Elektromagnētiskā lauka teorijas pamatjēdzieni. Elektromagnētiskā lauka teorijas rašanās un attīstība. Faradeja indukcijas likums

Praksē, raksturojot elektromagnētisko vidi, tiek lietoti termini "elektriskais lauks", "magnētiskais lauks", "elektromagnētiskais lauks". Īsi paskaidrosim, ko tas nozīmē un kāda saistība starp tiem pastāv.

Elektrisko lauku rada lādiņi. Piemēram, visos labi zināmajos skolu eksperimentos par ebonīta elektrifikāciju ir tikai elektriskais lauks.

Magnētiskais lauks rodas, kad elektriskie lādiņi pārvietojas pa vadītāju.

Lai raksturotu vērtību elektriskais lauks tiek izmantots elektriskā lauka intensitātes jēdziens, apzīmējums E, mērvienība ir V / m (volts uz metru). Vērtība magnētiskais lauks raksturīgs ar magnētiskā lauka stiprumu H, mērvienību A/m (ampērs uz metru). Mērot īpaši zemas un ārkārtīgi zemas frekvences, bieži tiek izmantots arī magnētiskās indukcijas B jēdziens, mērvienība T (Tesla), viena miljonā daļa no T atbilst 1,25 A / m.

Pēc definīcijas elektromagnētiskais lauks ir īpaša matērijas forma, caur kuru notiek mijiedarbība starp elektriski lādētām daļiņām. Elektromagnētiskā lauka pastāvēšanas fiziskie iemesli ir saistīti ar faktu, ka laikā mainīgs elektriskais lauks E rada magnētisko lauku H, bet mainīgs H rada virpuļelektrisko lauku: abas sastāvdaļas E un H, nepārtraukti mainoties, ierosina katru. cits. Stacionāru vai vienmērīgi kustīgu lādētu daļiņu EML ir nesaraujami saistīts ar šīm daļiņām. Paātrinot lādētu daļiņu kustību, EMF no tām "atdalās" un pastāv neatkarīgi elektromagnētisko viļņu veidā, nepazūdot līdz ar avota noņemšanu (piemēram, radioviļņi nepazūd pat tad, ja nav strāvas padeves). antena, kas tos izstaroja).

Elektromagnētiskos viļņus raksturo to viļņa garums. Avotu, kas rada starojumu un faktiski rada elektromagnētiskās svārstības, raksturo frekvence.

Dzīvība uz Zemes radās, attīstījās un ilgu laiku norisinājās relatīvi vāju elektromagnētisko lauku (EMF) apstākļos, ko radījuši dabiski avoti. Tajos ietilpst Zemes elektriskie un magnētiskie lauki, kosmiskie radioviļņu avoti (Saule un citas zvaigznes), Zemes atmosfērā notiekošie procesi, piemēram, zibens izlādes, jonosfēras svārstības. Cilvēks ir arī vāja EML avots. Kā pastāvīgais vides faktors, šiem laukiem ir noteikta nozīme visu organismu, arī cilvēku, dzīvē.

Tomēr pēdējo 50-60 gadu laikā jauns nozīmīgs faktors vide - antropogēnas izcelsmes elektromagnētiskie lauki. Tos veido 2 lielas mākslīgo avotu grupas:

Produkti, kas īpaši radīti elektromagnētiskās enerģijas emisijai: radio un televīzijas raidstacijas, radaru iekārtas, fizioterapijas iekārtas, dažādas radiosakaru sistēmas, tehnoloģiskās iekārtas rūpniecībā;

Šo ierīču izstarotie elektromagnētiskie lauki kopā ar Zemes un Kosmosa dabiskajiem laukiem rada sarežģītu un mainīgu elektromagnētisko vidi. Tā rezultātā kopējais EML stiprums dažādos zemes virsmas punktos palielinājās 100-10 000 reižu, salīdzinot ar dabisko fonu. Īpaši strauji tas pieauga elektrolīniju, radio un televīzijas staciju, radaru un radiosakaru iekārtu, dažādu energoietilpīgu un energoietilpīgu iekārtu un pilsētas elektrotransporta tuvumā. Evolūcijas progresa mērogā šo kolosālo EML intensitātes pieaugumu var uzskatīt par vienreizēju lēcienu ar slikti prognozējamām bioloģiskām sekām.

Viela un lauks- fizikālie pamatjēdzieni, kas makroskopiskā līmenī apzīmē divus galvenos matērijas veidus:

Viela - diskrētu veidojumu kopums, kam ir miera masa (atomi, molekulas un no tiem veidotais);

lauks - matērijas veids, kam raksturīga nepārtrauktība un nulles miera masa (elektromagnētiskais lauks un gravitācijas lauks - gravitācijas lauks). Lauka kā matērijas veida atklāšanai bija liela filozofiska nozīme, jo tā atklāja matērijas metafiziskās identificēšanas neatbilstību matērijai. Ļeņina izstrādātā matērijas dialektiski materiālistiskā definīcija lielā mērā balstījās uz jomas doktrīnas attīstības filozofisku vispārinājumu. Subatomiskā līmenī (tas ir, elementārdaļiņu līmenī) atšķirība starp vielu un lauku kļūst relatīva. Lauks (elektromagnētiskais un gravitācijas) zaudē savu tīri nepārtraukto raksturu: tiem jāatbilst diskrētiem veidojumiem - kvantiem (fotoniem un gravitoniem). BET elementārdaļiņas, no kuriem sastāv matērija - protoni, neitroni, elektroni, mezoni utt. - darbojas kā atbilstošā nukleona, mezona un citu lauku kvanti un zaudē savu tīri diskrēto raksturu. Subatomiskā līmenī ir aizliegts atšķirt vielu no lauka pēc miera masas esamības vai neesamības, jo nukleonu, mezonu utt. laukiem ir miera masa. Mūsdienu fizikā lauki un daļiņas darbojas kā divas nesaraujami saistītas mikrokosma puses, kā mikroobjektu korpuskulāro (diskrētu) un viļņu (nepārtraukta, nepārtraukta) īpašību vienotības izpausme. Priekšstati par jomu kalpo arī par pamatu mijiedarbības procesu skaidrošanai, iemiesojot tuvās darbības principu.

Vielas un lauka galvenās īpašības

1. Viela un lauks atšķiras pēc miera masas

Vielas daļiņām ir miera masa, elektromagnētiskajiem un gravitācijas laukiem nav. Tomēr mikrokosmosā katrs lauks ir saistīts ar daļiņu (šā lauka kvantu), un katra daļiņa tiek uzskatīta par attiecīgā lauka kvantu. Kodollaukiem (mezonam, nukleonam utt.) šī atšķirība vairs nav spēkā – šo lauku kvantiem ir ierobežota miera masa.

2. Viela un lauks atšķiras pēc kustības likumiem

Elektromagnētisko un gravitācijas lauku izplatīšanās ātrums vienmēr ir vienāds ar gaismas ātrumu vakuumā (c), un vielas daļiņu kustības ātrums vienmēr ir mazāks par c. Tomēr kodollauku klātbūtne arī novērš šo robežu. Šo lauku kvantiem raksturīga tieši neiespējamība pārvietoties ar ātrumu, kas vienāds ar c.

3. Viela un lauks atšķiras pēc caurlaidības pakāpes

Viela nav īpaši caurlaidīga, elektromagnētiskie un gravitācijas lauki ir otrādi.

Mikrokosmosa līmenī arī šī robeža pazudīs. Tādām daļiņām kā neitrīno viela ir ļoti caurlaidīga, no otras puses, kodollaukiem var būt ļoti zema caurlaidība.

4. Viela un lauks atšķiras pēc masas un enerģijas koncentrācijas pakāpes

Ļoti liels - vielas daļiņām un ļoti mazs - elektromagnētiskajiem un gravitācijas laukiem. Mikrokosmosā šī atšķirība arī tiek izdzēsta. Kodollaukos ir milzīga masas un enerģijas koncentrācija, un pat elektromagnētiskā lauka kvanti var sasniegt enerģijas koncentrāciju, kas ir daudz augstāka nekā vielas daļiņu koncentrācija.

5. Viela un lauks atšķiras kā korpuskulāras un viļņveida entītijas

Šī atšķirība pazūd mikroprocesu līmenī. Vielas daļiņām ir viļņu īpašības, un elektromagnētiskais lauks, kas ir nepārtraukts makroskopiskajos procesos, atklāj savu korpuskulāro aspektu mikrokosmosa līmenī.

Vispārīgs secinājums:

Atšķirība starp matēriju un lauku pareizi raksturo reālo pasauli makroskopiskā tuvinājumā. Šī atšķirība nav absolūta, un pārejā uz mikroobjektiem skaidri atklājas tās relativitāte. Mikropasaulē jēdzieni "daļiņas" (viela) un "viļņi" (lauki) darbojas kā papildu raksturlielumi, kas izsaka mikroobjektu iekšēji pretrunīgo būtību.

Šīs nodaļas apguves rezultātā studentam vajadzētu:

zināt

• elektromagnētiskā lauka teorijas empīriskie un teorētiskie pamati;
• elektromagnētiskā lauka teorijas tapšanas vēsture, gaismas spiediena un elektromagnētisko viļņu atklāšanas vēsture;
• Maksvela vienādojumu fiziskā būtība (integrālā un diferenciālā formā);
• J. K. Maksvela biogrāfijas galvenie posmi;
• galvenie virzieni elektrodinamikas attīstībā pēc Dž.K.Maksvela;
• Dž.K. Maksvela sasniegumi gadā molekulārā fizika un termodinamika;

būt spējīgam

• novērtēt Maksvela lomu elektrības un magnētisma teorijas attīstībā, Maksvela vienādojumu fundamentālo nozīmi, grāmatas "Traktāts par elektrību un magnētismu" vietu zinātnes vēsturē, G. Herca un P. N. vēsturiskos eksperimentus. Ļebedevs;
• apspriest vadošo elektromagnētisma jomā strādājošo zinātnieku biogrāfijas;

pašu

Prasmes darboties ar elektromagnētiskā lauka teorijas pamatjēdzieniem.

Pamatjēdzieni: elektromagnētiskais lauks, Maksvela vienādojumi, elektromagnētiskie viļņi, gaismas spiediens.

Faradeja atklājumi radīja revolūciju elektrības zinātnē. Ar viņa viegla roka elektrība sāka ieņemt jaunas pozīcijas tehnoloģijā. Nopelnījis elektromagnētisko telegrāfu. 70. gadu sākumā. 19. gadsimts tas jau savienoja Eiropu ar ASV, Indiju un Dienvidameriku, parādījās pirmie elektriskās strāvas ģeneratori un elektromotori, elektroenerģiju sāka plaši izmantot ķīmijā. Elektromagnētiskie procesi iebruka zinātnē arvien dziļāk. Ir pienācis laikmets, kad pasaules elektromagnētiskais attēls bija gatavs aizstāt mehānisko. Mums bija vajadzīgs ģeniāls cilvēks, kurš, tāpat kā Ņūtons savā laikā, varētu apvienot tajā laikā uzkrātos faktus un zināšanas un uz to pamata radīt jaunu teoriju, kas apraksta jaunās pasaules pamatus. Par tādu cilvēku kļuva Dž.K.Maksvels.

Džeimss Klerks Maksvels(10.1. att.) dzimis 1831. gadā. Viņa tēvs Džons Klerks Maksvels nepārprotami bija izcils cilvēks. Pēc profesijas jurists viņš tomēr daudz laika veltīja citām viņam interesantākām lietām: ceļoja, projektēja automašīnas, veica fiziskus eksperimentus un pat publicēja vairākus zinātniskus rakstus. Kad Maksvelam bija 10 gadu, tēvs viņu nosūtīja mācīties uz Edinburgas akadēmiju, kur viņš palika sešus gadus – līdz iestājās universitātē. 14 gadu vecumā Maksvels uzrakstīja pirmo zinātnisko rakstu par ovālu līkņu ģeometriju. Viņa kopsavilkums tika publicēts Proceedings of the Royal Society of Edinburgh, 1846.

1847. gadā Maksvels iestājās Edinburgas Universitātē, kur sāka padziļināti studēt matemātiku. Šajā laikā Edinburgas Karaliskās biedrības izdevumā tika publicēti vēl divi apdāvināta studenta zinātniskie darbi. Ar vienas no tām saturu (par ripojošām līknēm) sabiedrību iepazīstināja profesors Kellands, ar otru (par cietvielu elastīgajām īpašībām) pirmais iepazīstināja pats autors.

1850. gadā Maksvels turpināja izglītību Pīterhausā – Sv.Pētera koledžā, Kembridžas Universitātē un no turienes pārcēlās uz Svētās Trīsvienības koledžu – Trīsvienības koledžu, kas pasaulei deva I.Ņūtonu, vēlāk V.V.Nabokovu, B.Raselu u.c. 1854. gadā Maksvela kungs nokārto eksāmenu un saņem bakalaura grādu. Pēc tam viņš tika atstāts Trīsvienības koledžā par skolotāju. Tomēr viņu vairāk uztrauca zinātniskas problēmas. Kembridžā Maksvels sāka pētīt krāsu un krāsu redzi. 1852. gadā viņš nonāca pie secinājuma, ka spektrālo krāsu sajaukšana nesakrīt ar krāsu sajaukšanu. Maksvels izstrādā krāsu redzes teoriju, izstrādā krāsu topu (10.2. att.).

Rīsi. 10.1.

Rīsi. 10.2.

Līdzās vecajiem hobijiem – ģeometrijas un krāsu problēmām Maksvels aizrāvās ar elektrību. 1854. gadā 20. februārī viņš uzrakstīja vēstuli no Kembridžas V. Tomsonam Glāzgovā. Šeit ir šīs slavenās vēstules sākums:

"Dārgais Tomson! Tagad, kad esmu iestājies nelaimīgajā bakalaura klasē, esmu sācis domāt par lasīšanu. Ir ļoti patīkami reizēm būt starp pelnīti atzītām grāmatām, kuras vēl neesmu lasījis, bet jāizlasa. Bet mums ir liela vēlme atgriezties pie fiziskām lietām, un daži no mums šeit vēlas uzbrukt elektrībai.

Pēc kursa pabeigšanas Maksvels kļuva par Kembridžas universitātes Trīsvienības koledžas locekli un 1855. gadā kļuva par Edinburgas Karaliskās biedrības biedru. Tomēr drīz viņš pameta Kembridžu un atgriezās dzimtajā Skotijā. Profesors Forbes viņu informēja, ka Aberdīnā, Marišalas koledžā, ir atvērta fizikas profesora vakance, un viņam ir visas iespējas to aizpildīt. Maksvels pieņēma piedāvājumu un 1856. gada aprīlī (24 gadu vecumā!) ieņēma jaunu amatu. Aberdīnā Maksvels turpināja strādāt pie elektrodinamikas problēmām. 1857. gadā viņš nosūtīja M. Faradejam savu darbu "On Faraday's lines of force".

