva in un circuito, il numero di linee di forza magnetiche in cui cambia a causa del moto relativo del circuito e del magnete o a causa di una variazione del campo magnetico. Maxwell ha scritto la seguente equazione:

dove Yo- vettore dell'intensità del campo elettrico; A- secolo-

toro dell'intensità del campo magnetico e, rispettivamente: - -

variazione del campo magnetico nel tempo, s - una certa costante.

Questa equazione riflette la legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica.

Un'altra cosa da tenere in considerazione proprietà importante vettori di induzioni elettriche e magnetiche Yo e B. Mentre le linee di forza elettriche iniziano e finiscono sulle cariche che sono le sorgenti del campo, le linee di forza del campo magnetico sono chiuse su se stesse.

In matematica, per denotare le caratteristiche di un campo vettoriale, viene utilizzato l'operatore di "divergenza" (differenziazione del flusso di campo) - div. Usando questo, Maxwell aggiunge alle due equazioni esistenti altre due:

dove p è la densità delle cariche elettriche.

La terza equazione di Maxwell esprime la legge di conservazione della quantità di elettricità, la quarta - la natura vorticosa del campo magnetico (o l'assenza di cariche magnetiche in natura).

I vettori dell'induzione elettrica e magnetica e i vettori dei campi elettrici e magnetici inclusi nelle equazioni considerate sono collegati da semplici relazioni e possono essere scritti nella forma delle seguenti equazioni:

dove e è la costante dielettrica; p è la permeabilità magnetica del mezzo.

Inoltre, è possibile scrivere un'altra relazione che mette in relazione il vettore di intensità Yo e conducibilità specifica a:

Per rappresentare il sistema completo delle equazioni di Maxwell, è anche necessario annotare le condizioni al contorno. Queste condizioni devono essere soddisfatte dal campo elettromagnetico all'interfaccia tra due mezzi.

dove di- densità superficiale delle cariche elettriche; i è la densità di corrente di conduzione superficiale all'interfaccia considerata. Nel caso particolare in cui non vi siano correnti superficiali, l'ultima condizione si trasforma in:

J. Maxwell giunge così alla definizione del campo elettromagnetico come un tipo di materia, esprimendo tutte le sue manifestazioni sotto forma di un sistema di equazioni. Si noti che Maxwell non ha utilizzato la notazione vettoriale e ha scritto le sue equazioni in una forma di componenti piuttosto ingombrante. La forma moderna delle equazioni di Maxwell apparve intorno al 1884 dopo il lavoro di O. Heaviside e G. Hertz.

Le equazioni di Maxwell sono una delle più grandi conquiste non solo della fisica, ma della civiltà in generale. Uniscono la rigida logica caratteristica delle scienze naturali, la bellezza e la proporzione che contraddistinguono l'arte e scienze umanitarie. Le equazioni con la massima precisione possibile riflettono l'essenza fenomeni naturali. Il potenziale delle equazioni di Maxwell è lungi dall'essere esaurito; sulla base, tutti i nuovi lavori, le spiegazioni ultime scoperte in vari campi della fisica - dalla superconduttività all'astrofisica. Il sistema di equazioni di Maxwell è la base della fisica moderna e finora non esiste un singolo fatto sperimentale che contraddica queste equazioni. La conoscenza delle equazioni di Maxwell, almeno della loro essenza fisica, è obbligatoria per chiunque persona istruita non solo fisica.

Le equazioni di Maxwell furono i precursori di una nuova fisica non classica. Sebbene lo stesso Maxwell, secondo le sue convinzioni scientifiche, fosse una persona “classica” fino al midollo, le equazioni da lui scritte appartenevano a una scienza diversa, diversa da quella che era nota e vicina allo scienziato. Ciò è evidenziato almeno dal fatto che le equazioni di Maxwell non sono invarianti rispetto alle trasformazioni galileiane, ma sono invarianti rispetto alle trasformazioni di Lorentz, che, a loro volta, sono alla base della fisica relativistica.

Sulla base delle equazioni ottenute, Maxwell risolve problemi specifici: determina i coefficienti di permeabilità elettrica di alcuni dielettrici, calcola i coefficienti di autoinduzione, mutua induzione delle bobine, ecc.

Le equazioni di Maxwell ci consentono di trarre una serie di importanti conclusioni. Forse il principale lo è l'esistenza di onde elettromagnetiche trasversali che si propagano ad una velocità c.

Maxwell ha scoperto che il numero sconosciuto c si è rivelato approssimativamente uguale al rapporto tra le unità di carica elettromagnetiche ed elettrostatiche, che è di circa 300.000 chilometri al secondo. Convinto dell'universalità delle sue equazioni, mostra che "la luce è un disturbo elettromagnetico". Il riconoscimento della velocità finita, seppur elevatissima, di propagazione del campo elettromagnetico della pietra su pietra non ha lasciato alle teorie i sostenitori dell'"azione istantanea a lungo raggio".

La conseguenza più importante della teoria elettromagnetica della luce fu la predizione di Maxwell leggera pressione. Riuscì a calcolarlo nel caso in cui il tempo fosse sereno luce del sole, assorbito dall'aereo in uno metro quadro, fornisce 123,1 chilogrammi di energia al secondo. Ciò significa che preme su questa superficie nella direzione della sua caduta con una forza di 0,41 milligrammi. Pertanto, la teoria di Maxwell si rafforzò o crollò a seconda dei risultati di esperimenti non ancora eseguiti. Esistono onde elettromagnetiche in natura con proprietà simili alla luce? C'è una leggera pressione? Già dopo la morte di Maxwell, Heinrich Hertz ha risposto alla prima domanda e Pyotr Nikolaevich Lebedev ha risposto alla seconda.

J.K. Maxwell è una figura gigante nella scienza fisica e come persona. Maxwell vivrà nella memoria delle persone finché esisterà l'umanità. Il nome di Maxwell è immortalato nel nome di un cratere sulla Luna. Le montagne più alte di Venere prendono il nome dal grande scienziato (le montagne di Maxwell). Si alzano di 11,5 km sopra il livello medio della superficie. Inoltre, il suo nome è il telescopio più grande del mondo in grado di operare nella gamma submillimetrica (0,3-2 mm), il telescopio che porta il nome. JC Maxwell (JCMT). Si trova nelle Isole Hawaii (USA), negli altopiani di Mauna Kea (4200 m). Lo specchio principale di 15 metri del JCMT è costituito da 276 singoli pezzi di alluminio, strettamente collegati tra loro. Telescopio Maxwell utilizzato per studiare sistema solare, polvere e gas interstellari, nonché galassie lontane.

Dopo Maxwell, l'elettrodinamica è diventata fondamentalmente diversa. Come si è sviluppata? Notiamo la direzione più importante dello sviluppo: la conferma sperimentale delle principali disposizioni della teoria. Ma la teoria stessa richiedeva anche qualche interpretazione. A questo proposito, è necessario notare i meriti dello scienziato russo Nikolai Alekseevich Umov, che ha diretto il Dipartimento di Fisica dell'Università di Mosca dal 1896 al 1911.

Nikolai Alekseevich Umov (1846-1915) - Fisico russo, nato a Simbirsk (ora Ulyanovsk), laureato all'Università di Mosca. Insegnò all'Università di Novorossijsk (Odessa), e poi all'Università di Mosca, dove dal 1896, dopo la morte di A. G. Stoletov, diresse il Dipartimento di Fisica.

Le opere di Umov sono dedicate a vari problemi di fisica. La principale è stata la creazione della dottrina del movimento dell'energia (il vettore Umov), che ha delineato nel 1874 nella sua tesi di dottorato. Umov era dotato di un'elevata responsabilità civica. Insieme ad altri professori (V. I. Vernadsky, K. A. Timiryazev,

N. D. Zelinsky, P. N. Lebedev), lasciò l'Università di Mosca nel 1911 per protestare contro le azioni del reazionario ministro dell'Istruzione L. A. Kasso.

Umov era un attivo propagandista della scienza, divulgatore della conoscenza scientifica. Quasi il primo dei fisici, si rese conto della necessità di una ricerca seria e mirata sui metodi di insegnamento della fisica. La maggior parte degli studiosi metodisti della vecchia generazione sono suoi studenti e seguaci.

Il merito principale di Umov - sviluppo della dottrina del movimento dell'energia. Nel 1874 ottenne un'espressione generale per il vettore di densità del flusso di energia applicato ai mezzi elastici e ai fluidi viscosi (il vettore di Umov). Dopo 11 anni, uno scienziato inglese John Henry Poynting(1852-1914) fece lo stesso per il flusso di energia elettromagnetica. Così, nella teoria dell'elettromagnetismo, il noto vettore Umov - Puntare.

Poynting fu uno di quegli scienziati che accettarono immediatamente la teoria di Maxwell. Non si può dire che ci fossero molti di questi scienziati, cosa che lo stesso Maxwell capiva. La teoria di Maxwell non fu immediatamente compresa nemmeno nel Laboratorio Cavendish. Tuttavia, con l'avvento della teoria dell'elettromagnetismo, la conoscenza della natura è salita a un livello qualitativamente diverso, che, come sempre accade, ci allontana sempre più dalle rappresentazioni sensoriali dirette. Questo è un normale processo naturale che accompagna l'intero sviluppo della fisica. La storia della fisica fornisce molti di questi esempi. Basti ricordare le disposizioni della meccanica quantistica, teoria speciale relatività, altre teorie moderne. Quindi il campo elettromagnetico ai tempi di Maxwell era difficilmente accessibile alla comprensione delle persone, compresa la comunità scientifica, e ancor più non accessibile alla loro percezione sensoriale. Tuttavia, dopo il lavoro sperimentale di Hertz, sono emerse idee sulla creazione di comunicazioni wireless utilizzando le onde elettromagnetiche, che sono culminate nell'invenzione della radio. Pertanto, l'emergere e lo sviluppo della tecnologia di comunicazione radio ha trasformato il campo elettromagnetico in un concetto noto e familiare a tutti.

Il ruolo decisivo nella vittoria della teoria del campo elettromagnetico di Maxwell è stato giocato da fisico tedesco Heinrich Rudolf Hertz. L'interesse di Hertz per l'elettrodinamica è stato stimolato da G. L. Helmholtz, che, ritenendo necessario "ordinare" quest'area della fisica, ha suggerito che Hertz dovrebbe studiare i processi nei circuiti elettrici aperti. All'inizio, Hertz abbandonò l'argomento, ma poi, mentre lavorava a Karlsruhe, scoprì lì dispositivi che potevano essere utilizzati per tali studi. Questo predeterminò la sua scelta, soprattutto perché lo stesso Hertz, conoscendo bene la teoria di Maxwell, era completamente preparato per tali studi.

Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) - Fisico tedesco, nacque nel 1857 ad Amburgo nella famiglia di un avvocato. Ha studiato all'Università di Monaco e poi - a Berlino con G. Helmholtz. Dal 1885 Hertz lavora presso la Technische Hochschule di Karlsruhe, dove iniziò la sua ricerca, che portò alla scoperta delle onde elettromagnetiche. Continuarono nel 1890 a Bonn, dove si trasferì Hertz, sostituendo R. Clausius come professore di fisica sperimentale. Qui continua a studiare elettrodinamica, ma gradualmente i suoi interessi si spostano verso la meccanica. Hertz morì il 1 gennaio 1894 nel pieno del suo talento all'età di 36 anni.

All'inizio del lavoro di Hertz, le oscillazioni elettriche erano già state studiate in dettaglio. William Thomson (Lord Kelvin) ha ricevuto un'espressione che ora è nota a tutti gli scolari:

dove T- periodo di oscillazioni elettriche; MA- induttanza, che Thomson ha chiamato la "capacità elettrodinamica" del conduttore; C è la capacità del condensatore. La formula è stata confermata negli esperimenti Berend Wilhelm Feddersen(1832-1918), che studiò le oscillazioni della scarica di scintille di un vaso di Leida.

Nell'articolo "Sulle oscillazioni elettriche molto veloci" (1887), Hertz fornisce una descrizione dei suoi esperimenti. La Figura 10.4 ne spiega l'essenza. Nella sua forma finale, il circuito oscillatorio utilizzato da Hertz era costituito da due conduttori CuC", posti ad una distanza di circa 3 m l'uno dall'altro e collegati da un filo di rame, al centro del quale era presente uno spinterometro A bobina di induzione. Il ricevitore era un circuito acdb con dimensioni 80 x 120 cm, con spinterometro M in uno di lati corti. Il rilevamento è stato determinato dalla presenza di una debole scintilla nello spinterometro M. Dicono i direttori con cui Hertz ha sperimentato linguaggio moderno, antenna con rilevatore. Ora sono nominati vibratore e Risuonatore Hertz.

Riso. 10.4.

L'essenza dei risultati ottenuti era che la scintilla elettrica nello spinterometro A ha provocato una scintilla nello scaricatore M. All'inizio Hertz, nello spiegare gli esperimenti, non parla di onde maxwelliane. Parla solo di "interazione dei conduttori" e cerca di trovare una spiegazione nella teoria dell'interazione a lungo raggio. Durante la conduzione degli esperimenti, Hertz ha scoperto che a brevi distanze la natura della propagazione della "forza elettrica" ​​è simile al campo di un dipolo, quindi diminuisce più lentamente e ha una dipendenza angolare. Diciamo ora che lo spinterometro ha un diagramma di radiazione anisotropo. Questo, ovviamente, contraddice fondamentalmente la teoria dell'azione a lungo raggio.

Dopo aver analizzato i risultati degli esperimenti e condotto la propria ricerca teorica, Hertz accetta la teoria di Maxwell. Giunge alla conclusione sull'esistenza di onde elettromagnetiche che si propagano a velocità finita. Ora le equazioni di Maxwell non sono più un sistema matematico astratto e dovrebbero essere portate in una forma tale da essere convenienti da usare.

Hertz ricevette le onde elettromagnetiche previste sperimentalmente dalla teoria di Maxwell e, cosa non meno importante, dimostrò la loro identità con la luce. Per fare ciò, è stato necessario dimostrare che con l'aiuto delle onde elettromagnetiche si possono osservare gli effetti noti dell'ottica: rifrazione e riflessione, polarizzazione, ecc. Hertz ha svolto questi studi, che hanno richiesto un'abilità sperimentale virtuosa: ha condotto esperimenti sulla propagazione, riflessione, rifrazione e polarizzazione delle onde elettromagnetiche da lui scoperte. Ha costruito specchi per esperimenti con queste onde (specchi Hertz), un prisma di asfalto e così via. Gli specchi Hertz sono mostrati in fig. 10.5. Gli esperimenti hanno mostrato la completa identità degli effetti osservati con quelli ben noti per le onde luminose.

Riso. 10.5.

Nel 1887, nel suo lavoro "Sull'influenza della luce ultravioletta su una scarica elettrica", Hertz descrive un fenomeno che in seguito divenne noto come effetto fotoelettrico esterno. Ha trovato quell'irradiazione raggi ultravioletti elettrodi ad alta tensione, la scarica avviene a una distanza maggiore tra gli elettrodi che senza irraggiamento.

Questo effetto è stato quindi studiato in modo completo dallo scienziato russo Aleksandr Grigorievich Stoletov (1839-1896).