No citiem Maksvela darbiem Aberdīnā viņa darbs pie Saturna gredzenu stabilitātes bija plaši pazīstams. Izpētot Saturna gredzenu mehāniku, bija gluži dabiski pāriet uz gāzes molekulu kustību apsvērumiem. 1859. gadā Maksvels runāja Lielbritānijas Zinātņu attīstības asociācijas sanāksmē ar ziņojumu "Par gāzu dinamisko teoriju". Šis ziņojums iezīmēja viņa auglīgo pētījumu sākumu gāzu kinētiskās teorijas un statistiskās fizikas jomā.

1860. gadā Maksvels pieņēma Londonas King's College uzaicinājumu un piecus gadus strādāja tur par profesoru. Viņš nebija izcils pasniedzējs un viņam īpaši nepatika lasīt lekcijas. Tāpēc sekojošais pauze pasniegšanā viņam bija vairāk vēlams nekā kaitinošs un ļāva pilnībā iegrimt aizraujošu teorētiskās fizikas problēmu risināšanā.

Pēc A. Einšteina domām, Faradejam un Maksvelam elektrības zinātnē bija tādas pašas lomas, kādas mehānikā spēlēja Galileo un Ņūtons. Tāpat kā Ņūtons Galileja atklātajiem mehāniskajiem efektiem piešķīra matemātisku formu un fizisku pamatojumu, Maksvels darīja to pašu attiecībā uz Faradeja atklājumiem. Maksvels piešķīra Faradeja idejām stingru matemātisku formu, ieviesa terminu "elektromagnētiskais lauks" un formulēja matemātiskos likumus, kas apraksta šo lauku. Galileo un Ņūtons lika pamatus pasaules mehāniskajam attēlam, Faradejs un Maksvels elektromagnētiskajam.

Maksvels sāka domāt par savām idejām par elektromagnētismu 1857. gadā, kad tapa jau minētais raksts "Par Faraday's force lines". Šeit viņš plaši izmanto hidrodinamiskās un mehāniskās analoģijas. Tas ļāva Maksvelam pielietot īru matemātiķa V. Hamiltona matemātisko aparātu un tādējādi izteikt elektrodinamiskās attiecības matemātikas valodā. Nākotnē hidrodinamiskās analoģijas aizstās ar elastības teorijas metodēm: deformācijas, spiediena, virpuļu u.c. jēdzieniem. Pamatojoties uz to, Maksvels nonāk pie lauka vienādojumiem, kas šajā posmā vēl nav reducēti vienota sistēma. Pētot dielektriķus, Maksvels Faradeja formulējumā, ko pēc tam izmantoja Maksvels, izsaka ideju par "pārvietošanas strāvu", kā arī, vēl neskaidri, ideju par savienojumu starp gaismu un elektromagnētisko lauku ("elektronisko stāvokli"). .

Šīs idejas ir izklāstītas rakstos "Par fiziskajām spēku līnijām" (1861-1862). Tie tika sarakstīti visražīgākajā Londonas periodā (1860-1865). Tajā pašā laikā tika publicēti slavenie Maksvela raksti "Elektromagnētiskā lauka dinamiskā teorija" (1864-1865), kur tika izteiktas domas par elektromagnētisko viļņu vienoto dabu.

No 1866. līdz 1871. gadam Maksvels dzīvoja savā ģimenes īpašumā Midlbijā, laiku pa laikam aizbraucot uz eksāmeniem Kembridžā. Nodarbojies ar ekonomikas lietām, Maksvels nepameta zinātniskās studijas. Viņš smagi strādāja pie sava mūža galvenā darba "Traktāts par elektrību un magnētismu", uzrakstīja grāmatu "Siltuma teorija", vairākus rakstus par gāzu kinētisko teoriju.

1871. gadā bija nozīmīgs notikums. Par G. Kavendiša pēcteču līdzekļiem Kembridžā tika izveidota Eksperimentālās fizikas katedra un uzsākta eksperimentālās laboratorijas korpusa celtniecība, kas fizikas vēsturē pazīstama kā Kavendiša laboratorija (10.3. att.). Maksvels tika uzaicināts kļūt par pirmo katedras profesoru un laboratorijas vadītāju. 1871. gada oktobrī viņš uzstājās ar atklāšanas lekciju par eksperimentālo pētījumu tendencēm un nozīmi universitātes izglītībā. Šī lekcija kļuva par eksperimentālās fizikas mācīšanas programmu daudzus gadus uz priekšu. 1874. gada 16. jūnijā tika atklāta Kavendiša laboratorija.

Kopš tā laika laboratorija daudzus gadu desmitus ir kļuvusi par pasaules fiziskās zinātnes centru, un tā ir arī tagad. Vairāk nekā simts gadus tūkstošiem zinātnieku ir izgājuši cauri, tostarp daudzi no tiem, kas ir kļuvuši par pasaules fiziskās zinātnes slavu. Pēc Maksvela Kavendiša laboratoriju vadīja daudzi izcili zinātnieki: J. J. Thomson, E. Retherford, L. Bragg, N. F. Moott, A. B. Pippard un citi.

Rīsi. 10.3.

Pēc "Traktāta par elektrību un magnētismu" iznākšanas, kurā tika formulēta elektromagnētiskā lauka teorija, Maksvels nolemj uzrakstīt grāmatu "Elektrība elementārā prezentācijā", lai popularizētu un izplatītu savas idejas. Maksvels strādāja pie grāmatas, taču viņa veselība pasliktinājās. Viņš nomira 1879. gada 5. novembrī, neredzot savas teorijas triumfu.

Pakavēsimies pie zinātnieka radošā mantojuma. Maksvels atstāja dziļas pēdas visās fiziskās zinātnes jomās. Ne velti vesela sērija fizikālās teorijas nes viņa vārdu. Viņš ierosināja termodinamisko paradoksu, kas fiziķus vajāja daudzus gadus - "Maksvela dēmonu". Kinētiskajā teorijā viņš ieviesa jēdzienus, kas pazīstami kā "Maksvela sadalījums" un "Maksvela-Bolcmaņa statistika". Viņš arī uzrakstīja elegantu pētījumu par Saturna gredzenu stabilitāti. Turklāt Maksvels radīja daudzus mazus zinātniskus šedevrus visdažādākajās jomās – no pasaulē pirmās krāsainās fotogrāfijas īstenošanas līdz metodes izstrādei tauku traipu radikālai noņemšanai no apģērba.

Pārejam pie diskusijas elektromagnētiskā lauka teorija- kvintesences zinātniskā jaunrade Maksvels.

Zīmīgi, ka Džeimss Klerks Maksvels dzimis tajā pašā gadā, kad Maikls Faradejs atklāja elektromagnētiskās indukcijas fenomenu. Maksvelu īpaši iespaidoja Faradeja grāmata Experimental Investigations in Electricity.

Maksvela laikā pastāvēja divas alternatīvas elektrības teorijas: Faradeja "spēka līniju" teorija un franču zinātnieku Kulona, ​​Ampēra, Biota, Savarta, Arago un Laplasa izstrādātā teorija. Pēdējā sākotnējā pozīcija ir liela attāluma darbības ideja - tūlītēja mijiedarbības pārnešana no viena ķermeņa uz otru bez starpposma palīdzības. Reālistiski domājošs Faradejs nevarēja samierināties ar šādu teoriju. Viņš bija pilnīgi pārliecināts, ka "materija nevar darboties tur, kur tās nav". Mediju, caur kuru darbība tiek pārraidīta, Faradejs sauca par "lauku". Viņš uzskatīja, ka lauks bija caurstrāvots ar magnētiskām un elektriskām "spēka līnijām".

1857. gadā izdevumā Proceedings of the Cambridge Philosophical Society parādījās Maksvela raksts "On Faraday's lines of force". Tajā bija visa elektroenerģijas izpētes programma. Ņemiet vērā, ka Maksvela vienādojumi jau ir rakstīti šajā rakstā, bet līdz šim bez novirzes strāvas. Rakstam "Par Faradeja spēka līnijām" bija nepieciešams turpinājums. Elektrohidrauliskās analoģijas ir devušas daudz. Ar viņu palīdzību tika uzrakstīti noderīgi diferenciālvienādojumi. Bet ne visu varēja pakārtot elektrohidrauliskām analoģijām. Svarīgākais elektromagnētiskās indukcijas likums neiekļāvās to ietvaros. Bija jāizdomā jauns palīgmehānisms, kas atvieglotu procesa izpratni, atspoguļojot gan strāvu translācijas kustību, gan magnētiskā lauka rotācijas, virpuļveida raksturu.

Maksvels ierosināja īpašu barotni, kurā virpuļi ir tik mazi, ka tie iekļaujas molekulu iekšpusē. Rotējošie "molekulārie virpuļi" rada magnētisko lauku. Molekulu virpuļu asu virziens sakrīt ar to spēka līnijām, un tās pašas var attēlot kā plānus rotējošus cilindrus. Bet virpuļu ārējām, pieskaras daļām ir jāpārvietojas pretējos virzienos, t.i. novērst savstarpēju kustību. Kā divi blakus esošie zobrati var griezties vienā virzienā? Maksvels ierosināja, ka starp molekulāro virpuļu rindām ir novietots sīku sfērisku daļiņu slānis ("tukšgaitas riteņi"), kas spēj griezties. Tagad virpuļi varētu griezties vienā virzienā un mijiedarboties viens ar otru.

Maksvels arī sāka pētīt sava mehāniskā modeļa uzvedību vadītāju un dielektriķu gadījumā un nonāca pie secinājuma, ka elektriskās parādības var rasties arī vidē, kas neļauj pāriet strāvai - dielektrikā. Pieņemsim, ka “tukšgaitas riteņi” nevarētu pārvietoties uz priekšu šajās vidēs elektriskā lauka iedarbībā, bet tie tiek pārvietoti no savām pozīcijām, kad tiek iedarbināts un noņemts elektriskais lauks. Maksvelam bija vajadzīga liela zinātniska drosme, lai noteiktu šo saistīto lādiņu nobīdi ar elektrisko strāvu. Galu galā šī strāva - nobīdes strāva- neviens vēl nav skatījies. Pēc tam Maksvelam neizbēgami nācās spert nākamo soli – aiz šīs strāvas atpazīt spēju radīt pašam savu magnētisko lauku.

Tādējādi Maksvela mehāniskais modelis ļāva izdarīt šādu secinājumu: elektriskā lauka izmaiņas noved pie magnētiskā lauka parādīšanās, t.i. uz parādību, kas ir pretēja Faradejam, kad magnētiskā lauka izmaiņas izraisa elektriskā lauka parādīšanos.

Nākamais Maksvela raksts par elektrību un magnētismu ir "Par fiziskajām spēka līnijām". Elektriskās parādības to izskaidrošanai prasīja tikpat cietu ēteri kā tērauds. Maksvels negaidīti nokļuva O. Fresnela lomā, spiests "izgudrot" pats savu "optisko" ēteri, lai izskaidrotu polarizācijas parādības, cietu kā tērauds un caurlaidīgu kā gaiss. Maksvels atzīmē divu mediju līdzību: "gaismojošs" un "elektrisks". Viņš pamazām tuvojas savam lielajam gaismas un elektromagnētisko viļņu "vienotās dabas" atklājumam.

Nākamajā rakstā - "Elektromagnētiskā lauka dinamiskā teorija" - Maksvels pirmo reizi lietoja terminu "elektromagnētiskais lauks". "Manis piedāvāto teoriju var saukt par elektromagnētiskā lauka teoriju, jo tā attiecas uz telpu, kas ieskauj elektriskos vai magnētiskos ķermeņus, un to var saukt arī par dinamisko teoriju, jo tā pieņem, ka šajā telpā ir matērija, kas atrodas kustībā, ar kuras palīdzību tiek radītas novērotās elektromagnētiskās parādības.

Kad Maksvels secināja savus vienādojumus Elektromagnētiskā lauka dinamiskajā teorijā, viens no tiem šķita precīzi norādīts, par ko runāja Faradejs: magnētiskās ietekmes patiešām izplatījās šķērsviļņu veidā. Maksvels toreiz nepamanīja, ka no viņa vienādojumiem izriet vairāk: kopā ar magnētisko darbību visos virzienos izplatās elektriski traucējumi. Elektromagnētiskais vilnis vārda pilnā nozīmē, ietverot gan elektriskās, gan magnētiskās perturbācijas, Maksvelā parādījās vēlāk, jau Midlbijā, 1868. gadā rakstā “Par metodi tiešai elektrostatiskā spēka salīdzināšanai ar elektromagnētisko spēku ar piezīme par gaismas elektromagnētisko teoriju”.

Midlbijā Maksvels pabeidza savu mūža galveno darbu - "Traktāts par elektrību un magnētismu", kas pirmo reizi tika publicēts 1873. gadā un pēc tam tika atkārtoti izdots vairākas reizes. Šīs grāmatas saturs, protams, galvenokārt bija raksti par elektromagnētismu. "Traktātā" sistemātiski sniegti vektora aprēķinu pamati. Tad ir četras daļas: elektrostatika, elektrokinemātika, magnētisms, elektromagnētisms.

Ņemiet vērā, ka Maksvela pētījuma metode krasi atšķiras no citu pētnieku metodēm. Ne tikai katrs matemātiskais lielums, bet arī katra matemātiskā darbība ir apveltīta ar dziļu fizisku nozīmi. Tajā pašā laikā katrs fiziskais lielums atbilst skaidram matemātiskam raksturlielumam. Viena no "Traktāta" nodaļām saucas "Elektromagnētiskā lauka pamatvienādojumi". Šeit ir norādīti šī traktāta elektromagnētiskā lauka pamatvienādojumi. Tādējādi ar vektora aprēķinu palīdzību Maksvels vienkāršāk paveica to, ko bija darījis agrāk ar mehānisko modeļu palīdzību - viņš atvasināja elektromagnētiskā lauka vienādojumus.

Apskatīsim Maksvela vienādojumu fizisko nozīmi. Pirmais vienādojums saka, ka magnētiskā lauka avoti ir strāvas un elektriskais lauks, kas laika gaitā mainās. Maksvela izcilais minējums bija viņa principiāli jauna jēdziena - nobīdes strāvas - kā atsevišķa termina ieviešana vispārinātajā Ampēra - Maksvela likumā:

kur H- magnētiskā lauka intensitātes vektors; j ir elektriskās strāvas blīvuma vektors, kuram Maksvels pievieno nobīdes strāvu; D- elektriskās indukcijas vektors; c ir kāda konstante.