Nel 1889, in un congresso di scienziati naturalisti e medici tedeschi, Hertz presentò un rapporto "Sulla relazione tra luce ed elettricità", in cui esprimeva la sua opinione sulla grande importanza della teoria di Maxwell, ora confermata dagli esperimenti.

Gli esperimenti di Hertz hanno avuto successo mondo scientifico. Sono stati ripetuti e modificati molte volte. Uno di quelli che ha fatto questo è stato Petr Nikolaevich Lebedev. Ricevette le onde elettromagnetiche più corte in quel momento e nel 1895 fece esperimenti con esse sulla birifrangenza. Nel suo lavoro, Lebedev ha stabilito il compito di ridurre gradualmente la lunghezza d'onda radiazioni elettromagnetiche in modo da chiuderli eventualmente con lunghe onde infrarosse. Lo stesso Lebedev non è riuscito a farlo, ma è stato realizzato negli anni '20 del XX secolo da scienziati russi Alexandra Andreevna Glagoleva-Arkadieva(1884-1945) e Maria Afanasievna Levitskaja (1883-1963).

Petr Nikolaevich Lebedev (1866-1912) - Fisico russo, nato nel 1866 a Mosca, si laureò all'Università di Strasburgo e nel 1891 iniziò a lavorare all'Università di Mosca. Lebedev rimase nella storia della fisica come virtuoso sperimentatore, autore di ricerche condotte con mezzi modesti al limite delle capacità tecniche dell'epoca, e anche come fondatore di una scuola scientifica generalmente riconosciuta a Mosca, da cui il famoso Gli scienziati russi P. P. Lazarev, S. I. Vavilov, A. R. Colley et al.

Lebedev morì nel 1912 poco dopo che, insieme ad altri professori, lasciò l'Università di Mosca per protestare contro le azioni del reazionario ministro dell'Istruzione LA Kasso.

Tuttavia, il principale contributo di Lebedev alla fisica è che ha misurato sperimentalmente la pressione della luce prevista dalla teoria di Maxwell. Lebedev dedicò tutta la sua vita allo studio di questo effetto: nel 1899 fu allestito un esperimento che dimostrò la presenza di una leggera pressione sui solidi (Fig. 10.6), e nel 1907 sui gas. Le opere di Lebedev sulla pressione leggera sono diventate dei classici, sono uno degli apici degli esperimenti tra la fine del XIX e l'inizio del XX secolo.

Gli esperimenti di Lebedev sulla leggera pressione lo hanno portato fama mondiale. In questa occasione, W. Thomson ha detto: "Per tutta la vita ho combattuto con Maxwell, non riconoscendo il suo movimento leggero, ma ... Lebedev mi ha costretto ad arrendermi ai suoi esperimenti".

Riso. 10.6.

Gli esperimenti di Hertz e Lebedev hanno finalmente confermato la priorità della teoria di Maxwell. Per quanto riguarda la pratica, cioè applicazione pratica delle leggi dell'elettromagnetismo, quindi all'inizio del XX secolo. l'umanità viveva già in un mondo in cui l'elettricità ha iniziato a svolgere un ruolo enorme. Ciò è stato facilitato da una vigorosa attività inventiva nel campo di applicazione dei fenomeni elettrici e magnetici scoperti dai fisici. Diamo un'occhiata ad alcune di queste invenzioni.

Una delle prime applicazioni dell'elettromagnetismo trovata nella tecnologia delle comunicazioni. Il telegrafo esisteva già dal 1831. Nel 1876 un fisico, inventore e uomo d'affari americano Alessandro Campana(1847-1922) inventò il telefono, ulteriormente migliorato dal famoso inventore americano Thomas Alva Edison (1847-1931).

Nel 1892 un fisico inglese William Crookes(1832-1912) formulò i principi della radiocomunicazione. fisico russo Aleksandr Stepanovic Popov(1859-1906) e scienziato italiano Guglielmo Marconi(1874-1937) li mise effettivamente in pratica contemporaneamente. Solitamente si pone la questione della priorità della presente invenzione. Popov ha dimostrato le capacità del dispositivo che ha creato poco prima, ma non lo ha brevettato, come ha fatto Marconi. Quest'ultimo ha determinato la tradizione prevalente in Occidente di considerare Marconi il "padre" della radio. Ciò fu facilitato dall'assegnazione del Premio Nobel a lui nel 1909. Popov, a quanto pare, sarebbe stato anche tra i vincitori, ma a quel punto non era più in vita e premio Nobel assegnato solo a scienziati viventi. Maggiori informazioni sulla storia dell'invenzione della radio saranno raccontate nella parte VI del libro.

Hanno cercato di utilizzare i fenomeni elettrici per l'illuminazione già nel 18° secolo. (arco voltaico), in seguito questo dispositivo è stato migliorato Pavel Nikolaevich Yablochkov(1847-1894), che nel 1876 inventò la prima pratica sorgente di luce elettrica (Candela di Yablochkov). Tuttavia, non trovò ampia applicazione, principalmente perché nel 1879 T. Edison creò una lampada a incandescenza dal design sufficientemente resistente e conveniente per la produzione industriale. Si noti che la lampada a incandescenza è stata inventata nel 1872 da un ingegnere elettrico russo Aleksandr Nikolaevich Lodygin (1847- 1923).

domande di prova

• 1. Quali ricerche ha fatto Maxwell mentre lavorava al Marischal College? Che ruolo ha giocato Maxwell nello sviluppo della teoria dell'elettricità e del magnetismo?
• 2. Quando è stato organizzato il Cavendish Laboratory? Chi è diventato il suo primo regista?
• 3. Quale legge non potrebbe essere descritta usando analogie elettroidrauliche?
• 4. Con quale modello Maxwell è giunto alla conclusione sull'esistenza di una corrente di spostamento e sul fenomeno dell'induzione magnetoelettrica?
• 5. In quale articolo Maxwell ha usato per la prima volta il termine "campo elettromagnetico"?
• 6. Come viene scritto il sistema di equazioni compilato da Maxwell?
• 7. Perché le equazioni di Maxwell sono considerate una delle conquiste trionfanti della civiltà umana?
• 8. Quali conclusioni trasse Maxwell dalla teoria del campo elettromagnetico?
• 9. Come si è sviluppata l'elettrodinamica dopo Maxwell?
• 10. Come giunse Hertz alla conclusione sull'esistenza delle onde elettromagnetiche?
• 11. Qual è il principale contributo di Lebedev alla fisica?
• 12. Come viene utilizzata la teoria del campo elettromagnetico in ingegneria?

Compiti per lavoro autonomo

• 1. JK Maxwell. Biografia e conquiste scientifiche nell'elettrodinamica e in altre aree della fisica.
• 2. Fondamenti empirici e teorici della teoria del campo elettromagnetico di Maxwell.
• 3. La storia della creazione delle equazioni di Maxwell.
• 4. Essenza fisica delle equazioni di Maxwell.
• 5. J. K. Maxwell - primo direttore del Cavendish Laboratory.
• 6. Come si scrive attualmente il sistema di equazioni di Maxwell: a) in forma integrale; b) in forma differenziale?
• 7. G. Hertz. Biografia e risultati scientifici.
• 8. Storia della rivelazione delle onde elettromagnetiche e loro identificazione con la luce.
• 9. Esperimenti di P. N. Lebedev sulla rilevazione della pressione della luce: schema, problemi, difficoltà e significato.
• 10. Lavori di A. A. Glagoleva-Arkadyeva e M. A. Levitskaya sulla generazione di onde elettromagnetiche corte.
• 11. Storia della scoperta e studio dell'effetto fotoelettrico.
• 12. Sviluppo della teoria elettromagnetica di Maxwell. Opere di J. G. Poynting, N. A. Umov, O. Heaviside.
• 13. Come è stato inventato e migliorato il telegrafo elettrico?
• 14. Fasi storiche nello sviluppo dell'ingegneria elettrica e radiofonica.
• 15. La storia della creazione dei dispositivi di illuminazione.

• 1. Kudryavtsev, P.S. Corso di storia della fisica. - 2a ed. - M.: Illuminismo, 1982.
• 2. Kudryavtsev, P.S. Storia della fisica: in 3 volumi - M.: Educazione, 1956-1971.
• 3. Spassky, B.I. Storia della fisica: in 2 volumi - M.: scuola di Specializzazione, 1977.
• 4. Dorfman, Ya.G. Storia mondiale della fisica: in 2 volumi - M.: Nauka, 1974-1979.
• 5. Golin, G.M. Classici della scienza fisica (dai tempi antichi all'inizio del XX secolo) / G. M. Golin, S. R. Filonovich. - M.: Liceo, 1989.
• 6. Khramov, Yu.A. I fisici: una guida biografica. - M.: Nauka, 1983.
• 7. Virginsky, V. S. Saggi sulla storia della scienza e della tecnologia nel 1870-1917. / V. S. Virginsky, V. F. Khoteenkov. - M.: Illuminismo, 1988.
• 8. Witkowski, N. Una storia sentimentale della scienza. - M.: Colibrì, 2007.
• 9. Maxwell, J.K. Opere selezionate sulla teoria del campo elettromagnetico. - M.: GITTL, 1952.
• 10. Kuznetsova, O.V. Maxwell e lo sviluppo della fisica nei secoli XIX-XX: sab. articoli / risp. ed. L. S. POLAK. - M.: Nauka, 1985.
• 11. Maxwell, J.K. Trattato di elettricità e magnetismo: in 2 volumi - M.: Nauka, 1989.
• 12. Kartsev, vicepresidente Maxwell. - M.: Giovane guardia, 1974.
• 13. Niven, W. Vita e attività scientifica JK Maxwell: saggio breve(1890) // J. K. Maxwell. Materia e movimento. - M.: Izhevsk: RHD, 2001.
• 14. Harman, RM La filosofia naturale di James Clerk Maxwell. - Cambridge: University Press, 2001.
• 15. Bolotovsky, B.M. Oliver Heaviside. - M.: Nauka, 1985.
• 16. Gorokhov, V.G. La formazione della teoria dell'ingegneria radio: dalla teoria alla pratica sull'esempio delle conseguenze tecniche della scoperta di G. Hertz // VIET. - 2006. - N. 2.
• 17. Collana di libri "ZhZL": "People of Science", "Creators of Science and Technology".

L'ipotesi di Fresnel delle onde luminose trasversali poneva una serie di difficili problemi per la fisica riguardanti la natura dell'etere, cioè l'ipotetico mezzo in cui si propagano le vibrazioni luminose. Prima che questi problemi passassero in secondo piano e le questioni riguardanti la natura delle particelle materiali che emettevano onde luminose, e il problema di trovare il meccanismo della radiazione negli atomi e nelle molecole.

Era necessario rispondere a tali domande: in quale direzione si verificano le oscillazioni in un'onda polarizzata linearmente? Perché non ci sono onde luminose longitudinali e quali proprietà dovrebbe avere l'etere per consentire solo onde trasversali? E infine, come si comporta l'etere rispetto ai corpi che lo attraversano?

Nell'ottica post-Fresnel, la ricerca di risposte a queste domande ha ricevuto notevole attenzione. Nel rispondere alla prima domanda sono state avanzate due ipotesi: l'ipotesi di Fresnel e l'ipotesi di Franz Neumann (1798-1895). Secondo l'ipotesi di Fresnel, le oscillazioni della luce in un'onda polarizzata linearmente si verificano in una direzione perpendicolare alla direzione del piano di polarizzazione. Allo stesso tempo, l'etere nei corpi pesanti e l'etere libero differiscono per la loro densità, mentre la sua elasticità rimane invariata. Secondo l'ipotesi di Neumann, le oscillazioni dell'etere si verificano nel piano di polarizzazione, l'etere nei corpi pesanti e l'etere libero differiscono per elasticità, non per densità.

Per spiegare la trasversalità delle onde luminose sono state proposte varie ipotesi: l'ipotesi di un etere assolutamente incomprimibile, un etere come un passo di scarpe - solido per cambi veloci e fluido per cambiamenti lenti, etere come mezzo pieno di giroscopi, ecc., ecc. Per i corpi in movimento, l'etere era considerato come un mezzo immobile, come un mezzo parzialmente trascinato dai corpi, come un ambiente completamente trascinato. Tutte queste strane e contraddittorie ipotesi hanno preso molta energia dai fisici, eppure gli scienziati non hanno nemmeno sollevato una domanda del genere: questi tentativi sono stati inutili? Esiste anche l'etere?

L'esistenza dell'etere sembrava certa dopo il crollo della teoria corpuscolare della luce. Ci deve essere un mezzo in cui si propagano le vibrazioni luminose. "I fenomeni della luce dopo l'infruttuosa "teoria del deflusso" sono spiegati come vibrazioni delle più piccole particelle di corpi luminosi - vibrazioni trasmesse dalle onde dell'etere". Con queste parole, A. G. Stoletov ha iniziato la sezione "Ottica fisica" nel suo libro di testo "Introduzione all'acustica e all'ottica". E questa era l'opinione generalmente accettata. Stoletov motiva ulteriormente in diversi paragrafi "la necessità di ammettere questo ambiente speciale", cioè l'etere. Conosce già la teoria elettromagnetica della luce, sa che "le onde luminose sono onde trasversali delle "oscillazioni elettriche" dell'etere, e sebbene non gli sia ancora chiaro quale sia il meccanismo di queste oscillazioni, tuttavia non dubita che serve il vettore di queste oscillazioni etere.

Stoletov tenne lezioni di acustica e ottica nel 1880-1881. "Introduzione all'acustica e all'ottica" fu pubblicata nel 1895. Nel 1902 fu pubblicata la seconda parte del "Corso di fisica" di N.A. Umov. In esso, la sezione dedicata all'ottica iniziava con le parole: “Fino a tempi relativamente recenti, la materia sottile e senza peso che penetrava nei corpi e riempiva tutto lo spazio, chiamata etere, era considerata un luogo di fenomeni esclusivamente luminosi. Al momento, consideriamo la luce solo come caso speciale fenomeni che sono possibili nell'etere.

Un anno prima della pubblicazione di "Introduzione" Stoletov, nel 1894, veniva pubblicata su Tedesco il corso di elettricità di P. Drude (1863-1906), che porta il titolo di "fisica dell'etere su base elettromagnetica". Nel 1901-1902. G.A. Lorentz ha letto un corso di lezioni "Teoria e modelli dell'etere" presso l'Università di Leiden. Furono pubblicati in olandese nel 1922, in traduzione inglese nel 1927 e in russo nel 1936, cioè quando l'etere era stato a lungo sepolto dalla teoria della relatività. Lorenz dentro ultime parole delle sue lezioni scrisse accuratamente: “In tempi recenti la spiegazione meccanica dei processi che avvengono nell'etere passa sempre più in secondo piano. Tuttavia, credeva che le analogie meccaniche "conservino ancora un certo valore" "Esse", scrisse Lorentz, "ci aiutano a pensare ai fenomeni e possono essere una fonte di idee per nuove ricerche".

Questa speranza di Lorentz è stata ribaltata dallo sviluppo della moderna fisica teorica, che ha gettato in mare i modelli visivi e li ha sostituiti con una descrizione matematica. È paradossale che fatto storico che questo processo di transizione verso una descrizione matematica sia stato avviato da Maxwell, che ha posto le basi della sua teoria elettromagnetica, sviluppando specifici modelli meccanici dei processi nell'etere. Discutendo questi modelli, Maxwell è arrivato alla definizione di equazioni che riflettono i processi non meccanici dei fenomeni elettromagnetici. Riassumendo nel Trattato dell'elettricità e del magnetismo i risultati della sua pluriennale ricerca sulla teoria dell'elettricità e del magnetismo, Maxwell afferma che “le interconnessioni interne dei vari rami della scienza oggetto del nostro studio sono molto più numerose e complesse di qualsiasi altra sinora sviluppato disciplina scientifica”, compresa, ovviamente, la meccanica. Inoltre, Maxwell scrive che le leggi della scienza dell'elettricità "sembrano indicare la sua speciale importanza come scienza nell'aiutare a spiegare la natura". Quindi, insieme alla meccanica, la teoria dell'elettricità, secondo Maxwell, è una scienza fondamentale, che "aiuta a spiegare la natura". "Procedendo da questo", dice Maxwell, "mi sembra che lo studio dell'elettromagnetismo in tutte le sue manifestazioni come mezzo per far avanzare la scienza acquisisca sempre un'importanza speciale". Dopo le brillanti scoperte di Faraday, le applicazioni tecniche dell'elettricità sono ampiamente avanzate. Con la creazione del Trattato, il telegrafo elettromagnetico si era diffuso, apparvero linee di comunicazione a lunga distanza: il cavo transatlantico che collegava l'Europa e l'America (1866), il telegrafo indoeuropeo che collegava Londra e Calcutta (1869), la linea di comunicazione tra Europa e Sud America (1872).

Apparvero anche i primi generatori di corrente elettrica: Cromwell e Varley (1866), Siemens (1867), Wheatston (1867), Gramm (1870-1871), oltre a motori elettrici, a cominciare dal motore dell'accademico russo Boris Semenovich Jacobi ( 1834) e termina con un motore con anulare ancorato da Pacinotti (1860). L'era dell'ingegneria elettrica è iniziata. Ma Maxwell ha in mente non solo e non tanto il rapido progresso dell'ingegneria elettrica. I processi elettromagnetici sono penetrati sempre più a fondo nella scienza: nella fisica e nella chimica. Stava arrivando l'era dell'immagine elettromagnetica del mondo, che sostituiva quella meccanica.

Maxwell ha visto chiaramente l'importanza fondamentale delle leggi elettromagnetiche, avendo realizzato una grandiosa sintesi di ottica ed elettricità. Fu lui che riuscì a ridurre l'ottica all'elettromagnetismo, creando la teoria elettromagnetica della luce e aprendo così nuove strade non solo nella fisica teorica, ma anche nella tecnologia, aprendo la strada all'ingegneria radiofonica.

James Clerk Maxwell apparteneva a una nobile famiglia scozzese. Suo padre, John Clerk, che adottò il cognome Maxwell, era un uomo dai versatili interessi culturali, viaggiatore, inventore e scienziato. Il 13 giugno 1831, a Edimburgo, nacque dai Maxwell il figlio di James, il futuro grande fisico. È cresciuto come un naturalista nato. Il padre ha incoraggiato la curiosità del figlio, lui stesso lo ha introdotto all'astronomia, gli ha insegnato ad osservare corpi celesti nel telescopio. Voleva preparare suo figlio per l'università a casa, ma cambiò idea e lo mandò all'Accademia di Edimburgo, secondaria Istituto d'Istruzione come una palestra classica quando Maxwell aveva 10 anni. Fino alla quinta elementare, James ha studiato senza molto interesse. Solo dalla quinta elementare si interessò alla geometria, realizzò modelli corpi geometrici, ha escogitato i suoi metodi per risolvere i problemi. Mentre era ancora uno studente quindicenne, presentò alla Royal Society di Edimburgo uno studio sulle curve ovali. Questo articolo giovanile del 1846 apre una raccolta in due volumi di articoli scientifici di Maxwell.

Nel 1847 Maxwell entrò all'Università di Edimburgo. A questo punto, i suoi interessi scientifici furono determinati, si interessò alla fisica. Nel 1850, alla Royal Society di Edimburgo, fece una relazione sull'equilibrio dei corpi elastici, in cui, tra l'altro, dimostrò il "teorema di Maxwell" ben noto nella teoria dell'elasticità e della resistenza dei materiali. Nello stesso anno, Maxwell si trasferì all'Università di Cambridge, al famoso Trinity College, che allevò Newton e molti altri famosi fisici per l'umanità.

Nel 1854 Maxwell fu il secondo a superare l'esame finale. Scrive una lettera al suo vecchio amico William Thomson, in cui riferisce che, "entrato nella terribile classe degli scapoli", ha deciso di "tornare alla fisica" e, soprattutto, di "attaccare l'elettricità". Riflette sulla curvatura delle superfici, sulla visione dei colori e sulle indagini sperimentali di Faraday. Già nel 1855 inviò un rapporto "Esperimenti sul colore" alla Royal Society di Edimburgo, progettò un top colorato e sviluppò una teoria della visione dei colori. Nello stesso anno iniziò a lavorare a un libro di memorie On Faraday's Lines of Force (1855-1856), la prima parte del quale riferì alla Cambridge Philosophical Society nel 1855.

Nel 1856 muore il padre di Maxwell, che non era solo suo padre, ma anche un caro amico. Nello stesso anno, Maxwell ha ricevuto una cattedra presso l'Università di Aberdeen in Scozia. La nuova posizione e la cura del patrimonio ereditario richiesero molto tempo. Tuttavia, Maxwell lavora intensamente nel campo della scienza. Nel 1857 inviò a Faraday il suo libro di memorie "Sulle linee di forza di Faraday", che toccò molto Faraday. "Il tuo lavoro mi piace e mi dà un grande supporto", ha scritto a Maxwell, Faraday non si sbagliava: Maxwell ha dato un grande supporto alle sue idee, ha completato adeguatamente il lavoro di Faraday.

Einstein confronta i nomi di Galileo e Newton in meccanica con i nomi di Faraday e Maxwell nella scienza dell'elettricità. In effetti, qui l'analogia è del tutto appropriata. Galileo gettò le basi per la meccanica, Newton la completò. Entrambi partirono dal sistema copernicano, cercando la sua giustificazione fisica, che alla fine fu trovata da Newton.

Faraday ha affrontato lo studio dell'elettricità e dei fenomeni magnetici in modo nuovo, sottolineando il ruolo del mezzo e introducendo il concetto di campo, che descrive utilizzando le linee di forza. Maxwell diede alle idee completezza matematica, introdusse il termine esatto "campo elettromagnetico", che Faraday non aveva ancora, formulò le leggi matematiche di questo campo. Galileo e Newton gettarono le basi dell'immagine meccanica del mondo, Faraday e Maxwell gettarono le basi dell'immagine elettromagnetica del mondo.

Maxwell sviluppò la teoria elettromagnetica nelle sue opere "Sulle linee fisiche della forza" (1861-1862) e "Teoria del campo dinamico" (1864-1865). Queste opere non piacque più ad Aberdeen, ma a Londra, dove ricevette una cattedra al King's College. Qui Maxwell incontrò anche Faraday, che era già vecchio e malato. Maxwell, dopo aver ricevuto dati che confermavano la natura elettromagnetica della luce, li inviò a Faraday. Maxwell scrisse: “La teoria elettromagnetica della luce, da lui proposta (Faraday) in Thoughts on Ray Vibrations (Phil. Mag., maggio 1846) o Experimental Investigations (Exp. Rec., p. 447), è essenzialmente la stessa di quello che ho iniziato a sviluppare in questo articolo (Dynamic Field Theory, Phil. Mag., 1865), tranne che nel 1846 non c'erano dati per calcolare la velocità di propagazione. J.K.M." Maxwell ha riconosciuto la priorità di Faraday in questa scoperta. Maxwell non poteva essere a conoscenza della lettera sigillata di Faraday del 1832 e fare riferimento al suo articolo pubblicato nel 1846. Ma affermò con tutta certezza che Faraday aveva già detto ciò che ha fornito nella sua Teoria del campo dinamico, ad eccezione dei dati quantitativi sulla coincidenza della velocità di propagazione della luce con un rapporto costante di unità elettrostatiche ed elettrostatiche di carica e corrente.

Nel 1865, quando apparve la "Teoria del campo dinamico", Maxwell ebbe un incidente durante la guida. Lasciò la sua cattedra a Londra e si trasferì nella sua tenuta di Glenlar, dove continuò la sua ricerca statistica, che aveva iniziato già nel 1859.

Nel 1871 ebbe luogo un evento importante. A spese di un discendente del famoso scienziato del XVIII secolo. Henry Cavendish, duca di Cavendish, fu istituito il Dipartimento di Fisica Sperimentale presso l'Università di Cambridge e iniziò la costruzione del futuro famoso laboratorio Cavendish. Maxwell è stato invitato come primo professore di Cavendish. L'8 ottobre 1871 tenne la sua conferenza inaugurale sulle funzioni del lavoro sperimentale nell'istruzione universitaria. La lezione si è rivelata il programma dell'insieme attività future laboratori di insegnamento della fisica sperimentale. In questa attività, Maxwell vede il bisogno del tempo.

"Dobbiamo iniziare in aula con un corso di lezioni in qualche ramo della fisica, usando esperimenti come illustrazione, e finire in laboratorio con una serie di esperimenti di ricerca". Maxwell fa punti importanti sugli appuntamenti degli insegnanti. La cosa principale per l'insegnante è focalizzare l'attenzione dello studente sul problema. Discutendo con gli oppositori dell'apprendimento sperimentale, Maxwell dichiara che se una persona ama un problema, mette tutta la sua anima per risolverlo, se comprende il principale vantaggio della matematica nell'applicarla per spiegare la natura, allora la specialità principale non sarà danneggiata , la conoscenza sperimentale non confonderà la fede nelle formule dei libri di testo, lo studente non sarà affaticato.

Maxwell iniziò il suo lavoro a Cambridge tenendo conferenze in calore. Dedicò molto tempo alla costruzione e organizzazione del laboratorio. Ha studiato l'esperienza della creazione di laboratori all'estero e nel suo paese, ha visitato il laboratorio di Thomson, il laboratorio di Clarendon. Il laboratorio di Clarendon è servito in larga misura da modello per il laboratorio di Cambridge. Il 16 giugno 1874 fu aperto il laboratorio.

Il laboratorio era un solido edificio a tre piani. Al piano inferiore c'erano stanze per le ricerche su magnetismo, pendoli e calore. C'erano dispense, una cucina, un soggiorno. Al secondo piano si trovano un ampio laboratorio, un'aula e un laboratorio del professore, un'aula didattica e un locale per le attrezzature. Al piano superiore erano ubicati il ​​laboratorio di acustica, sale per calcoli e costruzioni grafiche, calore radiante, ottica, elettricità e una camera oscura per lavori fotografici. Tutti i tavoli da laboratorio poggiavano su travi indipendenti dal pavimento, il che ha permesso di eseguire esperimenti molto delicati. Sul tetto del laboratorio è stato fissato un palo di metallo. Tutto il pubblico si unì a lui, in modo che in qualsiasi momento si potesse misurare il potenziale dell'elettricità atmosferica. Le porte di sollevamento nei piani del laboratorio consentivano di tirare fili tra i piani, appendere un pendolo di Foucault, ecc. Naturalmente, tutti i laboratori avevano gas, acqua e luce.

Tre anni dopo l'apertura del laboratorio, Maxwell scrisse che includeva tutti "gli strumenti richiesti dall'attuale stato della scienza". È stato pubblicato un elenco di questi dispositivi. Riguardo a questo elenco, JJ Thomson disse nel 1936: "Questo è un esempio lampante della differenza tra strumenti che una volta erano considerati perfetti da quelli che lo sono ora".

Il Cavendish Laboratory, che in seguito divenne un importante centro di scienze fisiche, deve molto al suo primo professore. Maxwell ha avuto il difficile compito di creare una nuova cattedra di fisica sperimentale. Il nuovo è sempre difficile da trovare. I tutor degli studenti dell'ultimo anno li dissuadevano dall'andare in laboratorio. Questo spiega il fatto che all'inizio poche persone venivano in laboratorio. I primi a venire qui sono stati coloro che hanno superato l'influenza matematica e desideravano acquisire abilità pratiche (V. Hick, G. Kristal, S. Saunder, D. Gordon, A. Schuster).

Così, George Crystal (1851-1911), poi professore di matematica all'Università di Edimburgo, testò la validità della legge di Ohm (un esperimento selezionato da Maxwell). La necessità di questa verifica è sorta perché c'erano studi che mettevano in dubbio la validità di questa legge. Maxwell scrisse a Campbell che Krystal "... ha lavorato incessantemente da ottobre, testando la legge di Ohm, e Ohm è uscito trionfante dal test".

Allo stesso modo, Crystal e S. Saunder, in un rapporto della British Association, hanno riportato i risultati di un confronto delle unità di resistenza con le unità dello studio difficile x della British Association, che è stato poi continuato da Glazebrook e Fleming. Successivamente, al tempo di Rayleigh, questi studi si estendevano all'intero campo delle misurazioni elettriche e fecero del Cavendish Laboratory il centro per la definizione degli standard per le unità elettriche.

In generale, tutti coloro che lavorano per Maxwell, prima di intraprendere una ricerca originale, hanno seguito un piccolo laboratorio generale, studiato strumenti, misurato il tempo, imparato a leggere, ecc., ovvero Maxwell ha gettato le basi per il futuro laboratorio generale del laboratorio .

È difficile sopravvalutare l'importanza del lavoro di Maxwell per il futuro sviluppo del Cavendish Laboratory. William Thomson scrisse nel 1882: “L'influenza di Maxwell a Cambridge ebbe un indubbio grande effetto nel dirigere l'insegnamento matematico verso canali più fruttuosi di quelli in cui era fluito per molti anni. I suoi articoli e libri scientifici pubblicati, il suo lavoro come esaminatore a Cambridge, le sue lezioni universitarie, hanno tutti contribuito a questo effetto. Ma soprattutto il suo lavoro è stato nella progettazione e organizzazione del Laboratorio Cavendish. Ecco, in effetti, l'ascesa della scienza fisica a Cambridge negli ultimi dieci anni, e questo è interamente dovuto all'influenza di Maxwell.

In qualità di professore Cavendish, Maxwell ha svolto un grande lavoro scientifico e pedagogico. Nel 1873 fu pubblicata la sua opera principale, Trattato sull'elettricità e sul magnetismo. Iniziò a scrivere un'esposizione popolare della sua teoria, "Elettricità in una presentazione elementare", ma non ebbe il tempo di finirla. In qualità di professore di Cavendish, Maxwell ha recuperato il lavoro inedito di Cavendish dagli archivi, incluso il suo lavoro in cui ha scoperto la legge delle interazioni elettriche pochi anni prima di Coulomb. Maxwell ha ripetuto l'esperimento di Cavendish con un elettrometro più accurato e ha confermato la legge di proporzionalità inversa al quadrato della distanza con un alto grado di precisione. Maxwell pubblicò le memorie di Henry Cavendish con i suoi commenti nel 1879. Nello stesso anno, il 5 novembre, Maxwell morì di cancro.