Šis vienādojums izsaka magnētisko elektrisko indukciju, ko atklāja Maksvels un kuras pamatā ir nobīdes strāvu jēdzieni.

Vēl viena ideja, kas uzreiz ieguva Maksvela atzinību, bija Faradeja ideja par elektromagnētiskās indukcijas būtību - induktīvās strāvas rašanos ķēdē, magnētisko spēka līniju skaitu, kurās mainās vai nu ķēdes relatīvās kustības un magnēts vai magnētiskā lauka izmaiņu dēļ. Maksvels uzrakstīja šādu vienādojumu:

kur Yo- elektriskā lauka intensitātes vektors; AT- gadsimts -

magnētiskā lauka stipruma torus un attiecīgi: - -

magnētiskā lauka izmaiņas laikā, s - kāda konstante.

Šis vienādojums atspoguļo Faradeja elektromagnētiskās indukcijas likumu.

Vēl viena lieta, kas jāņem vērā svarīgs īpašums elektrisko un magnētisko indukcijas vektori Yo un B. Kamēr elektriskās spēka līnijas sākas un beidzas uz lādiņiem, kas ir lauka avoti, magnētiskā lauka spēka līnijas ir slēgtas uz sevi.

Matemātikā vektora lauka raksturlielumu apzīmēšanai izmanto "diverģences" (lauka plūsmas diferenciācijas) operatoru - div. Izmantojot to, Maksvels diviem esošajiem vienādojumiem pievieno vēl divus:

kur p ir elektrisko lādiņu blīvums.

Trešais Maksvela vienādojums izsaka elektroenerģijas daudzuma nezūdamības likumu, ceturtais - magnētiskā lauka virpuļveida raksturs (vai magnētisko lādiņu neesamība dabā).

Aplūkotajos vienādojumos iekļautie elektriskās un magnētiskās indukcijas vektori un elektrisko un magnētisko lauku vektori ir savienoti ar vienkāršām sakarībām, un tos var uzrakstīt šādu vienādojumu veidā:

kur e ir dielektriskā konstante; p ir vides magnētiskā caurlaidība.

Turklāt var uzrakstīt vēl vienu sakarību, kas attiecas uz intensitātes vektoru Yo un īpatnējā vadītspēja pie:

Lai attēlotu pilnu Maksvela vienādojumu sistēmu, ir nepieciešams arī pierakstīt robežnosacījumus. Šie nosacījumi jāizpilda elektromagnētiskajam laukam divu datu nesēju saskarnē.

kur par- elektrisko lādiņu virsmas blīvums; i ir virsmas vadītspējas strāvas blīvums aplūkotajā saskarnē. Konkrētā gadījumā, kad nav virsmas strāvu, pēdējais nosacījums pārvēršas par:

Tādējādi Dž.Maksvels nonāk pie elektromagnētiskā lauka kā matērijas veida definīcijas, visas tā izpausmes izsakot vienādojumu sistēmas veidā. Ņemiet vērā, ka Maksvels neizmantoja vektoru apzīmējumus un rakstīja savus vienādojumus diezgan apgrūtinošā komponentu formā. Mūsdienu Maksvela vienādojumu forma parādījās ap 1884. gadu pēc O. Hevisīda un G. Herca darba.

Maksvela vienādojumi ir viens no lielākajiem ne tikai fizikas, bet civilizācijas sasniegumiem kopumā. Tie apvieno dabaszinātnēm raksturīgo stingro loģiku, skaistumu un proporciju, kas atšķir mākslu un humanitārās zinātnes. Vienādojumi ar vislielāko iespējamo precizitāti atspoguļo būtību dabas parādības. Maksvela vienādojumu potenciāls nebūt nav izsmelts, uz to pamata visi jaunie darbi, skaidrojumi jaunākie atklājumi dažādās fizikas jomās – no supravadītspējas līdz astrofizikai. Maksvela vienādojumu sistēma ir mūsdienu fizikas pamatā, un līdz šim nav neviena eksperimentāla fakta, kas būtu pretrunā ar šiem vienādojumiem. Zināšanas par Maksvela vienādojumiem, vismaz to fizisko būtību, ir obligātas ikvienam izglītots cilvēks ne tikai fizika.

Maksvela vienādojumi bija jaunas neklasiskās fizikas priekštecis. Lai gan pats Maksvels, pēc savas zinātniskās pārliecības, bija “klasisks” cilvēks līdz kaulu smadzenēm, viņa rakstītie vienādojumi piederēja citai zinātnei, kas atšķiras no zinātniekam zināmās un tuvās. Par to liecina vismaz fakts, ka Maksvela vienādojumi nav invarianti Galilejas transformācijās, bet tie ir nemainīgi Lorenca transformācijās, kas savukārt ir relativistiskās fizikas pamatā.

Pamatojoties uz iegūtajiem vienādojumiem, Maksvels atrisināja specifiskas problēmas: noteica vairāku dielektriķu elektriskās caurlaidības koeficientus, aprēķināja pašindukcijas, spoļu savstarpējās indukcijas koeficientus utt.

Maksvela vienādojumi ļauj izdarīt vairākus svarīgus secinājumus. Varbūt galvenais ir šķērsvirziena elektromagnētisko viļņu esamība, kas izplatās ar ātrumu c.

Maksvels atklāja, ka nezināmais cipars izrādījās aptuveni vienāds ar elektromagnētisko un elektrostatisko lādiņu vienību attiecību, kas ir aptuveni 300 000 kilometru sekundē. Pārliecināts par savu vienādojumu universālumu, viņš parāda, ka "gaisma ir elektromagnētisks traucējums". Akmens uz akmens elektromagnētiskā lauka galīgā, kaut arī ļoti liela, izplatīšanās ātruma atpazīšana neatstāja "momentānas darbības attālumā" piekritējus no teorijām.

Vissvarīgākās gaismas elektromagnētiskās teorijas sekas bija Maksvela pareģojums viegls spiediens. To viņam izdevās izrēķināt gadījumā, ja ir skaidrs laiks saules gaisma, absorbē plakne vienā kvadrātmetru, dod 123,1 kilogramu enerģijas sekundē. Tas nozīmē, ka tas nospiež uz šīs virsmas krišanas virzienā ar 0,41 miligrama spēku. Tādējādi Maksvela teorija tika nostiprināta vai sabruka atkarībā no vēl neveikto eksperimentu rezultātiem. Vai dabā ir elektromagnētiskie viļņi, kuru īpašības ir līdzīgas gaismai? Vai ir neliels spiediens? Jau pēc Maksvela nāves Heinrihs Hercs atbildēja uz pirmo jautājumu, bet Pjotrs Nikolajevičs Ļebedevs atbildēja uz otro.

Dž.K. Maksvels ir milzīga figūra fiziskajā zinātnē un kā cilvēks. Maksvels dzīvos cilvēku atmiņā tik ilgi, kamēr pastāvēs cilvēce. Maksvela vārds ir iemūžināts uz Mēness krātera. Augstākie Veneras kalni ir nosaukti lielā zinātnieka vārdā (Maksvela kalni). Tie paceļas 11,5 km virs vidējā virsmas līmeņa. Tāpat viņa vārds ir pasaulē lielākais teleskops, kas spēj darboties submilimetru diapazonā (0,3-2 mm) – teleskops nosaukts vārdā. J.C. Maxwell (JCMT). Tas atrodas Havaju salās (ASV), Mauna Kea augstienē (4200 m). JCMT 15 metru galvenais spogulis ir izgatavots no 276 atsevišķiem alumīnija gabaliem, kas ir cieši saspiesti kopā. Maksvela teleskops, ko izmantoja pētīšanai Saules sistēma, starpzvaigžņu putekļi un gāzes, kā arī tālās galaktikas.

Pēc Maksvela elektrodinamika kļuva principiāli atšķirīga. Kā viņa attīstījās? Mēs atzīmējam vissvarīgāko attīstības virzienu - teorijas galveno noteikumu eksperimentālu apstiprinājumu. Taču arī pati teorija prasīja zināmu interpretāciju. Šajā sakarā ir jāatzīmē krievu zinātnieka nopelni Nikolajs Aleksejevičs Umovs, kurš vadīja Maskavas universitātes Fizikas nodaļu no 1896. līdz 1911. gadam.

Nikolajs Aleksejevičs Umovs (1846-1915) - krievu fiziķis, dzimis Simbirskā (tagad Uļjanovska), beidzis Maskavas universitāti. Viņš pasniedza Novorosijskas universitātē (Odesa), pēc tam Maskavas universitātē, kur no 1896. gada, pēc A. G. Stoletova nāves, vadīja Fizikas nodaļu.

Umova darbi ir veltīti dažādām fizikas problēmām. Galvenais no tiem bija enerģijas kustības doktrīnas (Umov vektora) izveide, ko viņš izklāstīja 1874. gadā savā doktora disertācijā. Umovs bija apveltīts ar augstu pilsonisko atbildību. Kopā ar citiem profesoriem (V. I. Vernadskis, K. A. Timirjazevs,

N. D. Zeļinskis, P. N. Ļebedevs), viņš pameta Maskavas universitāti 1911. gadā, protestējot pret reakcionārā izglītības ministra L. A. Kasso rīcību.

Umovs bija aktīvs zinātnes propagandists, zinātnisko zināšanu popularizētājs. Gandrīz pirmais no fiziķiem viņš saprata, ka ir nepieciešami nopietni un mērķtiecīgi pētījumi par fizikas mācīšanas metodēm. Lielākā daļa vecākās paaudzes metodistu zinātnieku ir viņa skolēni un sekotāji.

Galvenais Umova nopelns - enerģijas kustības doktrīnas attīstība. 1874. gadā viņš ieguva vispārīgu izteiksmi enerģijas plūsmas blīvuma vektoram, ko piemēro elastīgām vidēm un viskoziem šķidrumiem (Umov vektors). Pēc 11 gadiem angļu zinātnieks Džons Henrijs Pointings(1852-1914) darīja to pašu attiecībā uz elektromagnētiskās enerģijas plūsmu. Tādējādi elektromagnētisma teorijā labi zināmais Umov vektors - Norādot.

Pointings bija viens no tiem zinātniekiem, kurš uzreiz pieņēma Maksvela teoriju. Nevarētu teikt, ka tādu zinātnieku bija daudz, ko Maksvels saprata arī pats. Maksvela teorija netika uzreiz saprasta pat Cavendish laboratorija. Neskatoties uz to, līdz ar elektromagnētisma teorijas parādīšanos zināšanas par dabu ir pacēlušās kvalitatīvi citā līmenī, kas, kā tas vienmēr notiek, arvien vairāk attālina mūs no tiešiem sensoriem priekšstatiem. Tas ir normāls dabisks process, kas pavada visu fizikas attīstību. Fizikas vēsture sniedz daudz šādu piemēru. Pietiek atgādināt kvantu mehānikas noteikumus, īpašā teorija relativitāte, citas mūsdienu teorijas. Tātad elektromagnētiskais lauks Maksvela laikā bija grūti pieejams cilvēku, tostarp zinātnieku, izpratnei, un vēl jo vairāk nebija pieejams viņu maņu uztverei. Tomēr pēc Hertz eksperimentālā darba radās idejas par bezvadu sakaru izveidi, izmantojot elektromagnētiskos viļņus, kas beidzās ar radio izgudrošanu. Tādējādi radiosakaru tehnoloģiju rašanās un attīstība ir pārvērtusi elektromagnētisko lauku par visiem labi zināmu un pazīstamu jēdzienu.

Izšķirošo lomu Maksvela elektromagnētiskā lauka teorijas uzvarā spēlēja Vācu fiziķis Heinrihs Rūdolfs Hercs. Herca interesi par elektrodinamiku izraisīja G. L. Helmholcs, kurš, uzskatot par nepieciešamu "pasūtīt" šo fizikas jomu, ieteica Hercam pētīt procesus atvērtās elektriskās ķēdēs. Sākumā Hercs šo tēmu pameta, bet tad, strādājot Karlsrūē, atklāja tur ierīces, kuras varētu izmantot šādiem pētījumiem. Tas noteica viņa izvēli, jo īpaši tāpēc, ka pats Hercs, labi pārzinot Maksvela teoriju, bija pilnībā gatavs šādiem pētījumiem.

Heinrihs Rūdolfs Hercs (1857-1894) - vācu fiziķis, dzimis 1857. gadā Hamburgā jurista ģimenē. Studējis Minhenes Universitātē, bet pēc tam - Berlīnē pie G. Helmholca. Kopš 1885. gada Hercs strādā Karlsrūes Tehniskajā augstskolā, kur viņš uzsāka pētījumus, kuru rezultātā tika atklāti elektromagnētiskie viļņi. Tie tika turpināti 1890. gadā Bonnā, kur Hercs pārcēlās, nomainot R. Klausiusu kā eksperimentālās fizikas profesoru. Šeit viņš turpina studēt elektrodinamiku, bet pamazām viņa intereses pāriet uz mehāniku. Hercs nomira 1894. gada 1. janvārī sava talanta plaukumā 36 gadu vecumā.

Herca darba sākumā elektriskās svārstības jau bija diezgan detalizēti izpētītas. Viljams Tomsons (lords Kelvins) saņēma izteicienu, ko tagad zina katrs skolēns:

kur T- elektrisko svārstību periods; BET- induktivitāte, ko Tomsons sauca par vadītāja "elektrodinamisko kapacitāti"; C ir kondensatora kapacitāte. Formula ir apstiprināta eksperimentos Bērents Vilhelms Feddersens(1832-1918), kurš pētīja Leidenas burkas dzirksteļaizlādes svārstības.

Rakstā "Par ļoti ātrām elektriskām svārstībām" (1887) Hercs sniedz savu eksperimentu aprakstu. 10.4. attēlā ir izskaidrota to būtība. Galīgajā formā Hertz izmantotā svārstību ķēde sastāvēja no diviem vadītājiem CuC ", kas atrodas apmēram 3 m attālumā viens no otra un bija savienoti ar vara vadu, kura vidū bija dzirksteļu sprauga AT indukcijas spole. Uztvērējs bija ķēde acdb ar izmēriem 80 x 120 cm, ar dzirksteļu atstarpi M vienā no īsās malas. Noteikšanu noteica vājas dzirksteles klātbūtne dzirksteles spraugā M. Diriģenti, ar kuriem Hercs eksperimentēja, ir, sakot mūsdienu valoda, antena ar detektoru. Tagad tie ir nosaukti vibrators un Hertz rezonators.

Rīsi. 10.4.