Maxwell era uno scienziato versatile: teorico, sperimentatore, tecnico. Ma nella storia della fisica, il suo nome è principalmente associato alla teoria del campo elettromagnetico da lui creato, che è chiamata teoria di Maxwell o elettrodinamica di Maxwell. È entrato nella storia della scienza insieme a generalizzazioni fondamentali come la meccanica newtoniana, la meccanica relativistica, la meccanica quantistica e ha segnato l'inizio di una nuova fase della fisica. Conformemente alla legge dello sviluppo della scienza, formulata da Aristotele, elevava la conoscenza della natura a un livello nuovo, più alto e nello stesso tempo era più incomprensibile, astratta delle teorie precedenti, "meno ovvia per noi", nel parole di Aristotele.

Questa circostanza causò un rifiuto relativamente lungo della teoria di Maxwell da parte dei fisici e solo dopo gli esperimenti di Hertz iniziò a essere riconosciuta. Ha ricevuto "diritti di cittadinanza" in fisica dopo l'esperimento di Michelson, dopo il primo lavoro di Lorentz sulla teoria degli elettroni. Pertanto, la sua assimilazione coincise con l'inizio della creazione della fisica elettronica e relativistica. La storia della teoria creata da Maxwell si intreccia con la storia di queste aree della fisica, portandola allo stato attuale.

Maxwell iniziò a sviluppare la sua teoria nel 1854. Il 20 febbraio di quest'anno, in una lettera al suo vecchio amico W. Thomson, scrive della sua intenzione di "attaccare l'elettricità". In una lettera da Cambridge del 13 novembre 1854 scrive che lui, "un novizio in elettricità", riuscì a risolvere "una grande massa di dubbi" usando poche e semplici idee. "Ho imparato i principi fondamentali della tensione elettrica" ​​(cioè l'elettrostatica) abbastanza facilmente, dice, e dice a Thomson che l'analogia di Thomson con la conduzione del calore lo ha aiutato molto. Inoltre, Maxwell riferisce che, sebbene ammirasse la lettura delle opere di Ampère, vorrebbe esplorare lui stesso le sue opinioni "filosoficamente". Gli sembra che il metodo delle linee del campo magnetico di Faraday sia molto utile per questo scopo, ma altri preferiscono utilizzare il concetto di attrazione diretta degli elementi correnti. Maxwell sviluppa un'immagine delle linee di forza magnetiche generate dalla corrente, parla del campo magnetico, introduce i concetti rilevanti e scrive equazioni matematiche.

I pensieri espressi da Maxwell in questa lettera furono sviluppati nella sua prima opera "On Faraday's Lines of Force", scritta a Cambridge nel 1855-1856. Si pone l'obiettivo di questo lavoro "per mostrare come, mediante l'applicazione diretta delle idee e dei metodi di Faraday, le relazioni reciproche di varie classi di fenomeni da lui scoperti possano essere meglio chiarite". Nel suo lavoro "On Faraday Field Lines", Maxwell costruisce un modello idrodinamico di un mezzo che trasmette energia elettrica e interazioni magnetiche. Riesce a descrivere i processi stazionari con l'aiuto di un'immagine visiva di un fluido in movimento. Le cariche e i poli magnetici in questa immagine sono le sorgenti e i pozzi del fluido che scorre. "Ho cercato", scrisse Maxwell, "... di presentare idee matematiche in una forma visiva, utilizzando sistemi di linee o superfici, e non utilizzando solo simboli che non sono particolarmente adatti per presentare le opinioni di Faraday e non corrispondono pienamente alla natura dei fenomeni che vengono spiegati”.

Tuttavia, il modello si rivelò inadatto a descrivere i processi di induzione dello stato elettrotonico di Faraday e Maxwell fu costretto a ricorrere al simbolismo matematico. Caratterizza lo stato elettrotonico con l'aiuto di tre funzioni, che chiama funzioni elettrotoniche o componenti dello stato elettrotonico. Nella notazione moderna, questa funzione vettoriale corrisponde a un vettore potenziale. L'integrale curvilineo di questo vettore lungo una linea chiusa Maxwell chiama "intensità elettrotonica totale lungo una curva chiusa". Per questa quantità, trova la prima legge dello stato elettrotonico: "L'intensità elettrotonica totale lungo il confine di un elemento di superficie serve come misura della quantità di induzione magnetica che passa attraverso questo elemento, o, in altre parole, una misura di il numero di linee di campo magnetico che penetrano in questo elemento. Nella notazione moderna, questa legge può essere espressa dalla formula:

dove A è la componente del vettore potenziale

nella direzione dell'elemento di curva dl, Bn è la componente normale del vettore di induzione B nella direzione della normale all'elemento di superficie dS.

che mette in relazione l'induzione magnetica B con il vettore di intensità del campo magnetico H.

La terza legge mette in relazione la forza del campo magnetico H con la forza della corrente I che lo crea. Maxwell la formula in questo modo: "L'intensità magnetica totale lungo una linea che delimita una parte della superficie serve come misura della quantità di corrente elettrica che scorre attraverso questa superficie." Nella notazione moderna, questa frase è descritta dalla formula

,

che ora è chiamata prima equazione di Maxwell in forma integrale. Riflette un fatto sperimentale scoperto da Oersted: la corrente è circondata da un campo magnetico.

La quarta legge è la legge di Ohm:

Per caratterizzare le interazioni di forza delle correnti, Maxwell introduce una quantità che chiama potenziale magnetico. Questo valore obbedisce alla quinta legge: "Il potenziale elettromagnetico totale di una corrente chiusa è misurato dal prodotto della quantità di corrente e dell'intensità elettrotonica totale lungo il circuito, considerata nella direzione della corrente:

».

La sesta legge di Maxwell si riferisce all'induzione elettromagnetica: "La forza elettromotrice che agisce su un elemento conduttore è misurata dalla derivata temporale dell'intensità elettrotonica, indipendentemente dal fatto che tale derivata sia dovuta a un cambiamento nella grandezza o nella direzione dello stato elettrotonico". Nella notazione moderna, questa legge è espressa dalla formula:

che è la seconda equazione di Maxwell in forma integrale. Si noti che Maxwell chiama la circolazione del vettore di intensità del campo elettrico la forza elettromotrice. Maxwell generalizza la legge di induzione di Faraday-Lenz-Neumann, ritenendo che la variazione nel tempo del flusso magnetico (stato elettrotonico) generi un campo elettrico a vortice che esiste indipendentemente dal fatto che ci siano conduttori chiusi in cui questo campo eccita o meno corrente. Maxwell non fornisce ancora una generalizzazione della legge di Oersted.

Maxwell conclude la formulazione delle sei leggi con le seguenti parole: “Ho tentato di dare in queste sei leggi un'espressione matematica dell'idea che, secondo me, è alla base del filone di pensiero di Faraday nelle sue Experimental Investigations. Questa affermazione di Maxwell è assolutamente corretta, così come un'altra affermazione che l'introduzione di "funzioni matematiche per esprimere lo stato elettrotonico di Faraday e per determinare i potenziali elettrodinamici e le forze elettromotrici" è stata fatta da lui per la prima volta.

Maxwell fece il passo successivo nello sviluppo della teoria del campo elettromagnetico nel 1861-1862 pubblicando una serie di articoli dal titolo generale "On Physical Lines of Force". E qui Maxwell ricorre al modello meccanico del campo elettromagnetico. Ma questo modello è molto più complicato dell'immagine del campo di velocità di un fluido in movimento, che ha sviluppato nel suo lavoro precedente. Maxwell sviluppò questo modello, sfruttando al massimo il suo talento di meccanico e progettista, e giunse alle sue famose equazioni. "Maxwell", scrisse Boltzmann, "trovò le sue equazioni come risultato del suo desiderio di provare con l'aiuto di modelli meccanici la possibilità di spiegare i fenomeni elettromagnetici basati sul concetto di azione ravvicinata, e solo questi modelli per la prima volta indicavano la strada a quegli esperimenti che stabilirono definitivamente e in modo decisivo il fatto dell'azione ravvicinata e che attualmente costituiscono il fondamento più semplice e affidabile delle equazioni trovate in altro modo.

Non è difficile trovare le equazioni di Maxwell, ma è impossibile "dedurle", così come è impossibile dedurre le leggi di Newton. Naturalmente, sia le equazioni di Newton che le equazioni di Maxwell possono essere dedotte da altri principi che devono essere accettati senza prove, ma questi principi, come le stesse equazioni di Maxwell o Newton, sono generalizzazioni dell'esperienza. "La teoria di Maxwell sono le equazioni di Maxwell", ha detto Hertz.

Nelle "linee di forza fisiche" Maxwell sostanzia innanzitutto l'espressione della forza che agisce su ciascun elemento del mezzo in cui sono presenti cariche, correnti, magneti. Maxwell pensa a un mezzo pieno di vortici molecolari, le forze che agiscono in questo mezzo nello stesso punto dipendono dalla direzione, sono, come diciamo ora, di natura tensore. Successivamente, Maxwell scrive le sue famose equazioni. Una novità rispetto al lavoro sulle linee di forza di Faraday qui è una chiara creazione di una connessione tra i cambiamenti nel campo magnetico e l'emergere di una forza elettromotrice. La sua equazione (più precisamente, la "tripletta" di equazioni per i componenti) definisce "il rapporto tra i cambiamenti nello stato del campo magnetico e le forze elettromotrici da essi provocate".

Un'altra importante novità è l'introduzione dei concetti di bias e correnti di bias. Lo spostamento, secondo Maxwell, è una caratteristica degli stati di un dielettrico in un campo elettrico. Il flusso di spostamento totale attraverso una superficie chiusa è somma algebrica cariche all'interno della superficie. “Questo spostamento”, scrive Maxwell, “non rappresenta una corrente reale, perché, raggiunto un certo valore, rimane costante. Ma questo è l'inizio della corrente e le variazioni di polarizzazione producono correnti in una direzione positiva o negativa, a seconda che la polarizzazione aumenti o diminuisca. Questo introduce il concetto fondamentale di corrente di spostamento. Questa corrente, come la corrente di conduzione, crea un campo magnetico. Pertanto, Maxwell generalizza l'equazione, che ora è chiamata la prima equazione di Maxwell, e introduce la corrente di spostamento nella prima parte. Nella notazione moderna, questa equazione di Maxwell ha la forma:

Infine, Maxwell scopre che le onde trasversali si propagano nel suo mezzo elastico alla velocità della luce. Questo fondamentale risultato lo porta a una conclusione importante: “La velocità delle oscillazioni trasversali delle onde nel nostro ipotetico mezzo, calcolata dagli esperimenti elettromagnetici di Kohlrausch e Weber, coincide così esattamente con la velocità della luce, calcolata dagli esperimenti ottici di Fizeau, che difficilmente possiamo rifiutare la conclusione che la luce sia costituita da vibrazioni trasversali dello stesso mezzo, che è la causa dei fenomeni elettrici e magnetici. Così, nei primi anni '60 del XIX secolo. Maxwell aveva già trovato le basi della sua teoria dell'elettricità e del magnetismo e aveva tratto l'importante conclusione che la luce fosse un fenomeno elettromagnetico.

Continuando lo sviluppo della teoria, Makwell nel 1864-1865. pubblicò la sua teoria del campo dinamico. In questo lavoro, la teoria di Maxwell assume una forma completa e un nuovo oggetto di ricerca scientifica introdotto da Faraday - il campo elettromagnetico - riceve una definizione esatta. “La teoria che propongo”, scrive Maxwell, “può essere chiamata teoria del campo elettromagnetico, perché tratta dello spazio circostante i corpi elettrici o magnetici, e può anche chiamarsi teoria dinamica, poiché ammette che in questo nello spazio c'è materia in movimento, attraverso la quale si producono i fenomeni elettromagnetici osservati.

Il campo elettromagnetico è quella parte dello spazio che contiene e circonda corpi che si trovano in uno stato elettrico o magnetico.

Questa è la prima definizione del campo elettromagnetico nella storia della fisica, Faraday non usa il termine "campo", parla dell'esistenza reale delle linee di forza fisiche. Solo dai tempi di Maxwell in fisica compare il concetto di un campo che funge da vettore di energia elettromagnetica.

Per descrivere il campo, Maxwell introduce le funzioni scalari e vettoriali delle coordinate. Vettori che rappresenta lettere maiuscole Carattere gotico tedesco, ma nei calcoli opera con i loro componenti. Dipinge equazioni vettoriali in coordinate, ottenendo le corrispondenti triple ("triplette") di equazioni.

In "Trattato sull'elettricità e il magnetismo" fornisce un riassunto delle principali grandezze utilizzate nella sua teoria elettromagnetica. Termini, designazioni, il significato stesso attribuito da Maxwell al contenuto dei concetti introdotti spesso differiscono in modo significativo da quelli moderni. Quindi, la quantità "momento elettromagnetico", o "momento elettromagnetico" in un punto, che gioca un ruolo fondamentale nel concetto di Maxwell, nella fisica moderna, è una quantità ausiliaria, il vettore è il potenziale A. Vero, nella teoria dei quanti lo è ancora ha ricevuto un significato fondamentale, ma la fisica sperimentale, l'ingegneria radio e l'ingegneria elettrica gli conferiscono un significato puramente formale.

Nella teoria di Maxwell, questa quantità è correlata al flusso magnetico. La circolazione del vettore potenziale lungo un anello chiuso è uguale al flusso magnetico attraverso la superficie coperta dall'anello. Il flusso magnetico ha proprietà inerziali e la forza elettromotrice di induzione, secondo la regola di Lenz, è proporzionale alla velocità di variazione del flusso magnetico, presa con segno opposto. Da qui l'intensità del campo elettrico di induzione:

Maxwell considera questa espressione simile all'espressione per la forza di inerzia in meccanica:

Impulso meccanico, o quantità di moto. Questa analogia spiega il termine introdotto da Maxwell per il potenziale vettore. Le stesse equazioni del campo elettromagnetico nella teoria di Maxwell hanno una forma diversa da quella moderna.

A forma moderna Il sistema di equazioni di Maxwell ha la seguente forma:

Con queste equazioni, il vettore di induzione magnetica B e il vettore di intensità del campo elettrico E sono espressi in termini di potenziale vettore A e potenziale scalare V. Maxwell scrive quindi l'espressione per la forza ponderomotrice f agente dal campo con induzione magnetica B per unità di volume di un conduttore percorso da una corrente di densità j:

A questa espressione aggiunge l'"equazione di magnetizzazione":

e "equazione correnti elettriche» (ora la prima equazione di Maxwell):

La relazione tra il vettore di spostamento D e l'intensità del campo elettrico E in Maxwell è espressa dall'equazione:

Quindi scrive l'equazione divD = p e l'equazione dove

,

e anche la condizione al contorno:

Questo è il sistema delle equazioni di Maxwell. La conclusione più importante di queste equazioni è l'esistenza di onde elettromagnetiche trasversali che si propagano in un dielettrico magnetizzato con una velocità: dove

Questa conclusione è stata da lui ottenuta nell'ultima sezione della "Teoria del campo dinamico", che porta il titolo "Teoria elettromagnetica della luce". "... La scienza dell'elettromagnetismo", scrive qui Maxwell, "porta esattamente alle stesse conclusioni dell'ottica per quanto riguarda la direzione dei disturbi che possono propagarsi attraverso il campo; entrambe queste scienze affermano la trasversalità di queste oscillazioni, ed entrambe danno la stessa velocità di propagazione. In etere, questa velocità c è la velocità della luce (Maxwell la designa come V), in un dielettrico è minore dove

Pertanto, l'indice di rifrazione n, secondo Maxwell, è determinato dall'elettrico e proprietà magnetiche ambiente. In un dielettrico non magnetico, dove

Questa è la famosa relazione di Maxwell.

Nel Trattato Maxwell scrive: “Secondo la teoria che la luce è un disturbo elettromagnetico che si propaga nello stesso mezzo attraverso il quale si propagano altre azioni elettromagnetiche, V deve essere la velocità della luce, il cui valore numerico può essere determinato con vari metodi. D'altra parte, v è il numero di unità elettrostatiche in un'unità elettromagnetica ei metodi per determinare questa quantità sono stati descritti nel capitolo precedente. Sono metodi completamente indipendenti per determinare la velocità della luce. Pertanto, la coincidenza o la non coincidenza dei valori di Y e v fornisce un test della teoria elettromagnetica della luce.

Maxwell fornisce un riassunto delle definizioni di V e v, da cui segue che "la velocità della luce e il rapporto delle unità sono dello stesso ordine di grandezza". Sebbene Maxwell non ritenga questo accordo sufficientemente esatto, spera che in ulteriori esperimenti la relazione tra le due quantità possa essere determinata in modo più preciso. In ogni caso, i dati disponibili non smentiscono la teoria. Ma rispetto alla legge di Maxwell, le cose andavano peggio. È stato ottenuto un risultato sperimentale durante la determinazione della costante dielettrica della paraffina. Risultò essere uguale a e = 1,975. D'altra parte, i valori dell'indice di rifrazione della paraffina per le linee di Fraunhofer - A, D, H sono risultati pari a n = 1.420 invece di

Questa differenza è abbastanza grande da non poter essere attribuita a un errore di osservazione. Maxwell lo considerava un'indicazione della necessità di un significativo miglioramento della teoria della struttura della materia, «prima di poter derivare le proprietà ottiche dei corpi dalle loro proprietà elettriche". Questa osservazione molto sottile e profonda è stata pienamente giustificata nella storia della fisica.

Ai tempi di Maxwell, la regione a lunghezza d'onda lunga dello spettro elettromagnetico non era stata ancora scoperta e, naturalmente, i valori dell'indice di rifrazione non erano stati misurati per essa. Tuttavia, nella regione ottica è già stata scoperta una dispersione anomala, che ha mostrato che l'indice di rifrazione dipende dalla frequenza in modo molto complesso. Erano necessari studi sperimentali e teorici versatili per dire con tutta certezza sulla validità della legge di Maxwell. Lo stesso Maxwell era profondamente convinto della correttezza delle sue conclusioni e non era imbarazzato dalle deviazioni dei dati sperimentali dai valori teorici. Ha seguito da vicino la ricerca in questo settore, anche se ha avvertito: "Difficilmente possiamo sperare in una verifica anche approssimativa se confrontiamo i risultati dei nostri esperimenti elettrici che procedono lentamente con vibrazioni luminose che si verificano miliardi di volte al secondo". Tuttavia, ha accolto con favore i risultati di Boltzmann, che ha misurato le costanti dielettriche dei gas e ha mostrato la validità della relazione di Maxwell n2 = e per un numero di gas.Ha incluso i risultati di Boltzmann nel suo ultimo lavoro, Electricity in an Elementary Presentation, pubblicato postumo . Ha incluso anche i risultati dei fisici russi N.N. Schiller (1848-1910) e PA Zilov (1850-1921).

N. N. Schiller nel 1872-1874 ha misurato la costante dielettrica di un certo numero di sostanze in campi elettrici alternati con una frequenza di circa 10 Hz. Per alcuni dielettrici ha trovato una conferma approssimativa della legge n2 = e, ma per altri, ad esempio per il vetro, la discrepanza era molto significativa. P. A. Zilov nel 1876 misurò le costanti dielettriche per alcuni liquidi. Per la trementina ha trovato: e = 2.21, e(1/2) = 1.49, n = 1.456. Zilov era ben consapevole che la lunghezza delle onde elettriche è "infinitamente grande rispetto alla lunghezza delle onde luminose", e formula la legge di Maxwell come segue: " Radice quadrata dalla costante dielettrica di un isolante è uguale al suo indice di rifrazione per raggi di lunghezza d'onda infinitamente lunga.

N. N. Schiller e P. A. Zilov erano studenti di Stoletov. Lo stesso Stoletov era profondamente interessato alla teoria di Maxwell e si impegnò a misurare il rapporto delle unità per confermare la conclusione di Maxwell. In Russia, la teoria di Maxwell ha incontrato simpatia e comprensione ei fisici russi hanno contribuito notevolmente al suo successo.

Nella teoria di Maxwell, l'energia è distribuita nello spazio con densità di volume. Ovviamente, un'onda elettromagnetica che si propaga nello spazio porta con sé energia. Maxwell ha affermato che, cadendo su una superficie assorbente, un'onda produce una pressione su questa superficie pari alla densità di energia volumetrica. Questa conclusione di Maxwell è stata criticata da W. Thomson (Kelvin) e altri fisici. Come vedremo di seguito, il fisico russo P.N. Lebedev ha dato ragione a Maxwell.

La dottrina del movimento dell'energia è stata sviluppata dal fisico russo N.A. Umov.

N. A. Umov nacque il 23 gennaio 1846 nella famiglia di un medico di Simbirsk. Dopo essersi diplomato al Primo Ginnasio di Mosca nel 1863, UMOV entrò all'Università di Mosca, dove si laureò nel 1867 come candidato. Nel 1871, Umov difese la sua tesi di laurea "La teoria dei fenomeni termomeccanici nei corpi elastici solidi" e fu eletto professore assistente presso l'Università Novorossiysk di Odessa. Nel 1874 difese la sua tesi di dottorato "Equazioni del moto dell'energia nei corpi". Il dibattito è stato difficile. L'idea del movimento dell'energia sembrava inaccettabile anche per fisici come A. G. Stoletov. Nel 1875 Umov divenne uno straordinario e nel 1880 professore ordinario all'Università di Novorossijsk. Nel 1893 si trasferì a Mosca in occasione della sua elezione a professore universitario. Tre anni dopo, occupa la cattedra di fisica, lasciata libera dopo la morte di Stoletov.

Sotto la guida di Umov, viene progettato e costruito l'edificio dell'Istituto di fisica dell'Università. Umov morì il 15 gennaio 1915.

Nella sua opera "Equazioni del moto dell'energia nei corpi" Umov considera il movimento dell'energia in un mezzo con una distribuzione uniforme dell'energia in tutto il volume, in modo che ogni elemento del volume del mezzo "contenga una certa quantità di energia ad un momento dato". Umov indica la densità di energia volumetrica attraverso E e attraverso lx, 1y, lz - "i componenti lungo gli assi coordinati rettangolari x, yez della velocità con cui l'energia si muove nel punto considerato del mezzo". Umov stabilisce inoltre un'equazione differenziale, che obbedisce alla variazione della densità di energia E nel tempo:

Proprio come Maxwell, Umov denota derivati ​​​​parziali attraverso

Oggi scriviamo il contrario:

Pertanto, la variazione di energia all'interno del volume è determinata dal suo flusso attraverso la superficie. Attraverso ciascuna unità di superficie per unità di tempo scorre la quantità di energia El„, pari alla componente normale del vettore E1 = =y. Questo vettore è ora chiamato vettore Umov.

Il 17 dicembre 1883, Rayleigh presentò alla Royal Society una comunicazione di John Poynting (1852-1914) "On the Transfer of Energy in an Electromagnetic Field". Questo messaggio fu letto da Poynting il 10 gennaio 1884 e pubblicato negli atti della società nel 1885, cioè 11 anni dopo la pubblicazione di Umov. Non conoscendo questa pubblicazione, apparsa a Odessa nel 1874 come opuscolo separato, Poynting risolve la stessa questione in relazione al caso del movimento dell'energia elettromagnetica. Basandosi sull'espressione maxwelliana per la densità volumetrica dell'energia elettromagnetica, Pointing trova un teorema, che formula come segue: "La variazione della somma delle energie elettriche e magnetiche racchiuse all'interno della superficie al secondo, insieme al calore sviluppato dal correnti, è uguale al valore a cui ogni elemento della superficie contribuisce con la sua quota, a seconda dei valori delle forze elettriche e magnetiche su questo elemento.

Ciò significa che "l'energia scorre ... perpendicolare al piano contenente le linee delle forze elettriche e magnetiche e che la quantità di energia che attraversa la superficie unitaria di questo piano al secondo è uguale al prodotto: forze elettromotrici, forze magnetiche, seno dell'angolo tra di loro, diviso per 4n, mentre la direzione del flusso è determinata da tre quantità: forza elettromotrice, forza magnetica e flusso di energia, collegate in un gruppo destrorso.

Nella notazione moderna, il vettore del flusso di energia di Poynting in modulo e direzione è determinato dall'espressione:

Nella nostra letteratura, questo vettore è chiamato vettore di Umov-Poynting.

Parlando delle conquiste della teoria dell'interazione a corto raggio, che include la teoria di Maxwell, non bisogna dimenticare che questa teoria non ha goduto del sostegno della maggior parte dei principali fisici. Maxwell, nella prefazione alla prima edizione del suo "Trattato sull'elettricità e sul magnetismo", datata 1 febbraio 1873, scriveva che il metodo di Faraday è uguale al metodo dei matematici, che trattano l'elettricità in termini di azione a distanza. "Ho scoperto", scrisse Maxwell, "che i risultati di entrambi i metodi generalmente coincidono, così che gli stessi fenomeni sono spiegati da loro e le stesse leggi sono derivate da entrambi i metodi". Tuttavia, sottolinea che i metodi fruttuosi trovati dai matematici "possono essere espressi in termini di rappresentazioni mutuate da Faraday, molto meglio che nella loro forma originale". Tale, secondo Maxwell, è la teoria del potenziale, se il potenziale è considerato come una quantità che soddisfa un'equazione differenziale in derivate parziali. Maxwell favorisce e difende il metodo Faraday. "In questo modo, sebbene possa sembrare meno certo in alcune parti, è, penso, in migliore accordo con la nostra conoscenza effettiva, sia in ciò che afferma sia in ciò che lascia indeciso". Concludendo il suo trattato con un'analisi della teoria dell'azione a lungo raggio, Maxwell sottolinea che erano tutti contrari al concetto di campo, erano "contro il presupposto dell'esistenza di un mezzo in cui la luce si propaga". Ma Maxwell sostiene che il concetto di azione a lungo raggio affronta inevitabilmente la domanda: "Se qualcosa si propaga a una distanza da una particella all'altra, allora in quale stato si troverà quando ha lasciato una particella e non ne ha ancora raggiunto un'altra?" Maxwell ritiene che l'unica risposta ragionevole a questa domanda sia l'ipotesi di un mezzo intermedio che trasferisca l'azione di una particella a un'altra, l'ipotesi dell'azione ravvicinata. Se questa ipotesi è accettata, allora, come pensa Maxwell, "dovrebbe occupare un posto di rilievo nella nostra ricerca e dovremmo cercare di formare una rappresentazione mentale di tutti i dettagli di questa azione". "E quello era", conclude Maxwell, "il mio obiettivo costante in questo trattato".

Così, già nel "Trattato" Maxwell afferma la presenza di una seria opposizione tra i sostenitori dell'azione a lungo raggio alle nuove idee. Lo sente chiaramente nuovo concetto campi significa elevare la nostra comprensione dei fenomeni elettromagnetici a un nuovo livello superiore, e in questo ha certamente ragione. Ma questo nuovo livello, introducendo un concetto oscuro, non direttamente percepibile del campo, ci allontana dalle rappresentazioni sensoriali ordinarie, dai concetti familiari.L'indicazione di Aristotele è stata ripetuta ancora una volta che la conoscenza va verso "più ovvio per natura", ma "meno ovvio per noi". Erano necessari nuovi risultati affinché la teoria di Maxwell diventasse proprietà della fisica. Il ruolo decisivo nella vittoria della teoria maxwelliana fu svolto dal fisico tedesco Heinrich Hertz.

Hertz. Heinrich Rudolf Hertz nacque il 22 febbraio 1857 nella famiglia di un avvocato che in seguito divenne senatore. Nell'era di Hertz nella Germania unita, l'industria, la scienza e la tecnologia si svilupparono intensamente. All'Università di Berlino, Helmholtz ha creato il mondo scuola scientifica, sotto la sua guida, nel 1876 fu costruito un istituto di fisica. ( Sulla creazione e organizzazione dell'Istituto di Fisica Helmholtz, vedere il libro: Lebedinsky A.V. e altri Helmholtz.-M.: Nauka 1966, p. 148-153.) Allo stesso tempo, Werner Siemens (1816-1892) ha lavorato intensamente nel campo dell'ingegneria elettrica delle alte correnti. Siemens è stata l'organizzatore delle più grandi società di ingegneria elettrica "Siemens and Halske", "Siemens and Schunkert". Insieme a Helmholtz, è stato uno degli iniziatori della creazione dell'Istituto di fisica e tecnologia, la più alta istituzione metrologica della Germania. Amico e parente di Siemens, Helmholtz è stato il primo presidente di questo istituto.

Hertz è entrato anche tra questi leader della scienza e della tecnologia tedesca. Dopo essersi diplomato al ginnasio nel 1875, Hertz studiò prima a Dresda e poi alla Scuola tecnica superiore di Monaco. Ma presto si rese conto che la sua vocazione era la scienza e si trasferì all'Università di Berlino, dove studiò fisica sotto la guida di Helmholtz.

Hertz era lo studente preferito di Helmholtz, ed è stato a lui che Helmholtz ha incaricato di testare sperimentalmente le conclusioni teoriche di Maxwell. Hertz iniziò i suoi famosi esperimenti come professore alla Technische Hochschule di Karlsruhe e li completò a Bonn, dove era professore di fisica sperimentale.

Hertz morì il 1 gennaio 1894. Il suo insegnante Helmholtz, che scrisse un necrologio per il suo studente, morì lo stesso anno l'8 settembre.

Helmholtz, nel suo necrologio, ricorda l'inizio della carriera scientifica di Hertz, quando gli propose un argomento per il lavoro degli studenti nel campo dell'elettrodinamica, "assicurandosi che Hertz si sarebbe interessato a questo problema e lo avrebbe risolto con successo". Così Helmholtz ha introdotto Hertz nel campo in cui successivamente ha dovuto fare scoperte fondamentali e immortalare se stesso. Descrivendo lo stato dell'elettrodinamica in quel momento (estate 1879), Helmholtz scrisse: "... Il campo dell'elettrodinamica si trasformò in un deserto senza strade a quel tempo, fatti basati su osservazioni e conseguenze di teorie molto dubbie - tutto questo è stato mescolato insieme " . Si noti che questa caratteristica si riferiva al 1879, anno della morte di Maxwell. Hertz è nato come scienziato in quest'anno. Una caratterizzazione poco lusinghiera dell'elettrodinamica tra la fine degli anni '70 e l'inizio degli anni '80 del XIX secolo. data da Engels nel 1882.