Iegūto rezultātu būtība bija tāda, ka elektriskā dzirkstele dzirksteles spraugā AT radīja dzirksteles izlādētājā M. Sākumā Hercs, skaidrojot eksperimentus, nerunā par Maksvela viļņiem. Viņš runā tikai par "diriģentu mijiedarbību" un mēģina rast skaidrojumu liela attāluma mijiedarbības teorijā. Veicot eksperimentus, Hercs atklāja, ka nelielos attālumos "elektriskā spēka" izplatīšanās raksturs ir līdzīgs dipola laukam, un tad tas samazinās lēnāk un tam ir leņķiskā atkarība. Tagad mēs teiktu, ka dzirksteles spraugai ir anizotrops starojuma modelis. Tas, protams, būtībā ir pretrunā ar liela attāluma darbības teoriju.

Izanalizējis eksperimentu rezultātus un veicis savu teorētisko pētījumu, Hercs pieņem Maksvela teoriju. Viņš nonāk pie secinājuma par elektromagnētisko viļņu eksistenci, kas izplatās ar ierobežotu ātrumu. Tagad Maksvela vienādojumi vairs nav abstrakta matemātiska sistēma, un tie ir jāsagatavo tādā formā, lai tos būtu ērti lietot.

Hercs saņēma elektromagnētiskos viļņus, ko eksperimentāli paredzēja Maksvela teorija, un, kas ne mazāk svarīgi, pierādīja to identitāti ar gaismu. Lai to izdarītu, bija jāpierāda, ka ar elektromagnētisko viļņu palīdzību var novērot zināmos optikas efektus: laušanu un atstarošanu, polarizāciju utt. Hercs veica šos pētījumus, kas prasīja virtuozas eksperimentēšanas prasmes: viņš veica eksperimentus par viņa atklāto elektromagnētisko viļņu izplatīšanos, atstarošanu, refrakciju un polarizāciju. Viņš uzbūvēja spoguļus eksperimentiem ar šiem viļņiem (Herca spoguļi), asfalta prizmu utt. Hertz spoguļi ir parādīti attēlā. 10.5. Eksperimenti parādīja pilnīgu novēroto efektu identitāti ar tiem, kas bija labi zināmi gaismas viļņiem.

Rīsi. 10.5.

1887. gadā Hercs savā darbā “Par ultravioletās gaismas ietekmi uz elektrisko izlādi” apraksta fenomenu, kas vēlāk kļuva pazīstams kā ārējais fotoelektriskais efekts. Viņš atrada šo apstarošanu ultravioletie stari elektrodiem zem augsta sprieguma, izlāde notiek lielākā attālumā starp elektrodiem nekā bez apstarošanas.

Šo efektu pēc tam vispusīgi pētīja krievu zinātnieks Aleksandrs Grigorjevičs Stoletovs (1839-1896).

1889. gadā Vācijas dabaszinātnieku un ārstu kongresā Hercs uzstājās ar ziņojumu "Par gaismas un elektrības attiecībām", kurā viņš izteica savu viedokli par Maksvela teorijas lielo nozīmi, ko tagad apstiprina eksperimenti.

Herca eksperimenti guva panākumus zinātniskā pasaule. Tie ir daudzkārt atkārtoti un pārveidoti. Viens no tiem, kas to izdarīja, bija Petrs Nikolajevičs Ļebedevs. Viņš saņēma tajā laikā īsākos elektromagnētiskos viļņus un 1895. gadā veica eksperimentus ar tiem par divkāršo laušanu. Ļebedevs savā darbā izvirzīja uzdevumu pakāpeniski samazināt viļņa garumu elektromagnētiskā radiācija lai galu galā tos aizvērtu ar gariem infrasarkanajiem viļņiem. Ļebedevam pašam tas neizdevās, bet to XX gadsimta 20. gados veica krievu zinātnieki. Aleksandra Andrejevna Glagoleva-Arkadjeva(1884-1945) un Marija Afanasjevna Ļevicka (1883-1963).

Petrs Nikolajevičs Ļebedevs (1866-1912) - krievu fiziķis, dzimis 1866. gadā Maskavā, beidzis Strasbūras Universitāti un 1891. gadā sācis strādāt Maskavas Universitātē. Ļebedevs fizikas vēsturē palika kā virtuozs eksperimentētājs, ar pieticīgiem līdzekļiem veiktu pētījumu autors uz tā laika tehnisko iespēju robežas, kā arī kā vispāratzītas zinātniskās skolas dibinātājs Maskavā, no kurienes arī slavenais. Krievu zinātnieki P. P. Lazarevs, S. I. Vavilovs, A. R. Kolijs u.c.

Ļebedevs nomira 1912. gadā neilgi pēc tam, kad viņš kopā ar citiem profesoriem pameta Maskavas universitāti, protestējot pret reakcionārā izglītības ministra L. A. Kasso rīcību.

Tomēr Ļebedeva galvenais ieguldījums fizikā ir tas, ka viņš eksperimentāli izmērīja gaismas spiedienu, ko prognozēja Maksvela teorija. Ļebedevs visu savu dzīvi veltīja šī efekta izpētei: 1899. gadā tika izveidots eksperiments, kas pierādīja viegla spiediena esamību uz cietām vielām (10.6. att.), bet 1907. gadā uz gāzēm. Ļebedeva darbi par vieglo spiedienu ir kļuvuši par klasiku, tie ir viens no eksperimentu virsotnēm 19. gadsimta beigās un 20. gadsimta sākumā.

Ļebedeva eksperimenti ar vieglu spiedienu viņu atnesa pasaules slavu. Šajā gadījumā V. Tomsons teica: "Visu mūžu es cīnījos ar Maksvelu, neatzīdams viņa vieglo kustību, bet... Ļebedevs piespieda mani ļauties saviem eksperimentiem."

Rīsi. 10.6.

Herca un Ļebedeva eksperimenti beidzot apstiprināja Maksvela teorijas prioritāti. Runājot par praksi, t.i. elektromagnētisma likumu praktiskā pielietošana, tad līdz 20. gadsimta sākumam. cilvēce jau dzīvoja pasaulē, kurā elektrība sāka spēlēt milzīgu lomu. To veicināja enerģiska izgudrojuma darbība fiziķu atklāto elektrisko un magnētisko parādību pielietošanas jomā. Apskatīsim dažus no šiem izgudrojumiem.

Viens no pirmajiem elektromagnētisma pielietojumiem sakaru tehnoloģijās. Telegrāfs pastāvēja jau kopš 1831. gada. 1876. gadā amerikāņu fiziķis, izgudrotājs un uzņēmējs Aleksandrs Bells(1847-1922) izgudroja telefonu, kuru vēl vairāk uzlaboja slavenais amerikāņu izgudrotājs Tomass Alva Edisons (1847-1931).

1892. gadā angļu fiziķis Viljams Krukss(1832-1912) formulēja radiosakaru principus. Krievu fiziķis Aleksandrs Stepanovičs Popovs(1859-1906) un itāļu zinātnieks Guglielmo Markoni(1874-1937) faktiski tos ieviesa praksē vienlaikus. Parasti rodas jautājums par šī izgudrojuma prioritāti. Popovs nedaudz agrāk demonstrēja paša radītās ierīces iespējas, taču nepatentēja to, kā to darīja Markoni. Pēdējais noteica Rietumos valdošo tradīciju uzskatīt Markoni par radio "tēvu". To veicināja Nobela prēmijas piešķiršana viņam 1909. gadā. Acīmredzot arī Popovs būtu bijis laureātu vidū, taču līdz tam laikam viņš vairs nebija dzīvs, un Nobela prēmija piešķirts tikai dzīviem zinātniekiem. Vairāk par radio izgudrošanas vēsturi pastāstīs grāmatas VI daļā.

Jau 18. gadsimtā viņi mēģināja izmantot apgaismojumam elektriskās parādības. (voltiskā loka), vēlāk šī ierīce tika uzlabota Pāvels Nikolajevičs Jabločkovs(1847-1894), kurš 1876. gadā izgudroja pirmo praktisko elektriskās gaismas avotu (Jabločkova svece). Tomēr tas neatrada plašu pielietojumu galvenokārt tāpēc, ka 1879. gadā T. Edisons radīja pietiekami izturīgas konstrukcijas un rūpnieciskai ražošanai ērtu kvēlspuldzi. Ņemiet vērā, ka kvēlspuldzi tālajā 1872. gadā izgudroja krievu elektroinženieris Aleksandrs Nikolajevičs Lodigins (1847- 1923).

testa jautājumi

• 1. Kādus pētījumus Maksvels veica, strādājot Marišalas koledžā? Kāda loma Maksvelam bija elektrības un magnētisma teorijas izstrādē?
• 2. Kad tika organizēta Kavendiša laboratorija? Kurš kļuva par tās pirmo direktoru?
• 3. Kādu likumu nevarētu aprakstīt, izmantojot elektrohidrauliskās analoģijas?
• 4. Ar kādu modeli Maksvels nonāca pie secinājuma par nobīdes strāvas esamību un magnetoelektriskās indukcijas fenomenu?
• 5. Kurā rakstā Maksvels pirmo reizi lietoja terminu "elektromagnētiskais lauks"?
• 6. Kā tiek uzrakstīta Maksvela sastādītā vienādojumu sistēma?
• 7. Kāpēc Maksvela vienādojumi tiek uzskatīti par vienu no cilvēces civilizācijas triumfālajiem sasniegumiem?
• 8. Kādus secinājumus Maksvels izdarīja no elektromagnētiskā lauka teorijas?
• 9. Kā elektrodinamika attīstījās pēc Maksvela?
• 10. Kā Hercs nonāca pie secinājuma par elektromagnētisko viļņu esamību?
• 11. Kāds ir Ļebedeva galvenais ieguldījums fizikā?
• 12. Kā elektromagnētiskā lauka teorija tiek izmantota inženierzinātnēs?

Uzdevumi patstāvīgam darbam

• 1. J. K. Maksvels. Biogrāfija un zinātniskie sasniegumi elektrodinamikā un citās fizikas jomās.
• 2. Maksvela elektromagnētiskā lauka teorijas empīriskie un teorētiskie pamati.
• 3. Maksvela vienādojumu radīšanas vēsture.
• 4. Maksvela vienādojumu fiziskā būtība.
• 5. J. K. Maxwell - pirmais Kavendiša laboratorijas direktors.
• 6. Kā šobrīd tiek uzrakstīta Maksvela vienādojumu sistēma: a) integrālā formā; b) diferenciālā formā?
• 7. G. Hercs. Biogrāfija un zinātniskie sasniegumi.
• 8. Elektromagnētisko viļņu noteikšanas vēsture un to identificēšana ar gaismu.
• 9. P. N. Ļebedeva eksperimenti gaismas spiediena noteikšanā: shēma, problēmas, grūtības un nozīme.
• 10. A. A. Glagolevas-Arkadjevas un M. A. Levitskajas darbi par īso elektromagnētisko viļņu ģenerēšanu.
• 11. Fotoelektriskā efekta atklāšanas un izpētes vēsture.
• 12. Maksvela elektromagnētiskās teorijas attīstība. J. G. Pointinga, N. A. Umova, O. Heaviside darbi.
• 13. Kā tika izgudrots un uzlabots elektriskais telegrāfs?
• 14. Elektrotehnikas un radiotehnikas attīstības vēsturiskie posmi.
• 15. Apgaismes ierīču tapšanas vēsture.

• 1. Kudrjavcevs, P. S. Fizikas vēstures kurss. - 2. izd. - M.: Apgaismība, 1982. gads.
• 2. Kudrjavcevs, P. S. Fizikas vēsture: 3 sējumos - M.: Izglītība, 1956-1971.
• 3. Spaskis, B. I. Fizikas vēsture: 2 sējumos - M .: pabeigt skolu, 1977.
• 4. Dorfmans, Ja. G. Pasaules fizikas vēsture: 2 sējumos - M .: Nauka, 1974-1979.
• 5. Golins, G.M. Fizikālās zinātnes klasika (no seniem laikiem līdz 20. gadsimta sākumam) / G. M. Golin, S. R. Filonovich. - M.: Augstskola, 1989.g.
• 6. Hramovs, Ju.A. Fiziķi: biogrāfisks ceļvedis. - M.: Nauka, 1983. gads.
• 7. Virdžskis, V. S. Esejas par zinātnes un tehnikas vēsturi 1870.-1917.gadā. / V. S. Virginskis, V. F. Hoteņkovs. - M.: Apgaismība, 1988. gads.
• 8. Vitkovskis, N. Sentimentāla zinātnes vēsture. - M.: Kolibri, 2007.
• 9. Maksvels, Dž. Izvēlētie darbi par elektromagnētiskā lauka teoriju. - M.: GITTL, 1952. gads.
• 10. Kuzņecova, O.V. Maksvels un fizikas attīstība 19.-20. gadsimtā: sestdien. raksti / resp. ed. L. S. POLĀKS. - M.: Nauka, 1985. gads.
• 11. Maksvels, Dž. Traktāts par elektrību un magnētismu: 2 sējumos - M .: Nauka, 1989.
• 12. Karcevs, V.P. Maksvels. - M.: Jaunsardze, 1974.
• 13. Nivens, V. Dzīve un zinātniskā darbība Dž.K. Maksvels: īsa eseja(1890) // J. K. Maksvels. Matērija un kustība. - M.: Iževska: RHD, 2001.
• 14. Hārmens, R.M. Džeimsa Klerka Maksvela dabas filozofija. - Kembridža: University Press, 2001.
• 15. Bolotovskis, B. M. Olivers Hevisaids. - M.: Nauka, 1985. gads.
• 16. Gorohovs, V.G. Radiotehnikas teorijas veidošanās: no teorijas līdz praksei G. Herca atklāšanas tehnisko seku piemērā // VIET. - 2006. - Nr.2.
• 17. Grāmatu sērija "ZhZL": "Zinātnes cilvēki", "Zinātnes un tehnoloģiju veidotāji".

Fresnela hipotēze par šķērsvirziena gaismas viļņiem radīja vairākas sarežģītas problēmas fizikā attiecībā uz ētera būtību, tas ir, hipotētisko vidi, kurā izplatās gaismas vibrācijas. Pirms šīs problēmas atkāpās fonā un jautājumi par izstarojošo materiālu daļiņu raksturu gaismas viļņi, un problēma, kā atrast starojuma mehānismu atomos un molekulās.

Bija jāatbild uz šādiem jautājumiem: kādā virzienā notiek svārstības lineāri polarizētā vilnī? Kāpēc nav garenvirziena gaismas viļņu, un kādām īpašībām vajadzētu būt ēteram, lai tas pieļautu tikai šķērsviļņus? Un visbeidzot, kā ēteris uzvedas attiecībā pret ķermeņiem, kas tam pārvietojas?