Engels rileva l'"onnipresenza dell'elettricità", che si manifesta nello studio dei più diversi processi della natura, nel suo crescente impiego nell'industria, e sottolinea che, nonostante ciò, "è proprio quella forma di moto, sull'essenza della che c'è ancora la più grande ambiguità".

“Nella dottrina... dell'elettricità”, continua Engels, “abbiamo davanti a noi un caotico cumulo di vecchi esperimenti inaffidabili che non hanno ricevuto né conferma definitiva né confutazione finale, una sorta di incerto vagare nel buio, ricerche estranee a ciascuna altro e le esperienze di molti singoli scienziati che attaccano a caso un'area sconosciuta, come un'orda di cavalieri nomadi ”( Engel f. dialettica della natura. - Marx K., Engels f. Soch., 2a ed., Vol. 20, p. 433-434.). Sebbene Engels si esprima più nettamente di Helmholtz, le loro caratteristiche sono sostanzialmente le stesse: "deserto senza strade", "errante nel buio". Ma Helmholtz non dice una parola su Maxwell, ed Engels nota il "progresso decisivo" delle teorie eteree dell'elettricità e "un indiscutibile successo", riferendosi alla conferma sperimentale di Boltzmann della legge di Maxwell n2 = e.

"Così", riassume Engels, "la teoria eterea di Maxwell è stata specificamente confermata sperimentalmente."( Engel f. dialettica della natura. - Marx K., Engels f. Soch., 2a ed., Vol. 20, p. 439.) Ma la conferma decisiva doveva ancora arrivare.

Nel frattempo il giovane scienziato nelle opere "Un tentativo di determinare il limite superiore per l'energia cinetica del flusso di elettricità" (1880), la sua tesi di dottorato "Sull'induzione nei corpi rotanti" (marzo 1880), "Sulla relazione delle equazioni elettrodinamiche di Maxwell con l'elettrodinamica opposta" (1884) dovette attraversare il "deserto senza strade", alla ricerca di ponti tra teorie concorrenti. Nell'opera del 1884, Hertz mostra che l'elettrodinamica maxwelliana presenta vantaggi rispetto a quella consueta, ma ritiene non dimostrato che sia l'unica possibile. Successivamente, Hertz, tuttavia, si stabilì sulla teoria del compromesso di Helmholtz. Helmholtz ha preso in prestito da Maxwell e Faraday il riconoscimento del ruolo del mezzo nei processi elettromagnetici, ma, a differenza di Maxwell, credeva che l'azione delle correnti aperte dovesse essere diversa dall'azione delle correnti chiuse. L'azione delle correnti chiuse è derivata da entrambe le teorie allo stesso modo, mentre per le correnti aperte, secondo Helmholtz, si dovrebbero osservare conseguenze diverse da entrambe le teorie. "Per tutti coloro che conoscevano in quel momento lo stato attuale delle cose", scrisse Helmholtz, "era chiaro che una comprensione completa della teoria dei fenomeni elettromagnetici poteva essere raggiunta solo attraverso uno studio accurato dei processi associati a queste correnti aperte istantanee. "

Questa domanda è stata studiata nel laboratorio di Helmholtz da N.N. Schiller non ha scoperto la differenza tra correnti chiuse e aperte, come avrebbe dovuto essere secondo la teoria di Maxwell. Ma, a quanto pare, Helmholtz non fu soddisfatto di questo e suggerì che Hertz riprendesse la verifica della teoria di Maxwell e riprendesse la soluzione del problema posto nel 1879 dall'Accademia delle scienze di Berlino: "per mostrare sperimentalmente l'esistenza di una connessione tra le forze elettrodinamiche e la polarizzazione dielettrica dei dielettrici." I calcoli di Hertz hanno mostrato che l'effetto atteso, anche nelle condizioni più favorevoli, sarebbe stato troppo piccolo e "si è rifiutato di sviluppare il problema". Tuttavia, da quel momento non ha smesso di pensare a possibili modi per risolverlo e la sua attenzione "è stata acuita in relazione a tutto ciò che è collegato alle vibrazioni elettriche".

In effetti, alle basse frequenze, l'effetto della corrente di spostamento, ovvero questa è la principale differenza tra la teoria di Maxwell e la teoria dell'azione a lungo raggio, è trascurabile e Hertz ha correttamente compreso che le oscillazioni elettriche ad alta frequenza sono necessarie per risolvere con successo il problema. Cosa si sapeva di queste fluttuazioni?

Nel 1842, il fisico americano J. Henry, ripetendo gli esperimenti di Savart nel 1826, stabilì che lo scarico di un vaso di Leida "non appare... come un unico trasferimento di un fluido senza peso da un rivestimento del vaso all'altro" e che è necessario ammettere "l'esistenza della scarica principale in una direzione, e poi diverse azioni respinte avanti e indietro, ciascuna delle quali è più debole della precedente, continuando fino al raggiungimento dell'equilibrio.

Helmholtz, nelle sue memorie "Sulla conservazione della forza", afferma anche che la scarica della batteria di vasi di Leiden dovrebbe essere rappresentata "non come un semplice movimento di elettricità in una direzione, ma come il suo movimento avanti e indietro tra le due piastre, come vibrazioni che decrescono sempre di più fino al tutto manodopera non viene distrutto dalla somma delle resistenze.

W. Thomson nel 1853 indagò sulla scarica di un conduttore di una data capacità attraverso un conduttore di una data forma e resistenza. Applicando la legge di conservazione dell'energia al processo di scarica, derivò l'equazione del processo di scarica nella forma seguente:

dove q è la quantità di elettricità sul conduttore scaricato in un dato momento t, C è la capacità del conduttore, k è la resistenza galvanica dello scaricatore, A è “una costante che può essere chiamata capacità elettrodinamica dello scaricatore” e che ora chiamiamo coefficiente di autoinduzione o induttanza. Thomson, analizzando la soluzione di questa equazione per diverse radici dell'equazione caratteristica, trova che quando la quantità

ha un valore reale (1/CA>4*(k/A)2), quindi la soluzione mostra "che il conduttore principale perde la sua carica, si carica di meno elettricità di segno opposto, si scarica di nuovo, si carica di nuovo di pari meno elettricità del segno originale, e questo fenomeno si ripete un numero infinito di volte finché non si stabilisce l'equilibrio. La frequenza ciclica di queste oscillazioni smorzate è:

Pertanto, il periodo di oscillazione può essere rappresentato dalla formula:

Per piccoli valori di resistenza, otteniamo la nota formula di Thomson:

Le oscillazioni elettromagnetiche sono state studiate sperimentalmente da W. Feddersen (1832-1918), che ha esaminato l'immagine della scarica di scintille di un barattolo di Leida in uno specchio rotante, fotografando queste immagini, Feddersen ha scoperto che "in una scintilla elettrica si verificano correnti alternativamente opposte" e che il tempo di un'oscillazione "aumenta nella misura in cui aumenta la radice quadrata della superficie elettrificata", ovvero il periodo di oscillazione è proporzionale alla radice quadrata della capacità, come segue dalla formula di Thomson. Non a caso Thomson, ripubblicando nel 1882 la sua opera “On Transient Electric Currents”, discussa sopra, gli fornì una nota datata 11 agosto 1882: “La teoria di una scarica elettrica oscillatoria, considerata in questo articolo del 1853, acquisì ben presto una illustrazione interessante nell'eccellente studio fotografico di Feddersen sulla scintilla elettrica." Thomson prosegue sottolineando che la sua teoria "fu sottoposta a uno studio sperimentale molto importante e straordinariamente compiuto nel laboratorio di Helmholtz a Berlino", riferendosi all'opera di N. N. Schiller del 1874 "Some studi sperimentali vibrazioni elettriche”. Thomson osserva che, tra gli altri "risultati significativi" di questo studio, "le capacità induttive specifiche (cioè le permittività) di alcune sostanze isolanti solide sono state determinate dalle misurazioni dei periodi di oscillazioni osservate".

Pertanto, all'inizio della ricerca di Hertz, le oscillazioni elettriche erano state studiate sia teoricamente che sperimentalmente. Hertz, con la sua grande attenzione a questo argomento, mentre lavorava presso la Karlsruhe Higher Technical School, ha trovato un paio di bobine di induzione nell'aula di fisica destinate a dimostrazioni di lezioni. "Mi ha colpito", scrisse, "che per ottenere scintille in un avvolgimento, non fosse necessario scaricare batterie grandi attraverso un altro, e inoltre, per questo erano sufficienti piccoli vasi di Leida e persino scariche di un piccolo apparecchio a induzione , se solo la scarica perforasse lo spinterometro. Sperimentando queste bobine, Hertz ha avuto l'idea della sua prima esperienza;

Hertz descrisse la configurazione sperimentale e gli esperimenti stessi in un articolo pubblicato nel 1887 "Su oscillazioni elettriche molto veloci". Hertz descrive qui un metodo per generare oscillazioni "circa cento volte più veloci di quelle osservate da Feddersen". “Il periodo di queste oscillazioni”, scrive Hertz, “determinato, ovviamente, solo con l'aiuto della teoria, si misura in centomilionesimo di secondo. Pertanto, in termini di durata, occupano un posto intermedio tra le vibrazioni sonore dei corpi pesanti e le vibrazioni leggere dell'etere. Tuttavia, Hertz non parla di onde elettromagnetiche con una lunghezza di circa 3 m in questo lavoro. Non fece altro che costruire un generatore e un ricevitore di oscillazioni elettriche studiando l'azione induttiva del circuito oscillatorio del generatore sul circuito oscillatorio del ricevitore, con una distanza massima tra loro di 3 m.

Il circuito oscillatorio nell'esperimento finale era costituito dai conduttori C e C1, posti a una distanza di 3 m l'uno dall'altro, collegati da un filo di rame, al centro del quale era presente uno spinterometro della bobina di induzione. Il ricevitore era un circuito rettangolare con lati di 80 e 120 cm, con uno spinterometro in uno dei lati corti. L'azione induttiva del generatore sul ricevitore è stata rilevata da una debole scintilla in questo intervallo.

Riso. 43. L'esperienza di Hertz

Quindi Hertz realizzò un circuito ricevente sotto forma di due sfere di 10 cm di diametro, collegate da un filo di rame, al centro del quale c'era uno spinterometro. Descrivendo i risultati dell'esperimento, Hertz ha concluso: "Penso che qui per la prima volta l'interazione di correnti aperte rettilinee, che ha tale Grande importanza per teoria. In effetti, come sappiamo, sono stati i circuiti aperti che hanno permesso di scegliere tra teorie concorrenti. Tuttavia, né in questa prima opera, né in tre successive, Hertz parla di onde elettromagnetiche maxwelliane, non le vede ancora. Per ora parla dell'"interazione" dei conduttori e calcola questa interazione secondo la teoria dell'interazione a lungo raggio. I conduttori con cui Hertz lavora qui sono entrati nella scienza con il nome di vibratore e risonatore hertziano.Un conduttore è chiamato risonatore perché è fortemente eccitato da vibrazioni che risuonano con le sue stesse vibrazioni.

Nella sua opera successiva, "Sull'influenza della luce ultravioletta su una scarica elettrica", presentata ai "Protocolli dell'Accademia delle scienze di Berlino" il 9 giugno 1887, Hertz descrive un importante fenomeno da lui scoperto e successivamente chiamato effetto fotoelettrico. Questa notevole scoperta è stata fatta a causa dell'imperfezione del metodo hertziano per rilevare le oscillazioni: le scintille eccitate nel ricevitore erano così deboli che Hertz decise di collocare il ricevitore in una custodia oscura per facilitare l'osservazione. Tuttavia, si è scoperto che la lunghezza massima della scintilla in questo caso è molto inferiore rispetto a un circuito aperto. Rimuovendo le pareti della custodia in successione, Hertz notò che la parete rivolta verso la scintilla del generatore aveva un effetto interferente. Indagando attentamente su questo fenomeno, Hertz ha stabilito la causa che facilita la scarica della scintilla al ricevitore: il bagliore ultravioletto della scintilla del generatore. Così, per puro caso, come scrive lo stesso Hertz, si scoprì un fatto importante che non aveva alcuna relazione diretta con lo scopo dello studio. Questo fatto ha immediatamente attirato l'attenzione di numerosi ricercatori, tra cui il professore dell'Università di Mosca A. G. Stoletov, che ha studiato con particolare attenzione nuovo effetto, che chiamò actinoelettrico.

Esperienza con un vibratore Hertz

A. G. STOLETOV. Alexander Grigoryevich Stoletov nacque il 10 agosto 1839 a Vladimir in una famiglia di mercanti. Dopo essersi diplomato al Vladimir Gymnasium, Stoletov è entrato nella Facoltà di Fisica e Matematica dell'Università di Mosca e lì è stato lasciato per prepararsi all'insegnamento. Dal 1862 al 1865 Stoletov fu in viaggio d'affari all'estero, durante il quale incontrò importanti scienziati tedeschi Kirchhoff, Magnus e altri. Nel 1866 Stoletov divenne docente universitario e insegnò un corso di fisica matematica. Nel 1869 difese la tesi di laurea " Compito generale l'elettrostatica e la sua riduzione al caso più semplice”, dopo di che viene approvata dal professore associato dell'Ateneo.

Dopo aver difeso nel 1872 la sua tesi di dottorato "Ricerca sulla funzione della magnetizzazione del ferro dolce", Stoletov fu approvato come professore straordinario all'Università di Mosca e organizzò un laboratorio di fisica che formò molti fisici russi. In questo laboratorio Stoletov iniziò la sua ricerca actinoelettrica nel 1888. ( Per ulteriori informazioni sul laboratorio di A. G. Stoletov, vedere VKN Teplyakov GM, Kudryavtsev P. S Alexander Grigorievich Stoletov. - M. - Illuminismo, 1966)

Hertz, nel suo articolo sull'effetto della luce ultravioletta su una scarica elettrica, ha sottolineato la capacità delle radiazioni ultraviolette di aumentare lo spinterometro di un induttore e simili scaricatori. "Le condizioni in cui esercita la sua azione in tali scarichi sono, ovviamente, molto complicate, e sarebbe desiderabile indagare l'azione in modo più condizioni semplici, in particolare, eliminando gli induttori ", ha scritto Hertz. In una nota, ha sottolineato che non riusciva a trovare condizioni che potessero sostituire "il processo così poco compreso della scarica di scintille con un'azione più semplice". Solo G. Galvaks (1859-1922) riuscì per la prima volta. Ma Galvaks, così come Wiedemann ed Ebert, ha studiato, come Hertz, l'effetto della luce sulle scariche elettriche ad alta tensione.

Stoletov ha deciso di indagare se un'azione del genere sarebbe stata possibile con elettricità di potenziali deboli. Sottolineando i vantaggi di questo metodo, Stoletov ha proseguito: “Il mio tentativo ha avuto più successo del previsto. I primi esperimenti iniziarono intorno al 20 febbraio 1888 e continuarono ininterrottamente... fino al 21 giugno 1888. Chiamando il fenomeno oggetto di studio actinoelettrico, Stoletov riferisce di aver proseguito gli esperimenti nella seconda metà del 1888 e nel 1889 e ancora non li considera conclusi.