Post-Fresnel optikā atbilžu meklēšanai uz šiem jautājumiem ir pievērsta ievērojama uzmanība. Atbildot uz pirmo jautājumu, tika izvirzītas divas hipotēzes: Fresnela hipotēze un Franča Neimaņa (1798-1895) hipotēze. Saskaņā ar Fresnela hipotēzi gaismas svārstības lineāri polarizētā vilnī notiek virzienā, kas ir perpendikulārs polarizācijas plaknes virzienam. Tajā pašā laikā ēteris smagajos ķermeņos un brīvais ēteris atšķiras pēc blīvuma, bet tā elastība paliek nemainīga. Saskaņā ar Neimana hipotēzi, ētera svārstības notiek polarizācijas plaknē, ēteris svarīgos ķermeņos un brīvais ēteris atšķiras pēc elastības, nevis pēc blīvuma.

Lai izskaidrotu gaismas viļņu šķērsvirzienu, tika izvirzītas dažādas hipotēzes: hipotēze par absolūti nesaspiežamu ēteri, ēteri kā kurpes piķi - ciets straujām izmaiņām un šķidrs lēnām izmaiņām, ēteris kā barotne, kas piepildīta ar žiroskopiem utt., utt. Kustīgajiem ķermeņiem ēteris tika uzskatīts par nekustīgu vidi, kā vidi, ko daļēji aizved ķermeņi, kā par pilnībā piesaistītu vidi. Visas šīs dīvainās, pretrunīgās hipotēzes atņēma no fiziķiem daudz enerģijas, un tomēr zinātnieki pat neuzdeva šādu jautājumu: vai šie mēģinājumi bija neauglīgi? Vai ēteris vispār pastāv?

Ētera esamība šķita droša pēc korpuskulārās gaismas teorijas sabrukuma. Jābūt videi, kurā izplatās gaismas vibrācijas. "Gaismas parādības pēc neveiksmīgās "izplūdes teorijas" tiek skaidrotas kā gaismas ķermeņu mazāko daļiņu vibrācijas - vibrācijas, kuras pārraida ētera viļņi. Ar šiem vārdiem A. G. Stoletovs savā mācību grāmatā “Ievads akustikā un optikā” sāka sadaļu “Fiziskā optika”. Un tas bija vispārpieņemts viedoklis. Stoletovs vairākos punktos pamato “vajadzību uzņemt šo īpašo vidi”, t.i., ēteri. Viņš jau zina par gaismas elektromagnētisko teoriju, zina, ka "gaismas viļņi ir ētera "elektrisko svārstību" šķērsviļņi, un, lai gan viņam joprojām nav skaidrs, kāds ir šo svārstību mehānisms, viņš tomēr nešaubās. ka kalpo šo svārstību nesējs ēteris.

Stoletovs lasīja lekcijas par akustiku un optiku 1880.-1881.gadā. 1895. gadā iznāca "Ievads akustikā un optikā". 1902. gadā tika izdota N. A. Umova "Fizikas kursa" otrā daļa. Tajā optikai veltītā sadaļa sākās ar vārdiem: “Vēl salīdzinoši nesen plānā bezsvara viela, kas iekļūst ķermeņos un aizpilda visu telpu, saukta par ēteri, tika uzskatīta par tikai gaismas parādību vietu. Pašlaik mēs uzskatām gaismu tikai par īpašs gadījums parādības, kas iespējamas ēterī.

Gadu pirms "Ievada" izdošanas Stoletovs, 1894. gadā, tika publicēts vāciski P. Drudes (1863-1906) elektrības kurss, kas nes nosaukumu "ētera fizika uz elektromagnētiskā pamata". 1901.-1902.gadā. G. A. Lorencs Leidenas Universitātē nolasīja lekciju kursu "Ētera teorija un modeļi". Tie tika publicēti holandiešu valodā 1922. gadā tulkojums angļu valodā 1927. gadā un krievu valodā 1936. gadā, tas ir, kad ēteri jau sen bija apglabājusi relativitātes teorija. Lorencs iekšā beigu vārdi no savām lekcijām rūpīgi rakstīja: “In pēdējie laikiēterī notiekošo procesu mehāniskais skaidrojums arvien vairāk atkāpjas otrajā plānā. Tomēr viņš uzskatīja, ka mehāniskās analoģijas "joprojām saglabā zināmu vērtību". "Tās," rakstīja Lorencs, "palīdz mums domāt par parādībām un var būt ideju avots jauniem pētījumiem."

Šo Lorenca cerību apgāza mūsdienu teorētiskās fizikas attīstība, kas vizuālos modeļus izmeta aiz borta un aizstāja ar matemātisko aprakstu. Ir paradoksāli, ka vēsturisks fakts ka šo pārejas procesu uz matemātisko aprakstu uzsāka Maksvels, kurš ielika savas elektromagnētiskās teorijas pamatus, izstrādājot specifiskus mehāniskus procesu modeļus ēterī. Apspriežot šos modeļus, Maksvels nonāca pie vienādojumu izveides, kas atspoguļo elektromagnētisko parādību nemehāniskos procesus. Apkopojot Traktātā par elektroenerģiju un magnētismu viņa daudzu gadu elektrības un magnētisma teorijas pētījumu rezultātus, Maksvels norāda, ka “dažādu mūsu pētīto zinātnes nozaru iekšējās kopsakarības ir daudz daudzskaitlīgākas un sarežģītākas nekā jebkura cita. līdz šim izstrādāts zinātniskā disciplīna”, tostarp, acīmredzot, mehāniku. Turklāt Maksvels raksta, ka elektrības zinātnes likumi "šķiet norāda uz tās īpašo nozīmi kā zinātnei, palīdzot izskaidrot dabu". Līdz ar to kopā ar mehāniku elektrības teorija, pēc Maksvela domām, ir fundamentāla zinātne, kas "palīdz izskaidrot dabu". "Izejot no tā," saka Maksvels, "man šķiet, ka elektromagnētisma izpēte visās tā izpausmēs kā līdzeklis zinātnes virzīšanai uz priekšu vienmēr iegūst īpašu nozīmi." Kopš Faradeja izcilajiem atklājumiem elektroenerģijas tehniskie pielietojumi ir plaši attīstījušies. Laikā, kad tika izveidots traktāts, elektromagnētiskais telegrāfs bija kļuvis plaši izplatīts, parādījās tālsatiksmes sakaru līnijas: transatlantiskais kabelis, kas savieno Eiropu un Ameriku (1866), indoeiropiešu telegrāfs, kas savieno Londonu un Kalkutu (1869), sakaru līnija starp Eiropa un Dienvidamerika (1872).

Parādījās arī pirmie elektriskās strāvas ģeneratori: Cromwell un Varley (1866), Siemens (1867), Wheatston (1867), Gramm (1870-1871), kā arī elektromotori, sākot ar krievu akadēmiķa Borisa Semenoviča Jacobi dzinēju ( 1834) un beidzot ar Pacinoti (1860) noenkurotu dzinēju ar gredzenveida formu. Ir sācies elektrotehnikas laikmets. Taču Maksvels domā ne tikai un ne tik daudz elektrotehnikas straujo progresu. Elektromagnētiskie procesi arvien dziļāk iekļuva zinātnē: fizikā un ķīmijā. Tuvojas pasaules elektromagnētiskā attēla laikmets, kas aizstāja mehānisko.

Maksvels skaidri redzēja elektromagnētisko likumu fundamentālo nozīmi, veicot grandiozu optikas un elektrības sintēzi. Tieši viņam izdevās optiku reducēt līdz elektromagnētismam, radot gaismas elektromagnētisko teoriju un tādējādi bruģējot jaunus ceļus ne tikai teorētiskajā fizikā, bet arī tehnoloģijā, paverot ceļu radioinženierijai.

Džeimss Klerks Maksvels piederēja dižciltīgai skotu ģimenei. Viņa tēvs Džons Klerks, kurš pieņēma uzvārdu Maksvels, bija cilvēks ar dažādām kultūras interesēm, ceļotājs, izgudrotājs un zinātnieks. 1831. gada 13. jūnijā Edinburgā Maksvelu ģimenē piedzima Džeimsa dēls, topošais izcilais fiziķis. Viņš uzauga kā dzimis dabaszinātnieks. Tēvs veicināja dēla zinātkāri, viņš pats viņu iepazīstināja ar astronomiju, mācīja novērot debesu ķermeņi teleskopā. Viņš gribēja mājās sagatavot dēlu universitātei, taču pārdomāja un nosūtīja viņu uz Edinburgas akadēmiju izglītības iestāde kā klasiskajā ģimnāzijā, kad Maksvelam bija 10 gadi. Līdz piektajai klasei Džeimss mācījās bez īpašas intereses. Tikai no piektās klases viņš sāka interesēties par ģeometriju, veidoja modeļus ģeometriski ķermeņi, nāca klajā ar savām problēmu risināšanas metodēm. Vēl būdams piecpadsmit gadus vecs students, viņš Edinburgas Karaliskajai biedrībai prezentēja pētījumu par ovālajām līknēm. Šis jauneklīgais 1846. gada raksts atklāj Maksvela zinātnisko rakstu divu sējumu krājumu.

1847. gadā Maksvels iestājās Edinburgas Universitātē. Līdz tam laikam viņa zinātniskās intereses bija noteiktas, viņš sāka interesēties par fiziku. 1850. gadā Edinburgas Karaliskajā biedrībā viņš sagatavoja ziņojumu par elastīgo ķermeņu līdzsvaru, kurā, cita starpā, pierādīja elastības un materiālu pretestības teorijā labi zināmo "Maksvela teorēmu". Tajā pašā gadā Maksvels pārcēlās uz Kembridžas universitāti, uz slaveno Trīsvienības koledžu, kas audzināja Ņūtonu un daudzus citus slavenus fiziķus cilvēcei.

1854. gadā Maksvels bija otrais, kurš nokārtoja gala eksāmenu. Viņš raksta vēstuli savam vecākajam draugam Viljamam Tomsonam, kurā viņš ziņo, ka, "nonācis šausmīgajā vecpuišu klasē", viņš nolēma "atgriezties pie fizikas" un, galvenais, "uzbrukt elektrībai". Viņš atspoguļo virsmu izliekumu, krāsu redzi un Faradeja eksperimentālos pētījumus. Jau 1855. gadā viņš Edinburgas Karaliskajai biedrībai nosūtīja ziņojumu "Eksperimenti krāsās", izstrādāja krāsu topu un izstrādāja krāsu redzes teoriju. Tajā pašā gadā viņš sāka darbu pie memuāru grāmatas On Faraday's Lines of Force (1855-1856), par kuras pirmo daļu viņš ziņoja Kembridžas filozofijas biedrībai 1855. gadā.

1856. gadā mirst Maksvela tēvs, kurš bija ne tikai viņa tēvs, bet arī tuvs draugs. Tajā pašā gadā Maksvels ieguva profesora vietu Aberdīnas Universitātē Skotijā. Jaunais stāvoklis un mantojuma mantojuma kopšana prasīja daudz laika. Tomēr Maksvels intensīvi strādā zinātnē. 1857. gadā viņš nosūtīja Faradejam savus memuārus "On Faraday's lines of force", kas Faradeju ļoti aizkustināja. "Jūsu darbs man ir patīkams un sniedz man lielu atbalstu," viņš rakstīja Maksvelam, Faradejs nekļūdījās: Maksvels lieliski atbalstīja viņa idejas, viņš adekvāti pabeidza Faradeja darbu.

Einšteins salīdzina Galileja un Ņūtona vārdus mehānikā ar Faradeja un Maksvela vārdiem elektrības zinātnē. Patiešām, līdzība šeit ir diezgan piemērota. Galileo ielika pamatus mehānikai, Ņūtons to pabeidza. Abi izgāja no Kopernika sistēmas, meklējot tās fizisko pamatojumu, ko galu galā atrada Ņūtons.

Faradejs piegāja elektrības un magnētisko parādību izpētei jaunā veidā, norādot uz medija lomu un ieviešot lauka jēdzienu, ko viņš apraksta, izmantojot spēka līnijas. Maksvels idejām piešķīra matemātisko pilnīgumu, ieviesa precīzu terminu "elektromagnētiskais lauks", kura Faradejam vēl nebija, formulēja šī lauka matemātiskos likumus. Galileo un Ņūtons lika pamatus pasaules mehāniskajam attēlam, Faradejs un Maksvels lika pamatus elektromagnētiskajam pasaules attēlam.

Maksvels izstrādāja elektromagnētisko teoriju savos darbos "Par fiziskajām spēka līnijām" (1861-1862) un "Dinamiskā lauka teorija" (1864-1865). Šos darbus viņš vairs nedarīja Aberdīnā, bet gan Londonā, kur ieguva profesora vietu King's College. Šeit Maksvels tikās arī ar Faradeju, kurš jau bija vecs un slims. Maksvels, saņēmis datus, kas apstiprina gaismas elektromagnētisko raksturu, nosūtīja tos Faradejam. Maksvels rakstīja: “Gaismas elektromagnētiskā teorija, ko viņš (Faraday) ierosināja grāmatā Thoughts on Ray Vibrations (Phil. Mag., 1846. gada maijs) vai Experimental Investigations (Exp. Rec., 447. lpp.), būtībā ir tāda pati kā ko es sāku izstrādāt šajā rakstā (Dynamical Field Theory, Phil. Mag., 1865), izņemot to, ka 1846. gadā nebija datu izplatīšanās ātruma aprēķināšanai. J.K.M." Maksvels atzina Faradeja prioritāti šajā atklājumā. Maksvels nevarēja zināt par Faradeja aizzīmogoto 1832. gada vēstuli un atsaucās uz viņa rakstu, kas publicēts 1846. gadā. Taču viņš ar pilnu pārliecību apgalvoja, ka Faradejs jau ir teicis to, ko viņš sniedza savā Dinamiskā lauka teorijā, izņemot kvantitatīvos datus par ātruma sakritību. gaismas izplatīšanās ar nemainīgu elektromagnētisko un elektrostatisko lādiņa un strāvas vienību attiecību.

1865. gadā, kad parādījās "Dinamiskā lauka teorija", Maksvels braucot cieta avāriju. Viņš pameta profesora amatu Londonā un pārcēlās uz savu Glenlar muižu, kur turpināja statistiskos pētījumus, ko bija sācis jau 1859. gadā.

1871. gadā notika nozīmīgs notikums. Uz XVIII gadsimta slavenā zinātnieka pēcteča rēķina. Henrijs Kavendišs, Kavendišas hercogs, Kembridžas Universitātē tika izveidota Eksperimentālās fizikas katedra un sākās topošās slavenās Kavendišas laboratorijas celtniecība. Maksvels tika uzaicināts kā pirmais Kavendiša profesors. 1871. gada 8. oktobrī viņš uzstājās ar savu atklāšanas lekciju par eksperimentālā darba funkcijām universitātes izglītībā. Lekcija izrādījās visa programma turpmākajām aktivitātēm laboratorijas eksperimentālās fizikas mācīšanā. Šajā darbībā Maksvels redz laika vajadzību.

"Mums jāsāk lekciju zālē ar lekciju kursu kādā fizikas nozarē, izmantojot eksperimentus kā ilustrāciju, un jāpabeidz laboratorijā ar pētniecisko eksperimentu sēriju." Maksvels izceļ svarīgus punktus par skolotāju iecelšanu. Skolotājam galvenais ir koncentrēt skolēna uzmanību uz problēmu. Strīdoties ar eksperimentālās mācīšanās pretiniekiem, Maksvels paziņo, ka, ja cilvēks aizraujas ar problēmu, ieliek tās risināšanā visu savu dvēseli, ja viņš saprot matemātikas galveno ieguvumu, pielietojot to dabas skaidrošanā, tad galvenā specialitāte netiks sabojāta. , eksperimentālās zināšanas nesajauks ticību formulu mācību grāmatām, skolēns nebūs pārguris.

Maksvels sāka darbu Kembridžā, lasot lekcijas par siltumu. Viņš daudz laika veltīja laboratorijas celtniecībai un organizēšanai. Viņš studēja laboratoriju veidošanas pieredzi ārzemēs un savā valstī, apmeklēja Tomsona laboratoriju, Clarendon laboratoriju. Clarendon laboratorija lielā mērā kalpoja par paraugu Kembridžas laboratorijai. 1874. gada 16. jūnijā laboratoriju atklāja.

Laboratorija bija pamatīga trīsstāvu ēka. Apakšējā stāvā bija telpas magnētisma, svārsta, siltuma izpētei. Bija pieliekamie, virtuve, dzīvojamā istaba. Otrajā stāvā ir liela laboratorija, telpa un profesora laboratorija, auditorija un telpa aparatūrai. Augšējā stāvā atradās akustikas laboratorija, telpas aprēķiniem un grafiskajām konstrukcijām, starojuma siltums, optika, elektrība un tumšā telpa fotografēšanai. Visi laboratorijas galdi balstījās uz sijām neatkarīgi no grīdas, kas ļāva veikt ļoti smalkus eksperimentus. Uz laboratorijas jumta tika nostiprināts metāla stabs. Viņam pievienojās visas publikas, lai jebkurā brīdī varētu izmērīt atmosfēras elektrības potenciālu. Paceļamās durvis laboratorijas stāvos ļāva izvilkt vadus starp stāviem, piekārt Fuko svārstu utt. Protams, visās laboratorijās bija gāze, ūdens un gaisma.

Trīs gadus pēc laboratorijas atvēršanas Maksvels rakstīja, ka tajā ir visi "rīki, kas nepieciešami pašreizējam zinātnes stāvoklim". Šo ierīču saraksts ir publicēts. Attiecībā uz šo sarakstu J. J. Tomsons 1936. gadā teica: "Šis ir spilgts piemērs atšķirībai starp instrumentiem, kas kādreiz tika uzskatīti par perfektiem, un tiem, kas ir tagad."

Cavendish laboratorija, kas vēlāk kļuva par galveno fizisko zinātņu centru, ir daudz parādā savam pirmajam profesoram. Maksvelam bija grūts uzdevums izveidot jaunu eksperimentālās fizikas katedru. Jaunajam vienmēr ir grūti atrast savu ceļu. Pēdējo kursu audzēkņu pasniedzēji viņus atrunāja no došanās uz laboratoriju. Tas izskaidro faktu, ka sākumā laboratorijā ieradās daži cilvēki. Pirmie šeit ieradās tie, kuri pārcieta matemātisko gripu un vēlējās iegūt praktiskas iemaņas (V. Hiks, G. Kristāls, S. Saunders, D. Gordons, A. Šusters).

Tātad Džordžs Kristāls (1851-1911), vēlāk Edinburgas universitātes matemātikas profesors, pārbaudīja Oma likuma (Maksvela izvēlēta eksperimenta) derīgumu. Nepieciešamība pēc šīs pārbaudes radās tāpēc, ka bija pētījumi, kas radīja šaubas par šī likuma derīgumu. Maksvels rakstīja Kempbelam, ka Kristala "...kopš oktobra nemitīgi strādāja, pārbaudot Oma likumu, un Oms no pārbaudījuma izgāja triumfā."

Tāpat Kristāls un S. Saunders Britu asociācijas ziņojumā ziņoja par rezistences vienību salīdzināšanas rezultātiem ar Britu asociācijas sarežģītā pētījuma x vienībām, ko vēlāk turpināja Glazebrook un Fleming. Vēlāk, Reilija laikā, šie pētījumi attiecās uz visu elektrisko mērījumu jomu un padarīja Cavendish laboratoriju par centru elektrisko vienību standartu noteikšanai.

Kopumā visi Maksvela strādājošie pirms oriģinālo pētījumu uzsākšanas izgāja cauri nelielai vispārējai darbnīcai, pētīja instrumentus, mērīja laiku, iemācījās nolasīt rādījumus utt., t.i., Maksvels ielika pamatus turpmākajai laboratorijas vispārējai darbnīcai. .

Ir grūti pārvērtēt Maksvela darba nozīmi Kavendišas laboratorijas turpmākajā attīstībā. Viljams Tomsons 1882. gadā rakstīja: “Maksvela ietekmei Kembridžā neapšaubāmi bija liela ietekme, virzot matemātikas mācības auglīgākos kanālos nekā tie, kuros tā bija plūdusi daudzus gadus. Viņa publicētie zinātniskie raksti un grāmatas, viņa darbs kā eksaminētājs Kembridžā, profesora lekcijas veicināja šo efektu. Bet galvenokārt viņa darbs bija Cavendish laboratorijas plānošana un organizēšana. Šeit patiešām ir vērojams fizisko zinātņu pieaugums Kembridžā pēdējo desmit gadu laikā, un tas ir pilnībā saistīts ar Maksvela ietekmi.

Kā Kavendiša profesors Maksvels veica lielu zinātnisko un pedagoģisko darbu. 1873. gadā tika publicēts viņa galvenais darbs Traktāts par elektrību un magnētismu. Viņš sāka rakstīt populāru savas teorijas ekspozīciju "Elektrība elementārā prezentācijā", taču viņam nebija laika to pabeigt. Būdams Kavendiša profesors, Maksvels no arhīviem izguva Kavendiša nepublicētos darbus, tostarp viņa darbu, kurā viņš dažus gadus pirms Kulona atklāja elektriskās mijiedarbības likumu. Maksvels atkārtoja Cavendish eksperimentu ar precīzāku elektrometru un ar augstu precizitātes pakāpi apstiprināja apgrieztās proporcionalitātes likumu attāluma kvadrātam. Maksvels publicēja Henrija Kavendiša memuārus ar viņa komentāriem 1879. gadā. Tajā pašā gadā, 5. novembrī, Maksvels nomira no vēža.

Maksvels bija daudzpusīgs zinātnieks: teorētiķis, eksperimentētājs, tehniķis. Bet fizikas vēsturē viņa vārds galvenokārt ir saistīts ar viņa radītā elektromagnētiskā lauka teoriju, ko sauc par Maksvela teoriju vai Maksvela elektrodinamiku. Tas ienāca zinātnes vēsturē kopā ar tādiem fundamentāliem vispārinājumiem kā Ņūtona mehānika, relativistiskā mehānika, kvantu mehānika un iezīmēja jauna posma sākumu fizikā. Saskaņā ar Aristoteļa formulēto zinātnes attīstības likumu tas pacēla zināšanas par dabu jaunā, augstākā līmenī un tajā pašā laikā bija nesaprotamāks, abstraktāks nekā iepriekšējās, "mums mazāk acīmredzamas" teorijas. Aristoteļa vārdi.

Šis apstāklis ​​izraisīja fiziķu salīdzinoši ilgu Maksvela teorijas noraidīšanu, un tikai pēc Herca eksperimentiem to sāka atpazīt. Viņa saņēma "pilsonības tiesības" fizikā pēc Miķelsona eksperimenta, pēc Lorenca pirmā darba elektronu teorijā. Tādējādi tā asimilācija sakrita ar elektroniskās un relatīvistiskās fizikas radīšanas sākumu. Maksvela radītās teorijas vēsture ir savīta ar šo fizikas jomu vēsturi, kas noved pie tās pašreizējā stāvokļa.

Maksvels savu teoriju sāka izstrādāt 1854. gadā. Šā gada 20. februārī vēstulē vecākajam draugam V. Tomsonam viņš raksta par nodomu "uzbrukt elektrībai". 1854. gada 13. novembra vēstulē no Kembridžas viņš raksta, ka viņam, "iesācējam elektrības jomā", izdevies atrisināt "lielu šaubu masu", izmantojot dažas vienkāršas idejas. Viņš saka: "Es diezgan viegli apguvu sprieguma elektrības pamatprincipus" (t.i., elektrostatiku) un stāsta Tomsonam, ka Tomsona līdzība ar siltuma vadītspēju viņam ļoti palīdzēja. Turklāt Maksvels ziņo, ka, lai gan viņš apbrīnoja Ampēra darbu lasīšanu, viņš vēlētos pats izpētīt savus uzskatus "filozofiski". Viņam šķiet, ka Faradeja magnētiskā lauka līniju metode šim nolūkam ir ļoti noderīga, bet citi dod priekšroku strāvas elementu tiešas pievilkšanas jēdzienam. Maksvels izstrādā priekšstatu par strāvas radītajām magnētiskajām spēka līnijām, runā par magnētisko lauku, iepazīstina ar attiecīgajiem jēdzieniem un raksta matemātiskos vienādojumus.

Maksvela šajā vēstulē paustās domas tika attīstītas viņa pirmajā darbā "On Faraday's Lines of Force", kas sarakstīts Kembridžā 1855.-1856.gadā. Šī darba mērķi viņš izvirza "parādīt, kā, tieši pielietojot Faradeja idejas un metodes, vislabāk var noskaidrot dažādu viņa atklāto parādību klašu savstarpējās attiecības". Savā darbā “On Faraday Field Lines” Maksvels izveido vides hidrodinamisko modeli, kas pārraida elektrisko un magnētiskās mijiedarbības. Stacionāros procesus viņam izdodas aprakstīt ar kustīga šķidruma vizuāla attēla palīdzību. Lādiņi un magnētiskie stabi šajā attēlā ir plūstošā šķidruma avoti un izlietnes. "Es mēģināju," rakstīja Maksvels, "... matemātiskās idejas pasniegt vizuālā formā, izmantojot līniju vai virsmu sistēmas, nevis tikai simbolus, kas nav īpaši piemēroti Faradeja uzskatu atspoguļošanai un pilnībā neatbilst dabai. par izskaidrojamajām parādībām.

Taču modelis izrādījās nepiemērots Faradeja elektrotoniskā stāvokļa indukcijas procesu aprakstīšanai, un Maksvels bija spiests ķerties pie matemātiskās simbolikas. Viņš raksturo elektrotonisko stāvokli ar trīs funkciju palīdzību, kuras viņš sauc par elektrotoniskām funkcijām jeb elektrotoniskā stāvokļa sastāvdaļām. Mūsdienu apzīmējumos šī vektora funkcija atbilst potenciālajam vektoram. Šī vektora līknes integrālis gar slēgtu līniju Maksvels sauc par "kopējo elektrotonisko intensitāti gar slēgtu līkni". Šim daudzumam viņš atrod pirmo elektrotoniskā stāvokļa likumu: "Kopējā elektrotoniskā intensitāte gar virsmas elementa robežu kalpo kā mērs magnētiskās indukcijas apjomam, kas iet caur šo elementu, vai, citiem vārdiem sakot, mērs magnētiskā lauka līniju skaits, kas iekļūst šajā elementā." Mūsdienu apzīmējumā šo likumu var izteikt ar formulu:

kur A ir potenciālā vektora sastāvdaļa

līknes elementa dl virzienā Bn ir indukcijas vektora B normālā komponente virsmas elementa dS normālā virzienā.

kas saista magnētisko indukciju B ar magnētiskā lauka intensitātes vektoru H.

Trešais likums saista magnētiskā lauka H stiprumu ar strāvas stiprumu I, kas to rada. Maksvels to formulē šādi: "Kopējā magnētiskā intensitāte pa līniju, kas ierobežo kādu virsmas daļu, kalpo kā daudzuma mērs. elektriskā strāva, kas plūst caur šo virsmu." Mūsdienu apzīmējumā šo teikumu apraksta formula

,

ko tagad sauc par Maksvela pirmo vienādojumu integrālā formā. Tas atspoguļo eksperimentālu faktu, ko atklāja Oersted: strāvu ieskauj magnētiskais lauks.

Ceturtais likums ir Oma likums:

Lai raksturotu strāvu spēku mijiedarbību, Maksvels ievieš lielumu, ko viņš sauc par magnētisko potenciālu. Šī vērtība atbilst piektajam likumam: "Slēgtas strāvas kopējo elektromagnētisko potenciālu mēra ar strāvas daudzuma un kopējās elektrotoniskās intensitātes reizinājumu visā ķēdē, ņemot vērā strāvas virzienu:

».

Maksvela sestais likums attiecas uz elektromagnētisko indukciju: "Elektromotora spēku, kas iedarbojas uz vadītāja elementu, mēra ar elektrotoniskās intensitātes laika atvasinājumu neatkarīgi no tā, vai šis atvasinājums ir saistīts ar elektrotoniskā stāvokļa lieluma vai virziena izmaiņām." Mūsdienu apzīmējumā šis likums tiek izteikts ar formulu:

kas ir otrais Maksvela vienādojums integrālā formā. Ņemiet vērā, ka Maksvels elektriskā lauka intensitātes vektora cirkulāciju sauc par elektromotora spēku. Maksvels vispārina Faradeja-Lenca-Neimaņa indukcijas likumu, uzskatot, ka magnētiskās plūsmas (elektroniskā stāvokļa) izmaiņas laikā rada virpuļveida elektrisko lauku, kas pastāv neatkarīgi no tā, vai ir slēgti vadītāji, kuros šis lauks ierosina strāvu vai nē. Maksvels vēl nesniedz Orsteda likuma vispārinājumu.

Maksvels savu sešu likumu formulējumu beidz ar šādiem vārdiem: “Es esmu mēģinājis šajos sešos likumos dot matemātisko izteiksmi idejai, kas, manuprāt, ir Faradeja domu gājiena pamatā viņa Eksperimentālajos pētījumos. Šis Maksvela apgalvojums ir pilnīgi pareizs, tāpat kā vēl viens apgalvojums, ka "matemātisko funkciju Faradeja elektrotoniskā stāvokļa izteikšanai un elektrodinamisko potenciālu un elektromotora spēku noteikšanai" ieviešanu viņš izteica pirmo reizi.