Per ottenere l'effetto fotoelettrico (termine che ha sostituito quello di Stoletov), ​​Stoletov ha utilizzato un'installazione che è il prototipo delle moderne fotocellule. Due dischi di metallo (Stoletov li chiamava "indotti" o "elettrodi") - uno costituito da una rete metallica e l'altro solido - erano collegati ai poli di una batteria galvanica tramite un galvanometro, formando un condensatore incluso nel circuito della batteria. Davanti al disco di rete è stata posta una lampada ad arco, la cui luce, passando attraverso la rete, è caduta sul disco di metallo.

“Già esperimenti preliminari... mi hanno convinto che non solo una batteria da 100 elementi... ma anche una molto più piccola fornisce una corrente innegabile nel galvanometro durante l'illuminazione dei dischi, se si collega solo il disco solido (posteriore) al suo polo negativo e alla maglia (anteriore) - con positivo.

Così semplicemente e puramente si è riprodotto il fenomeno della corrente fotoelettrica. È stato Stoletov a portare questo fenomeno fuori dalla confusione di complesse relazioni di scarica elettrica, ha escogitato un semplice progetto della prima fotocellula e ha quindi gettato le basi per uno studio fruttuoso dell'effetto fotoelettrico. Stoletov per la prima volta ha mostrato chiaramente e chiaramente l'unipolarità dell'effetto: "Fin dall'inizio della mia ricerca, ho insistito categoricamente sulla perfetta unipolarità dell'azione actinoelettrica, cioè sull'insensibilità cariche positive ai raggi. Dimostrò anche l'inerzia dell'azione: “La corrente actinoelettrica si interrompe istantaneamente (in pratica) non appena i raggi vengono ritardati dallo schermo”; ha mostrato che l'effetto fotoelettrico è associato "all'assorbimento dei raggi attivi" da parte dell'elettrodo illuminato: "I raggi devono essere assorbiti dalla superficie caricata negativamente. Ovviamente è importante l'assorbimento nello strato superiore più sottile dell'elettrodo, nello strato dove, per così dire, risiede la carica elettrica.

Indagando sul tempo trascorso dall'illuminazione dell'elettrodo all'apparizione della fotocorrente (questo era molto difficile e non molto affidabile), Stoletov ha scoperto che questo tempo era "molto trascurabile, in altre parole si può considerare l'azione dei raggi, in pratica, istantaneo. "In pratica, la corrente appare e scompare contemporaneamente all'illuminazione." Stoletov ha anche scoperto che la dipendenza della fotocorrente dalla tensione non è lineare; "La corrente è approssimativamente proporzionale alla forza elettromotrice solo ai valori più piccoli. Quest'ultima, e poi, man mano che aumenta, sebbene cresca anch'essa, ma sempre più lentamente."

Pertanto, Stoletov ha studiato l'effetto fotoelettrico con molta attenzione e dettaglio. Vide chiaramente la natura del fenomeno, ma prima della scoperta degli elettroni, ovviamente, non poteva ancora rivelarne la vera essenza: l'estrazione degli elettroni dalla luce. È tanto più sorprendente che nel primo paragrafo delle sue conclusioni scriva: "I raggi di un arco voltaico, che cadono sulla superficie di un corpo caricato negativamente, ne portano via una carica".

Il nome di Stoletov è giustamente tra i pionieri dell'effetto fotoelettrico.

Nel 1890 Stoletov continuò la sua ricerca. I risultati di una nuova ricerca sono stati pubblicati nell'articolo "Fenomeni actinoelettrici nei gas rarefatti". Qui Stoletov ha studiato il ruolo della pressione del gas in una fotocellula. Ha scoperto che quando la pressione del gas diminuisce, la corrente aumenta dapprima lentamente, poi più velocemente, raggiungendo un massimo a una certa pressione, che Stoletov definì critica e denotò con Rt. Dopo aver raggiunto la pressione critica, la corrente scende, avvicinandosi al limite finale. Stoletov ha trovato una legge che mette in relazione la pressione critica con la carica di un condensatore. "La pressione critica è proporzionale alla carica del condensatore, in altre parole, -^L-= const." Questa legge è entrata nella fisica della scarica di gas sotto il nome di legge di Stoletov.

Agli studi actinoelettrici sono seguiti gli articoli di Stoletov discussi sopra sullo stato critico.

campo fisico - questa è una forma speciale di materia che esiste in ogni punto dello spazio, manifestata dall'impatto su una sostanza che ha una proprietà correlata a quella che ha creato questo campo.

corpo + carica  campo  corpo + carica

Ad esempio, nel caso dell'emissione di un singolo impulso radio ad una distanza significativa tra l'antenna trasmittente e quella ricevente, ad un certo punto risulta che il segnale è già stato emesso dall'antenna trasmittente, ma non è ancora stato ricevuto dal ricevente. Di conseguenza, in un dato momento, l'energia del segnale sarà localizzata nello spazio. In questo caso è ovvio che il vettore energetico non è il solito ambiente materiale, ma rappresenta una realtà fisica diversa, che si chiama campo .

C'è una differenza fondamentale nel comportamento della materia e del campo.

La differenza principale è la fluidità. La sostanza ha sempre un confine netto del volume che occupa e il campo non può fondamentalmente avere un confine netto ( approccio macroscopico ), varia in modo graduale da un punto all'altro. In un punto dello spazio può esserci un numero infinito di campi fisici che non si influenzano a vicenda, cosa che non si può dire della materia. Il campo e la materia possono compenetrarsi a vicenda.

EMF e carica elettrica sono i concetti di base relativi ai fenomeni fisici dell'elettromagnetismo.

EMF - questa è una forma speciale di materia, attraverso la quale viene effettuata l'interazione tra cariche elettriche, che differisce continuo distribuzione nello spazio (EMW, EMF di particelle cariche) e rilevamento discrezione strutture (fotoni), caratterizzate dalla capacità di propagarsi nel vuoto ad una velocità prossima a Insieme a, esercitando una forza sulle particelle cariche, a seconda della loro velocità .

L'EMF può essere completamente descritto utilizzando potenziali scalari e vettoriali, che, secondo la teoria della relatività, costituiscono un unico vettore quadridimensionale nello spazio-tempo, le cui componenti si trasformano quando ci si sposta da un sistema di riferimento inerziale all'altro in secondo le trasformazioni di G. Lorentz.

Carica elettrica – una proprietà delle particelle di una sostanza o dei corpi che caratterizza la loro relazione con il proprio CEM e la loro interazione con un CEM esterno; ha due tipi, noti come carica positiva (carica protonica) e carica negativa (carica elettronica); quantitativamente determinato dall'interazione di forza dei corpi con cariche elettriche .

L'idealizzazione è conveniente per l'analisi EMF "carica punti" è la carica concentrata in un punto. La carica più piccola in natura è la carica di un elettrone. e e-mail \u003d 1.60210 -19 C, quindi le cariche dei corpi devono essere multiple e e-mail .

Tuttavia, spesso è conveniente considerare la carica come continuamente distribuita (approccio macroscopico). Esiste un concetto di volumetrico (, C / m 3), superficie (
, C/m 2) e lineare ( , C/m) densità di carica.

. (1.1)

. (1.2)

. (1.3)

L'EMF di cariche elettriche stazionarie è indissolubilmente legato alle particelle che lo generano, ma l'EMF di una particella carica che si muove a velocità accelerata può esistere indipendentemente dalla materia sotto forma di EMW .

EMW - Oscillazioni EM che si propagano nello spazio nel tempo a velocità finita.

Nello studio dell'EMF si trovano due forme della sua manifestazione: campi elettrici e magnetici, a cui possono essere date le seguenti definizioni.

Campo elettrico - una delle manifestazioni dell'EMF, dovuta a cariche elettriche e una variazione del campo magnetico, che ha un effetto di forza su particelle e corpi carichi, rilevata dall'effetto di forza su immobile corpi carichi e particelle.

Un campo magnetico - una delle manifestazioni di CEM, dovute alle cariche elettriche in movimento particelle cariche (e corpi) e un cambiamento nel campo elettrico, che ha un effetto di forza su in movimento particelle cariche, rilevate dall'azione della forza diretta normalmente alla direzione di movimento di queste particelle e proporzionale alla loro velocità .

La divisione dell'EMF in campi elettrici e magnetici è relativa, poiché dipende dalla scelta del sistema di riferimento inerziale in cui si studia l'EMF. Ad esempio, se un determinato sistema è costituito da cariche elettriche a riposo, quando si studia l'EMF in questo sistema, verrà stabilita la presenza di un campo elettrico e l'assenza di uno magnetico. Tuttavia, se un altro sistema di coordinate si sposta rispetto a questo sistema, verrà rilevato anche un campo magnetico nel secondo sistema.

Le principali caratteristiche dei campi elettromagnetici considerato (intensità del campo elettrico ) e (induzione magnetica ), che descrivono la manifestazione delle forze meccaniche nei campi elettromagnetici e possono essere misurate direttamente. L'intensità del campo elettrico può essere definita come la forza che agisce su una carica puntiforme di intensità nota ( la forza di Sh. Coulomb ):

. (1.4)

Induzione magnetica è determinato in termini di forza che agisce su una carica puntiforme q valore noto, in movimento in un campo magnetico ad una velocità , (la forza di G. Lorentz )
:

. (1.5)

Le caratteristiche ausiliarie di EMF sono (induzione elettrica o spostamento elettrico ) e (intensità della componente magnetica dell'EMF ). I nomi delle caratteristiche dei campi elettromagnetici non sono indiscutibili, ma si sono sviluppati storicamente. Le unità di misura delle principali caratteristiche EMF sono riportate a pagina 3. Utilizzeremo Sistema internazionale di unità SI , il più conveniente per pratico applicazioni.

Il collegamento tra le caratteristiche principali e ausiliarie viene effettuato utilizzando equazioni materiali :

. (1.6)

. (1.7)

Nella maggior parte degli ambienti, vettori e , piace e ,collineare (Allegato 1). Ma nel caso dei mezzi giroelettrici (ferroelettrici) e giromagnetici (ferromagneti).  e  diventare tensore quantità e i vettori specificati a coppie potrebbero perdere la loro collinearità.

Valore
chiamato flusso magnetico .

Valore  -conducibilità ambiente. Con questo valore in mente, possiamo relazionarci densità di corrente di conduzione (j eccetera ) e intensità di campo:

. (1.8)

L'equazione (1.8) è la forma differenziale G. Legge di Ohm per il tratto di catena.

I campi sono divisi in scalare , vettore e tensore .

Campo scalare - questa è una certa funzione scalare con un dominio di definizione distribuito continuamente in ogni punto dello spazio (Fig. 1.1). Il campo scalare è caratterizzato superficie piana (ad esempio, in Fig. 1.1 - equipotenziale linee), che è data dall'equazione:
.

campo vettoriale è una quantità vettoriale continua data in ogni punto dello spazio con un dominio di definizione (Fig. 1.2) La caratteristica principale di questo campo è linea vettoriale , in ogni punto di cui vettore il campo è diretto tangenzialmente. record fisico linee di forza :
.

Campo tensoriale è una quantità tensore continua distribuita nello spazio. Ad esempio, per un dielettrico anisotropo, la sua permittività relativa diventa una quantità tensoriale:
.

Studiando l'induzione elettromagnetica, abbiamo visto che quando si considera questo fenomeno in un certo sistema di riferimento inerziale, due ragioni varie presenza di corrente induttiva. Nel quadro di riferimento del laboratorio, la causa dell'EMF è o la comparsa di un campo elettrico a vortice, o l'azione della forza di Lorentz sulle cariche elettriche che si muovono insieme al conduttore dal lato del campo magnetico. Tuttavia, quando si analizza il verificarsi di campi elettromagnetici di induzione dovuti alla forza di Lorentz in un esperimento con un telaio metallico che si muove in un campo magnetico (vedi Fig. 113), possiamo ragionare in modo diverso.

Carattere relativo dei campi elettrici e magnetici.

Passiamo al quadro di riferimento associato al quadro mobile. In esso le cariche sono immobili e, quindi, dal lato del magnetico

le forze sul campo non agiscono su di loro. A rigor di termini, in presenza di corrente, le cariche si muovono lungo il conduttore con una velocità di deriva e (vedi Fig. 114), e in un campo magnetico sono interessate dalla forza di Lorentz. Tuttavia, è diretto attraverso il conduttore e non può spiegare il verificarsi di campi elettromagnetici.

Come spiegare il verificarsi dell'EMF di induzione in questo quadro di riferimento? L'unica cosa che resta da supporre è la presenza in questo quadro di un campo elettrico diretto perpendicolarmente al campo magnetico lungo il lato del quadro, che non era presente nel quadro di riferimento originario. Infatti, in qualsiasi sistema di riferimento inerziale in unità SI, la forza che agisce sulla carica è determinata dalla formula (5) § 17:

Poiché nel quadro di riferimento associato al quadro, la forza può essere solo dovuta al campo elettrico E esistente in questo quadro.

Campi elettrici e magnetici in sistemi diversi riferimento. Quindi, arriviamo alla conclusione sulla natura relativa dei campi elettrico e magnetico. Secondo il principio di relatività, tutti i sistemi di riferimento inerziali sono uguali. Questo vale non solo per i fenomeni meccanici, ma anche per i fenomeni di qualsiasi natura, compresi quelli elettromagnetici.

Riso. 125. A una spiegazione del verificarsi della fem di induzione in diversi quadri di riferimento

Nell'esperimento qui discusso, la quantità osservata è la fem di induzione nel frame, ed esiste indipendentemente dal frame inerziale in cui è considerato questo esperimento.

Come abbiamo visto, in un sistema di riferimento, dove non c'è campo elettrico, l'esistenza di EMF è spiegata dalla forza di Lorentz (Fig. 125a), mentre nell'altro, dove il sistema è immobile, solo dalla presenza di un campo elettrico (Fig. 1256). Alle basse velocità, quando è possibile trascurare la variazione di forza durante il passaggio da un quadro di riferimento all'altro, dalla formula (1) risulta che l'intensità del campo elettrico E nel sistema in cui il quadro

fisso, deve essere

Quindi, un magnete in movimento, oltre a uno magnetico, crea anche un campo elettrico.

Prestiamo attenzione al fatto che abbiamo potuto notare prima la natura relativa dei campi elettrico e magnetico. Infatti una carica stazionaria crea solo un campo elettrico. Tuttavia, una carica che è stazionaria in un sistema di riferimento si sposta rispetto ad altri sistemi di riferimento. Una tale carica mobile è come corrente elettrica e quindi crea un campo magnetico. Quindi, se in qualsiasi sistema di riferimento c'è solo un campo elettrico, allora in qualsiasi altro sistema ci sarà anche un campo magnetico.

Otteniamo in questo caso una formula per l'induzione del campo magnetico, simile alla formula (2). Si consideri un sistema di riferimento che si muove con una velocità relativa alla carica. In questo sistema di riferimento, la carica si muove ad una velocità Il campo magnetico che crea, secondo la formula (16) § 15, è dato dall'espressione

Ma nello stesso punto, la carica crea un campo elettrico E uguale a

Confrontando le formule (3) e (4), vediamo che il campo magnetico creato da una carica che si muove alla velocità di -V è correlato al campo elettrico E creato dalla stessa carica nel sistema di riferimento dove è stazionaria dalla relazione

Questa formula, ottenuta per un addebito puntuale, vale anche per il campo creato da un'eventuale distribuzione di addebiti.