Maksvels spēra nākamo soli elektromagnētiskā lauka teorijas attīstībā 1861.-1862.gadā, publicējot vairākus rakstus ar vispārīgo nosaukumu "Par fiziskajām spēka līnijām". Un šeit Maksvels izmanto elektromagnētiskā lauka mehānisko modeli. Bet šis modelis ir daudz sarežģītāks nekā kustīga šķidruma ātruma lauka attēls, ko viņš izstrādāja savā iepriekšējā darbā. Maksvels izstrādāja šo modeli, pilnībā izmantojot savu mehāniķa un dizainera talantu, un nonāca pie saviem slavenajiem vienādojumiem. "Maksvels," rakstīja Bolcmans, "savus vienādojumus atrada, jo vēlējās ar mehānisku modeļu palīdzību pierādīt iespēju izskaidrot elektromagnētiskās parādības, pamatojoties uz ciešas darbības koncepciju, un tikai šie modeļi pirmo reizi norādīja ceļu. tiem eksperimentiem, kas galīgi un izlēmīgi noteica ciešas darbības faktu.un šobrīd veido vienkāršāko un uzticamāko citā veidā atrasto vienādojumu pamatu.

Maksvela vienādojumus nav grūti atrast, taču tos "izsecināt" nav iespējams, tāpat kā nav iespējams izsecināt Ņūtona likumus. Protams, gan Ņūtona, gan Maksvela vienādojumus var izsecināt no citiem principiem, kas jāpieņem bez pierādījumiem, taču šie principi, tāpat kā paši Maksvela vai Ņūtona vienādojumi, ir pieredzes vispārinājumi. "Maksvela teorija ir Maksvela vienādojumi," sacīja Hercs.

"Fizikālajās spēka līnijās" Maksvels vispirms pamato spēka izpausmi, kas iedarbojas uz katru vides elementu, kurā atrodas lādiņi, strāvas, magnēti. Maksvels domā par vidi, kas piepildīta ar molekulāriem virpuļiem, spēki, kas darbojas šajā vidē vienā un tajā pašā punktā, ir atkarīgi no virziena, tiem ir, kā mēs tagad sakām, tenzora raksturs. Pēc tam Maksvels pieraksta savus slavenos vienādojumus. Jaunums, salīdzinot ar darbu pie Faradeja spēka līnijām, šeit ir skaidra saikne starp magnētiskā lauka izmaiņām un elektromotora spēka rašanos. Viņa vienādojums (precīzāk, komponentu vienādojumu "triplets") definē "sakarību starp magnētiskā lauka stāvokļa izmaiņām un to izraisītajiem elektromotora spēkiem".

Vēl viens svarīgs jaunums ir novirzes un novirzes strāvu jēdzienu ieviešana. Nobīde, pēc Maksvela domām, ir īpašība dielektriķa stāvokļiem elektriskā laukā. Kopējā pārvietošanās plūsma caur slēgtu virsmu ir algebriskā summa lādiņi virsmas iekšpusē. “Šī nobīde,” raksta Maksvels, “neatspoguļo reālu strāvu, jo, sasniedzot noteiktu vērtību, tā paliek nemainīga. Bet tas ir strāvas sākums, un novirzes izmaiņas rada strāvas pozitīvā vai negatīvā virzienā atkarībā no tā, vai novirze palielinās vai samazinās. Tas ievieš pārvietošanas strāvas pamatjēdzienu. Šī strāva, tāpat kā vadīšanas strāva, rada magnētisko lauku. Tāpēc Maksvels vispārina vienādojumu, ko tagad sauc par pirmo Maksvela vienādojumu, un ievada pārvietošanas strāvu pirmajā daļā. Mūsdienu apzīmējumā šim Maksvela vienādojumam ir šāda forma:

Visbeidzot Maksvels atklāj, ka šķērsviļņi viņa elastīgajā vidē izplatās ar gaismas ātrumu. Šis fundamentālais rezultāts liek viņam izdarīt svarīgu secinājumu: “Šērsviļņu svārstību ātrums mūsu hipotētiskajā vidē, kas aprēķināts pēc Kolrauša un Vēbera elektromagnētiskajiem eksperimentiem, tik precīzi sakrīt ar gaismas ātrumu, kas aprēķināts pēc Fizo optiskajiem eksperimentiem, ka diez vai varam atteikties no secinājuma, ka gaisma sastāv no vienas un tās pašas vides šķērsvirziena vibrācijām, kas ir elektrisko un magnētisko parādību cēlonis. Tādējādi XIX gadsimta 60. gadu sākumā. Maksvels jau bija atradis savas elektrības un magnētisma teorijas pamatus un izdarīja svarīgu secinājumu, ka gaisma ir elektromagnētiska parādība.

Turpinot teorijas attīstību, Makvels 1864.-1865.g. gadā publicēja savu dinamiskā lauka teoriju. Šajā darbā Maksvela teorija iegūst pilnīgu formu, un jauns Faradeja ieviestais zinātniskās izpētes objekts - elektromagnētiskais lauks - saņem precīzu definīciju. "Teoriju, ko es ierosinu," raksta Maksvels, "var saukt par elektromagnētiskā lauka teoriju, jo tā attiecas uz telpu, kas ieskauj elektriskos vai magnētiskos ķermeņus, un to var saukt arī par dinamisko teoriju, jo tā atzīst, ka šajā telpā kustas matērija, caur kuru rodas novērotās elektromagnētiskās parādības.

Elektromagnētiskais lauks ir tā telpas daļa, kas satur un ieskauj ķermeņus, kas atrodas elektriskā vai magnētiskā stāvoklī.

Šī ir pirmā elektromagnētiskā lauka definīcija fizikas vēsturē, Faradejs nelieto terminu "lauks", viņš runā par fizisko spēka līniju reālo esamību. Tikai kopš Maksvela laikiem fizikā parādās lauka jēdziens, kas kalpo kā elektromagnētiskās enerģijas nesējs.

Lai aprakstītu lauku, Maksvels ievieš koordinātu skalārās un vektora funkcijas. Vektori, kurus tas apzīmē lielie burti Vācu gotiskais fonts, bet aprēķinos darbojas ar to komponentiem. Viņš krāso vektoru vienādojumus koordinātēs, iegūstot atbilstošos vienādojumu trīskāršus (“trīskāršus”).

"Traktātā par elektrību un magnētismu" viņš sniedz kopsavilkumu par galvenajiem viņa elektromagnētiskajā teorijā izmantotajiem daudzumiem. Termini, apzīmējumi, pati Maksvela ieliktā nozīme ieviesto jēdzienu saturā bieži vien būtiski atšķiras no mūsdienu. Tātad lielums "elektromagnētiskais moments" vai "elektromagnētiskais moments" punktā, kam ir būtiska loma Maksvela koncepcijā, mūsdienu fizikā ir palīglielums, vektors ir potenciāls A. Tiesa, kvantu teorijā tas atkal ir saņēma fundamentālu nozīmi, bet eksperimentālā fizika, radiotehnika un elektrotehnika piešķir tai tīri formālu nozīmi.

Maksvela teorijā šis daudzums ir saistīts ar magnētisko plūsmu. Potenciālā vektora cirkulācija pa slēgtu cilpu ir vienāda ar magnētisko plūsmu caur cilpas pārklāto virsmu. Magnētiskajai plūsmai ir inerciālas īpašības, un indukcijas elektromotora spēks saskaņā ar Lenca likumu ir proporcionāls magnētiskās plūsmas izmaiņu ātrumam, kas ņemts ar pretēju zīmi. Tādējādi indukcijas elektriskā lauka intensitāte:

Maksvels uzskata, ka šī izteiksme ir līdzīga inerces spēka izteiksmei mehānikā:

Mehāniskais impulss jeb impulss. Šī analoģija izskaidro Maksvela ieviesto terminu vektora potenciālam. Pašiem elektromagnētiskā lauka vienādojumiem Maksvela teorijā ir forma, kas atšķiras no mūsdienu.

AT moderna forma Maksvela vienādojumu sistēmai ir šāda forma:

Ar šiem vienādojumiem magnētiskās indukcijas vektoru B un elektriskā lauka intensitātes vektoru E izsaka kā vektora potenciālu A un skalāro potenciālu V. Pēc tam Maksvels izraksta izteiksmi ponderomotīves spēkam f, kas darbojas no lauka ar magnētisko indukciju B uz vadītāja tilpuma vienību, ko plūst strāva ar blīvumu j:

Šai izteiksmei viņš pievieno "magnetizācijas vienādojumu":

un "vienādojums elektriskās strāvas» (tagad Maksvela pirmais vienādojums):

Attiecību starp pārvietojuma vektoru D un elektriskā lauka intensitāti E Maksvelā izsaka ar vienādojumu:

Tad viņš izraksta vienādojumu divD = p un vienādojumu kur

,

un arī robežnosacījums:

Šī ir Maksvela vienādojumu sistēma. Vissvarīgākais secinājums no šiem vienādojumiem ir šķērsvirziena elektromagnētisko viļņu esamība, kas izplatās magnetizētā dielektrikā ar ātrumu: kur

Šo secinājumu viņš ieguva "Dinamiskā lauka teorijas" pēdējā sadaļā, kuras nosaukums ir "Gaismas elektromagnētiskā teorija". “... Zinātne par elektromagnētismu,” šeit raksta Maksvels, “noved pie tieši tādiem pašiem secinājumiem kā optika attiecībā uz traucējumu virzienu, kas var izplatīties pa lauku; abas šīs zinātnes apstiprina šo svārstību šķērsvirzienu, un abas dod vienādu izplatīšanās ātrumu. Ēterī šis ātrums c ir gaismas ātrums (Maksvels to apzīmē kā V), dielektrikā tas ir mazāks, kur

Tādējādi refrakcijas indeksu n, pēc Maksvela domām, nosaka elektriskā un magnētiskās īpašības vide. Nemagnētiskā dielektrikā, kur

Šī ir slavenā Maksvela attiecība.

Traktātā Maksvels raksta: “Saskaņā ar teoriju, ka gaisma ir elektromagnētiski traucējumi, kas izplatās tajā pašā vidē, caur kuru izplatās citas elektromagnētiskās darbības, V ir jābūt gaismas ātrumam, kura skaitlisko vērtību var noteikt ar dažādām metodēm. No otras puses, v ir elektrostatisko vienību skaits vienā elektromagnētiskajā vienībā, un metodes šī daudzuma noteikšanai tika aprakstītas iepriekšējā nodaļā. Tās ir pilnīgi neatkarīgas metodes gaismas ātruma noteikšanai. Tāpēc Y un v vērtību sakritība vai nesakritība nodrošina gaismas elektromagnētiskās teorijas pārbaudi.

Maksvels sniedz V un v definīciju kopsavilkumu, no kura izriet, ka "gaismas ātrums un vienību attiecība ir vienāda lieluma". Lai gan Maksvels šo vienošanos neuzskata par pietiekami precīzu, viņš cer, ka turpmākajos eksperimentos abu lielumu attiecības varēs noteikt precīzāk. Jebkurā gadījumā pieejamie dati teoriju neapgāž. Bet attiecībā uz Maksvela likumu viss bija sliktāk. Nosakot parafīna dielektrisko konstanti, tika iegūts viens eksperimentāls rezultāts. Izrādījās, ka tas ir vienāds ar e = 1,975. No otras puses, parafīna refrakcijas indeksa vērtības Fraunhofera līnijām - A, D, H izrādījās vienādas ar n = 1,420, nevis

Šī atšķirība ir pietiekami liela, lai to nevarētu saistīt ar novērojumu kļūdu. Maksvels to uzskatīja par norādi uz nepieciešamību būtiski uzlabot matērijas struktūras teoriju, "pirms mēs varam iegūt ķermeņu optiskās īpašības no to elektriskās īpašības". Šī ļoti smalkā un dziļā piezīme ir pilnībā attaisnojusies fizikas vēsturē.

Maksvela laikā elektromagnētiskā spektra garā viļņa garuma apgabals vēl nebija atklāts, un, protams, refrakcijas indeksa vērtības tam netika izmērītas. Tomēr optiskajā apgabalā jau ir atklāta anomāla dispersija, kas ir parādījusi, ka refrakcijas indekss ir ļoti sarežģīti atkarīgs no frekvences. Bija nepieciešami daudzpusīgi eksperimentāli un teorētiski pētījumi, lai pilnīgi droši pateiktu par Maksvela likuma derīgumu. Pats Maksvels bija dziļi pārliecināts par savu secinājumu pareizību, un viņu nesamulsināja eksperimentālo datu novirzes no teorētiskajām vērtībām. Viņš rūpīgi sekoja pētījumiem šajā jomā, lai gan viņš brīdināja: "Mēs diez vai varam cerēt uz pat aptuvenu verifikāciju, ja salīdzināsim mūsu lēni notiekošo elektrisko eksperimentu rezultātus ar gaismas vibrācijām, kas rodas miljardiem reižu sekundē." Neskatoties uz to, viņš atzinīgi novērtēja Bolcmaņa rezultātus, kas izmērīja gāzu dielektriskās konstantes un parādīja Maksvela attiecības n2 = e derīgumu vairākām gāzēm. Viņš Bolcmana rezultātus iekļāva savā pēdējā darbā "Elektrība elementārā prezentācijā", kas publicēts pēcnāves laikā. . Viņš iekļāva arī krievu fiziķu N.N.Šillera (1848-1910) un P.A.Zilova (1850-1921) rezultātus.

N. N. Šillers 1872.-1874 izmērīja vairāku vielu dielektrisko konstanti mainīgos elektriskos laukos ar frekvenci aptuveni 10 Hz. Vairākiem dielektriķiem viņš atrada aptuvenu likuma n2 = e apstiprinājumu, bet citiem, piemēram, stiklam, neatbilstība bija ļoti būtiska. P. A. Zilovs 1876. gadā izmērīja dažu šķidrumu dielektriskās konstantes. Terpentīnam viņš atrada: e = 2,21, e(1/2) = 1,49, n = 1,456. Zilovs labi apzinājās, ka elektrisko viļņu garums ir “bezgalīgi liels salīdzinājumā ar gaismas viļņu garumu”, un viņš formulē Maksvela likumu šādi: “ Kvadrātsakne no izolatora dielektriskās konstantes ir vienāds ar tā laušanas koeficientu bezgala gara viļņa garuma stariem.

N. N. Šillers un P. A. Zilovs bija Stoletova skolēni. Pats Stoletovs bija ļoti ieinteresēts Maksvela teorijā un apņēmās izmērīt vienību attiecību, lai apstiprinātu Maksvela secinājumu. Krievijā Maksvela teorija sastapās ar līdzjūtību un izpratni, un krievu fiziķi lielā mērā veicināja tās panākumus.