Quindi, se in qualche sistema di riferimento c'è solo un campo elettrico E, allora in un altro sistema di riferimento, muovendosi con una velocità relativa a quella originaria, c'è anche un campo magnetico B, che si calcola con la formula (5).

Invarianti del campo elettromagnetico. Le formule (2) e (5) sono casi speciali di trasformazioni di campo nella transizione da un sistema di riferimento inerziale all'altro. Sono validi a bassa velocità relativa dei sistemi di riferimento (). Nel caso generale, quando nel sistema di riferimento iniziale sono presenti sia un campo elettrico che un campo magnetico, le formule di conversione non relativistica in SI hanno la forma

Più avanti vedremo che dove c è la velocità della luce nel vuoto.

Le formule per la trasformazione dei campi elettrici e magnetici ad una velocità relativa di sistemi di riferimento paragonabili alla velocità della luce sono più ingombranti della (6). Tuttavia, sempre quando ci si sposta da un sistema di riferimento inerziale all'altro, ci sono invarianti, cioè combinazioni dei vettori E e B che non cambiano il loro valore.Ci sono solo due combinazioni indipendenti: questo è il prodotto scalare di questi vettori e la loro differenza di quadrati:

Le formule (7) e (8) ci consentono di trarre una serie di importanti conclusioni sulle proprietà del campo elettromagnetico. Se in qualsiasi sistema di riferimento inerziale i campi elettrico e magnetico sono perpendicolari tra loro, allora, come si può vedere da (7), saranno mutuamente perpendicolari in qualsiasi altro sistema. Per tali campi reciprocamente ortogonali, si può trovare un tale quadro di riferimento in cui o oa seconda che l'invariante (8) sia positivo o negativo.

Dalla natura relativa dei campi elettrico e magnetico, ne consegue naturalmente che quando si studiano i fenomeni elettrici e magnetici, ha senso considerare questi campi insieme, come un unico campo elettromagnetico. Quando si passa da un quadro di riferimento all'altro, il campo elettrico in un quadro, come abbiamo visto, è espresso sia in termini di campo elettrico che in termini di campo magnetico nell'altro quadro, e viceversa. Pertanto, è naturale aspettarsi che ci sia una certa simmetria tra fenomeni elettrici e magnetici. Un cambiamento nel campo magnetico genera un campo elettrico a vortice. Si scopre che è vero anche il contrario: un campo elettrico variabile nel tempo genera un campo magnetico.

Cambiare il campo elettrico come fonte di campo magnetico. A questa conclusione si può giungere analizzando i fatti sperimentali a noi già noti e le leggi fisiche che li descrivono. Si consideri una sezione di un circuito elettrico contenente un lungo filo rettilineo e un condensatore piatto (Fig. 126a). Assumeremo che per un periodo di tempo sufficientemente piccolo la corrente in questo circuito sia uguale a I. Questa corrente è associata a una variazione della carica del condensatore dalla relazione

Consideriamo un circuito circolare I che racchiude un conduttore, come mostrato in fig. 126 bis. La corrente crea un campo magnetico, quindi, secondo il teorema sulla circolazione del vettore di induzione del campo magnetico, abbiamo

Sul lato destro della (9) c'è una carica che attraversa la superficie delimitata dal contorno I per unità di tempo. Allungheremo ora la superficie delimitata dal contorno I in modo che, senza attraversare i fili con la corrente, passi nello spazio tra le piastre del condensatore (S in Fig. 126b). In questo caso nessuna carica attraversa la superficie prolata delimitata dal contorno, e in questo senso la corrente I in (9) è uguale a zero. Ma il campo magnetico attorno al filo, nel punto in cui si trova il contorno, non può scomparire e il lato sinistro di (9) non cambia il suo valore quando la superficie è deformata. Arriviamo a una contraddizione: il lato sinistro della (9) è diverso da zero, mentre il lato destro è uguale a zero. Ciò significa che manca qualcosa nella formula (9). È naturale aspettarsi che, infatti, sul lato destro di questa formula ci sia un termine in più, che è uguale a zero se la superficie contratta dal contorno interseca il filo.

Riso. 126. La circolazione del vettore di induzione magnetica non dipende dal fatto che la superficie che si contrae attraversi il filo con corrente (a) o passi tra le piastre del condensatore (b)

Come indovinare il tipo di questo membro? Poiché il lato sinistro della formula (9) non è cambiato durante la deformazione superficiale, proveremo a sostituire nel lato destro di (9) invece di I la velocità di variazione della carica uguale ad essa sulle piastre del condensatore e proveremo a interpretare questo valore in modo che abbia senso nell'area in cui non ci sono cariche in movimento. Poiché la carica del condensatore è uguale al prodotto della densità di carica superficiale a e dell'area della piastra, quindi a dimensioni e forma costanti del condensatore Esprimendo la densità di carica superficiale in termini di intensità del campo elettrico tra le piastre , riscriviamo (9) nella forma

A differenza della corrente I, il valore non è uguale a zero nello spazio tra le piastre del condensatore. Poiché il prodotto rappresenta il flusso dell'intensità del campo elettrico E attraverso la superficie delimitata dal contorno, sul lato destro della (10) c'è un valore proporzionale alla velocità di variazione del flusso dell'intensità del campo elettrico:

Generalizzazione del teorema di circolazione del campo magnetico. Se ora invece di (9) e (11) scriviamo la formula

allora sarà sempre valido, indipendentemente da dove passa la superficie delimitata dal contorno I. Se la superficie attraversa il filo, allora il secondo termine sul lato destro della (12) è praticamente zero e torniamo al teorema di circolazione del campo magnetico ( 9). Se la superficie passa all'interno del condensatore, il primo termine sul lato destro non dà un contributo, ma, come abbiamo visto, la situazione viene salvata dal secondo termine.

Sorge la domanda: il secondo termine aggiunto a destra della (12) è puramente formale, necessario solo perché la formula sia valida per qualsiasi superficie delimitata da un dato contorno, oppure ha un significato fisico e corrisponde al fatto che il campo magnetico è eccitato da un campo elettrico variabile?

Riso. 127. Un cambiamento nel campo elettrico porta alla comparsa di un campo magnetico

La risposta a questa domanda può essere ottenuta se consideriamo un esperimento leggermente modificato (Fig. 127), in cui il circuito I si trova interamente all'interno di un grande condensatore, la cui distanza tra le piastre è grande rispetto alle dimensioni del circuito. L'esperienza mostra che c'è un campo magnetico all'interno del condensatore; tuttavia è ovvio che questo campo non può essere creato da fili portatori di corrente posti molto distanti, quindi in questo caso il campo magnetico si forma a causa di una variazione del campo elettrico. La circolazione dell'induzione di questo campo magnetico lungo il contorno è determinata dalla velocità di variazione del flusso di intensità del campo elettrico attraverso la superficie delimitata da questo contorno.

corrente di polarizzazione. Il valore è chiamato corrente di spostamento, poiché, come la corrente di conduzione, è una fonte di campo magnetico. Il termine "spostamento" è dovuto a ragioni storiche ed è associato al modello meccanico del campo elettrico che ha perso il suo significato. Va notato che la corrente di spostamento è equivalente alla corrente di conduzione solo in termini di capacità di creare un campo magnetico. Ad esempio, in presenza di una corrente di polarizzazione, non viene rilasciato calore Joule.

La corrente di spostamento fu prevista per la prima volta da Maxwell sulla base di un'analisi teorica delle leggi sperimentalmente stabilite dell'elettromagnetismo conosciute a quel tempo. Maxwell ha dimostrato

che un unico quadro coerente dei fenomeni elettromagnetici, coerente con la legge di conservazione della carica elettrica, può essere creato solo se si presume che un campo elettrico mutevole sia in grado di creare un campo magnetico. Dal sistema di equazioni del campo elettromagnetico da lui scritto derivano sia tutte le leggi sperimentali dell'elettromagnetismo che l'esistenza della corrente di spostamento.

Le equazioni di Maxwell. Il sistema di equazioni di Maxwell contiene quattro leggi fondamentali dell'elettromagnetismo. La prima legge è il teorema di Gauss che mette in relazione il flusso dell'intensità del campo elettrico attraverso una superficie chiusa con la carica totale all'interno di questa superficie. Nel caso di cariche fisse, il teorema di Gauss fornisce una diversa formulazione matematica della legge sperimentale di Coulomb. La relazione stabilita dal teorema di Gauss tra il flusso dell'intensità del campo elettrico attraverso una superficie chiusa e la carica totale all'interno della superficie vale per il movimento di entrambe le cariche e della superficie nel suo insieme o delle sue singole sezioni (cioè durante la deformazione della superficie).

La seconda legge è il teorema di Gauss per un campo magnetico, secondo il quale il flusso del vettore di induzione magnetica attraverso qualsiasi superficie chiusa è zero. Questo teorema riflette la natura vorticosa del campo magnetico e l'assenza di cariche magnetiche in natura.

La terza legge è la legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica, secondo la quale un campo magnetico variabile genera un campo elettrico a vortice.

La quarta legge è una generalizzazione della legge di Biot-Savart-Laplace. Un campo magnetico può essere creato sia da cariche elettriche in movimento, cioè correnti di conduzione, sia da un campo elettrico variabile, cioè correnti di spostamento.

Analizzando il sistema delle equazioni del campo elettromagnetico, Maxwell è giunto alla conclusione che queste equazioni consentono l'esistenza di campi elettrici e magnetici interconnessi che si propagano nello spazio alla velocità della luce - onde elettromagnetiche, che furono successivamente scoperte sperimentalmente da Hertz.

Sistema gaussiano di unità. Nella descrizione teorica del campo elettromagnetico, il più semplice e naturale è il cosiddetto sistema di unità gaussiane, che per grandezze elettriche coincide con il sistema CGSE elettrostatico assoluto. Le unità di quantità magnetiche vengono introdotte nel sistema gaussiano come segue.

Procederemo dall'espressione per l'induzione magnetica del campo creato da una corrente rettilinea infinita:

È possibile rilevare un campo magnetico dal suo effetto su un altro conduttore che trasporta corrente. Se questo conduttore è posizionato parallelamente al conduttore che crea un campo magnetico, allora la forza che agisce su di esso, secondo la legge di Ampère, sarà proporzionale all'induzione del campo magnetico B, alla forza della corrente in esso contenuta e alla sua lunghezza

Ricordiamo che in unità SI, il coefficiente k nella formula (14) è uguale all'unità secondo la definizione dell'induzione del campo magnetico B attraverso il momento delle forze agenti sull'anello con la corrente. Nella formula (13) o nella legge di Biot-Savart-Laplace, da cui segue, il coefficiente k è scritto nella forma e il suo valore (o il valore della costante magnetica si ottiene dalla definizione dell'ampere attraverso la forza di interazione di due correnti parallele.

Nel sistema gaussiano di unità, i coefficienti sono introdotti in modo diverso.

Il coefficiente k nella formula (13) può essere scelto arbitrariamente, poiché l'unità dell'induzione di campo B non è stata ancora stabilita. Ma dopo aver scelto questo coefficiente k nella (13) (quindi si sceglie anche l'unità di induzione B), il coefficiente k nella formula (14) non può più essere scelto arbitrariamente, ma deve essere determinato dall'esperimento. Naturalmente, puoi fare il contrario: usa l'equazione (14) per introdurre l'unità di induzione del campo, supponendo che il coefficiente k in (13) sarà determinato sperimentalmente. Nel sistema gaussiano, procedere come segue. Il coefficiente k nella formula (13) è scelto in modo che sia uguale al coefficiente k nella formula (14).

Costante elettrodinamica. Se sostituiamo l'induzione B da (13) nella formula (14), quindi per la forza di interazione di due conduttori paralleli con correnti I e posti a distanza l'uno dall'altro, otteniamo la seguente espressione:

Sulla base dell'ultima formula, viene stabilita l'unità di induzione del campo magnetico, gauss. Un gauss è l'induzione di un tale campo che agisce su 1 cm del conduttore con una corrente di un CGSE - un'unità con una forza numericamente uguale a din, se il conduttore si trova perpendicolare alle linee di induzione del campo magnetico.

Sottolineiamo che il valore numerico della costante magnetica si ottiene come diretta conseguenza della definizione dell'ampere, e non è stabilito sperimentalmente, contrariamente al coefficiente nel sistema gaussiano. Questo accade perché nel sistema SI il numero di unità di base è maggiore che nel sistema gaussiano e l'unità di intensità della corrente è quella principale (scelta arbitrariamente), mentre nel sistema gaussiano questa unità è una derivata.

Formule di base nel sistema gaussiano. Dalla seconda formula (16), che esprime la legge di Ampere, segue che nel sistema di unità gaussiane l'espressione per la forza di Lorentz assume la forma:

Da qui (oltre che dalla prima formula ne consegue che nel sistema gaussiano le dimensioni dell'intensità del campo elettrico e dell'induzione del campo magnetico sono le stesse. Questa coincidenza di dimensioni non è casuale: come abbiamo visto, spostandosi da un riferimento sistema ad un altro, si verifica una parziale trasformazione reciproca dei campi elettrico e magnetico.Questa proprietà del campo elettromagnetico è espressa in modo più naturale proprio nel sistema di unità gaussiano, dove le grandezze fisiche E e B che si intersecano sono misurate in unità di la stessa dimensione (sebbene queste unità siano chiamate in modo diverso: l'unità di intensità del campo elettrico non ha un nome speciale e l'unità di campo magnetico è chiamata gauss).

La proprietà annotata si manifesta nelle formule per la trasformazione dei campi durante il passaggio da un sistema di riferimento inerziale all'altro. Invece di (6) nel sistema gaussiano, abbiamo

In queste formule appare chiaramente la stessa dimensione dei termini ai lati destro.

Nel sistema di unità gaussiane, anche le espressioni per gli invarianti del campo elettromagnetico assumono una forma più simmetrica:

Spiegare brevemente perché, spostandosi da un quadro di riferimento, dove c'è solo un campo elettrico, ad un altro quadro, quest'ultimo avrà anche un campo magnetico, e viceversa.

Perché i campi elettrici e magnetici, mutuamente perpendicolari in qualsiasi sistema di riferimento, saranno mutuamente perpendicolari in qualsiasi altro sistema di riferimento?

Come spiegare che il campo magnetico è creato non solo da cariche in movimento, ma anche da un campo elettrico che cambia nel tempo?

Quali sono le somiglianze e le differenze tra la corrente di conduzione e la corrente di spostamento?

Due elettroni nel vuoto si respingono perché hanno la stessa carica. Quando si muovono in percorsi paralleli, una forza attrattiva agisce tra di loro, come tra correnti parallele. C'è una velocità alla quale questa attrazione supererà la loro repulsione coulombiana?

Quali leggi sperimentali dei fenomeni elettromagnetici hanno costituito la base del sistema di equazioni di Maxwell?

Come vengono introdotti i coefficienti nelle leggi di Ampère e Biot-Savart-Laplace nel sistema di unità gaussiane?

Come viene determinata l'unità di induzione del campo magnetico nel sistema di unità gaussiane?

Mostra che nel sistema di unità gaussiane, l'intensità del campo elettrico e l'induzione del campo magnetico hanno la stessa dimensione.

Spiega perché il valore della costante elettrica nel sistema di unità gaussiane è stabilito dall'esperienza, mentre il valore della costante magnetica in SI è semplicemente calcolato. Su cosa si basa?