Maksvela teorijā enerģija tiek sadalīta telpā ar tilpuma blīvumu. Acīmredzot, elektromagnētiskais vilnis, kas izplatās kosmosā, nes sev līdzi enerģiju. Maksvels apgalvoja, ka, krītot uz absorbējošas virsmas, vilnis rada spiedienu uz šo virsmu, kas vienāds ar tilpuma enerģijas blīvumu. Šo Maksvela secinājumu kritizēja V. Tomsons (Kelvins) un citi fiziķi. Kā redzēsim tālāk, krievu fiziķis P.N. Ļebedevs pierādīja, ka Maksvelam ir taisnība.

Enerģijas kustības doktrīnu izstrādāja krievu fiziķis N.A. Umovs.

N. A. Umovs dzimis 1846. gada 23. janvārī Simbirskas ārsta ģimenē. Pēc Pirmās Maskavas ģimnāzijas absolvēšanas 1863. gadā UMOV iestājās Maskavas Universitātē, kuru absolvēja 1867. gadā kā kandidāts. 1871. gadā Umovs aizstāvēja maģistra darbu "Teorija par termomehāniskām parādībām cietos elastīgos ķermeņos" un tika ievēlēts par docentu Novorosijskas universitātē Odesā. 1874. gadā viņš aizstāvēja promocijas darbu "Equations of motion of energy in body". Debates bija smagas. Ideja par enerģijas kustību šķita nepieņemama pat tādiem fiziķiem kā A. G. Stoletovs. 1875. gadā Umovs kļuva par ārkārtēju, bet 1880. gadā par parasto profesoru Novorosijskas universitātē. 1893. gadā viņš pārcēlās uz Maskavu saistībā ar ievēlēšanu universitātes profesora amatā. Trīs gadus vēlāk viņš ieņem fizikas katedru, kas tika atbrīvota pēc Stoletova nāves.

Umova vadībā tiek projektēta un būvēta Universitātes Fizikas institūta ēka. Umovs nomira 1915. gada 15. janvārī.

Savā darbā "Enerģijas kustības vienādojumi ķermeņos" Umovs aplūko enerģijas kustību vidē ar vienmērīgu enerģijas sadalījumu visā tilpumā, lai katrs barotnes tilpuma elements "satur noteiktu enerģijas daudzumu dots brīdis." Umov apzīmē tilpuma enerģijas blīvumu caur E un caur lx, 1y, lz - "komponenti gar taisnstūra koordinātu asīm x, y un z ātrumam, ar kādu enerģija pārvietojas attiecīgajā vides punktā." Tālāk Umovs izveido diferenciālvienādojumu, kas pakļaujas enerģijas blīvuma E izmaiņām laikā:

Tāpat kā Maksvels, Umov apzīmē daļējus atvasinājumus

Šodien mēs rakstām pretējo:

Tādējādi enerģijas izmaiņas tilpuma iekšpusē nosaka tās plūsma caur virsmu. Caur katru virsmas vienību laika vienībā plūst enerģijas daudzums El„, kas vienāds ar vektora E1 = =y normālo komponenti. Šo vektoru tagad sauc par Umov vektoru.

1883. gada 17. decembrī Reilija iesniedza Karaliskajai biedrībai Džona Pointinga (1852-1914) paziņojumu "Par enerģijas pārnesi elektromagnētiskajā laukā". Šo vēstījumu Pointings nolasīja 1884. gada 10. janvārī un publicēja biedrības materiālos 1885. gadā, tas ir, 11 gadus pēc Umova publikācijas. Nezinot šo publikāciju, kas 1874. gadā parādījās Odesā kā atsevišķa brošūra, Pointings atrisina to pašu jautājumu saistībā ar elektromagnētiskās enerģijas kustības gadījumu. Pamatojoties uz Maksvela izteiksmi elektromagnētiskās enerģijas tilpuma blīvumam, Pointing atrod teorēmu, kuru viņš formulē šādi: “Virsmas iekšpusē ietverto elektrisko un magnētisko enerģiju summas izmaiņas sekundē kopā ar siltumu, ko attīsta strāvas, ir vienāda ar vērtību, kurā katrs virsmas elements dod savu daļu atkarībā no šī elementa elektrisko un magnētisko spēku vērtībām.

Tas nozīmē, ka “enerģija plūst ... perpendikulāri plaknei, kurā atrodas elektrisko un magnētisko spēku līnijas, un ka enerģijas daudzums, kas šķērso šīs plaknes virsmas vienību sekundē, ir vienāds ar reizinājumu: elektromotora spēki, magnētiskie spēki, sinuss leņķa starp tiem, dalīts ar 4n, savukārt plūsmas virzienu nosaka trīs lielumi - elektromotora spēks, magnētiskais spēks un enerģijas plūsma, kas savienoti labās puses ķekarā.

Mūsdienu apzīmējumos Pointinga enerģijas plūsmas vektoru modulī un virzienā nosaka izteiksme:

Mūsu literatūrā šo vektoru sauc par Umov-Poynting vektoru.

Runājot par maza attāluma mijiedarbības teorijas sasniegumiem, kas ietver Maksvela teoriju, nevajadzētu aizmirst, ka šī teorija nebaudīja vairākuma vadošo fiziķu atbalstu. Maksvels sava "Traktāta par elektrību un magnētismu" pirmā izdevuma priekšvārdā, kas datēts ar 1873. gada 1. februāri, rakstīja, ka Faradeja metode ir līdzvērtīga matemātiķu metodei, kas elektrību izturas pret darbību no attāluma. "Es atklāju," rakstīja Maksvels, "ka abu metožu rezultāti kopumā sakrīt, tāpēc ar tām tiek izskaidrotas vienas un tās pašas parādības un ar abām metodēm tiek iegūti vieni un tie paši likumi." Tomēr viņš uzsver, ka matemātiķu atrastās auglīgās metodes "var izteikt no Faradeja aizgūtos attēlojumos daudz labāk nekā to sākotnējā formā". Tāda, pēc Maksvela domām, ir potenciāla teorija, ja potenciālu uzskata par lielumu, kas apmierina diferenciālvienādojumu daļējos atvasinājumos. Maksvels atbalsta un aizstāv Faradeja metodi. "Šis veids, lai gan dažās daļās var šķist mazāk skaidrs, manuprāt, labāk saskan ar mūsu faktiskajām zināšanām gan tajā, ko tas apgalvo, gan to, ko tas atstāj neizšķirtu." Noslēdzot savu traktātu ar liela attāluma darbības teorijas analīzi, Maksvels norāda, ka tie visi bija opozīcijā lauka jēdzienam, bija "pret pieņēmumu par vides, kurā izplatās gaisma, esamību". Bet Maksvels apgalvo, ka liela attāluma darbības jēdziens neizbēgami saskaras ar jautājumu: "Ja kaut kas izplata attālumu no vienas daļiņas uz otru, tad kādā stāvoklī tas būs, kad tas būs atstājis vienu daļiņu un vēl nav sasniedzis citu?" Maksvels uzskata, ka vienīgā saprātīgā atbilde uz šo jautājumu ir hipotēze par starpposma vidi, kas pārnes vienas daļiņas darbību uz otru, hipotēze par tuvu darbību. Ja šī hipotēze tiek pieņemta, tad tai, kā uzskata Maksvels, "mūsu pētījumos vajadzētu ieņemt ievērojamu vietu, un mums jācenšas izveidot visu šīs darbības detaļu garīgo priekšstatu". "Un tas bija," Maksvels secina, "mans pastāvīgais mērķis šajā traktātā."

Tā Maksvels jau "Traktātā" konstatē nopietnu pretestību tālās darbības atbalstītāju vidū pret jaunām idejām. Viņš to skaidri jūt jauna koncepcija lauki nozīmē paaugstināt mūsu izpratni par elektromagnētiskajām parādībām jaunā augstākā līmenī, un šajā ziņā viņam noteikti ir taisnība. Bet šis jauns līmenis, ieviešot neskaidru, tieši nejūtamu lauka jēdzienu, aizved mūs tālāk no parastajiem sensorajiem priekšstatiem, no pazīstamiem jēdzieniem.. Vēlreiz atkārtojās Aristoteļa norāde, ka zināšanas virzās uz “pēc dabas acīmredzamākām”, bet “mums mazāk acīmredzamām”. Lai Maksvela teorija kļūtu par fizikas īpašumu, bija nepieciešami jauni rezultāti. Izšķirošo lomu Maksvela teorijas uzvarā spēlēja vācu fiziķis Heinrihs Hercs.

Hertz. Heinrihs Rūdolfs Hercs dzimis 1857. gada 22. februārī advokāta ģimenē, kurš vēlāk kļuva par senatoru. Herca laikmetā apvienotajā Vācijā intensīvi attīstījās rūpniecība, zinātne un tehnika. Berlīnes Universitātē Helmholcs radīja pasauli zinātniskā skola, viņa vadībā 1876. gadā tika uzcelts fizikas institūts. ( Par Helmholca Fizikas institūta izveidi un organizēšanu skatiet grāmatu: Lebedinsky A.V. un citi.Helmholtz.-M.: Nauka 1966, lpp. 148-153.) Tajā pašā laikā Verners Sīmens (1816-1892) intensīvi strādāja lielu strāvu elektrotehnikas jomā. Siemens bija lielāko elektroinženieru firmu "Siemens un Halske", "Siemens un Schunkert" organizators. Kopā ar Helmholcu viņš bija viens no iniciatoriem Vācijas augstākās metroloģijas institūcijas Fizikas un tehnoloģijas institūta izveidei. Siemens draugs un radinieks Helmholcs bija pirmais šī institūta prezidents.

Starp šiem Vācijas zinātnes un tehnikas līderiem iekļuva arī Hercs. Pēc ģimnāzijas beigšanas 1875. gadā Hercs vispirms mācījās Drēzdenē un pēc tam Minhenes Augstākajā tehniskajā skolā. Taču drīz vien viņš saprata, ka viņa aicinājums ir zinātne, un pārcēlās uz Berlīnes universitāti, kur Helmholca vadībā studēja fiziku.

Hercs bija Helmholca mīļākais students, un tieši viņam Helmholcs uzdeva eksperimentāli pārbaudīt Maksvela teorētiskos secinājumus. Hercs sāka savus slavenos eksperimentus kā profesors Tehniskajā augstskolā Karlsrūē un pabeidza tos Bonnā, kur viņš bija eksperimentālās fizikas profesors.

Hercs nomira 1894. gada 1. janvārī. Viņa skolotājs Helmholcs, kurš uzrakstīja nekrologu savam skolniekam, nomira tajā pašā gadā 8. septembrī.

Helmholcs savā nekrologā atgādina Herca zinātniskās karjeras sākumu, kad viņš piedāvāja viņam tēmu studentu darbam elektrodinamikas jomā, "būdams pārliecināts, ka Hercs ieinteresēsies par šo jautājumu un to veiksmīgi atrisinās". Tādējādi Helmholcs iepazīstināja Hercu jomā, kurā viņam vēlāk bija jāveic fundamentāli atklājumi un jāiemūžina sevi. Aprakstot elektrodinamikas stāvokli tajā laikā (1879. gada vasarā), Helmholcs rakstīja: "... Elektrodinamikas lauks tolaik pārvērtās par bezceļu tuksnesi, fakti, kas balstīti uz novērojumiem un sekām no ļoti apšaubāmām teorijām - tas viss tika sajaukts kopā " . Ņemiet vērā, ka šis raksturlielums attiecās uz 1879. gadu, Maksvela nāves gadu. Hercs dzimis kā zinātnieks šajā gadā. Neglaimojošs elektrodinamikas raksturojums XIX gadsimta 70. gadu beigās - 80. gadu sākumā. devis Engelss 1882. gadā.

Engelss atzīmē "elektrības visuresamību", kas izpaužas visdažādāko dabas procesu izpētē, tās pieaugošajā izmantošanā rūpniecībā, un norāda, ka, neskatoties uz to, "tieši tā ir kustības forma, par būtību kas joprojām ir vislielākā neskaidrība."

"Doktrīnā par elektrību," turpina Engels, "mūsu priekšā ir haotiska kaudze vecu, neuzticamu eksperimentu, kas nav saņēmuši ne galīgu apstiprinājumu, ne galīgu atspēkojumu, kaut kāda neskaidra klejošana tumsā, pētījumi, kas ar katru no tiem nav saistīti. citi un daudzu atsevišķu zinātnieku pieredze, nejauši uzbrūkot nezināmam apgabalam, piemēram, nomadu jātnieku baram ”( Engels f. dabas dialektika. - Markss K., Engelss f. Soch., 2. izdevums, 20. sēj., lpp. 433-434.). Lai gan Engelss izsakās asāk nekā Helmholcs, viņu īpašības būtībā ir vienādas: "bezceļa tuksnesis", "klejošana tumsā". Taču Helmholcs ne vārda nesaka par Maksvelu, un Engelss atzīmē elektrības ēterisko teoriju "izšķirošo progresu" un "vienu neapstrīdamu panākumu", atsaucoties uz Bolcmana eksperimentālo Maksvela likuma apstiprinājumu n2 = e.

"Tādējādi," Engels rezumē, "Maksvela ēteriskā teorija tika īpaši apstiprināta eksperimentāli." Engels f. dabas dialektika. - Markss K., Engelss f. Soch., 2. izdevums, 20. sēj., lpp. 439.) Taču izšķirošais apstiprinājums vēl bija priekšā.

Tikmēr jaunais zinātnieks darbos "Mēģinājums noteikt elektroenerģijas plūsmas kinētiskās enerģijas augšējo robežu" (1880), viņa doktora disertācijā "Par indukciju rotējošos ķermeņos" (1880. gada marts), "Par Maksvela elektrodinamisko vienādojumu attiecības ar pretējo elektrodinamiku" (1884) bija jābrien cauri "bezceļa tuksnesim", taustoties pēc tiltiem starp konkurējošām teorijām. 1884. gada darbā Hercs parāda, ka Maksvela elektrodinamikai ir priekšrocības salīdzinājumā ar parasto, taču uzskata, ka tā ir vienīgā iespējamā. Pēc tam Hercs tomēr apmetās pie Helmholca kompromisa teorijas. Helmholcs aizguva no Maksvela un Faradeja atziņu par barotnes lomu elektromagnētiskajos procesos, taču, atšķirībā no Maksvela, viņš uzskatīja, ka atvērto strāvu darbībai vajadzētu atšķirties no slēgto strāvu darbības. Slēgto strāvu darbība no abām teorijām tiek atvasināta vienādi, savukārt atvērtām strāvām, pēc Helmholca domām, ir jāievēro dažādas sekas no abām teorijām. "Ikvienam, kurš tolaik zināja patieso lietu stāvokli," rakstīja Helmholcs, "bija skaidrs, ka pilnīgu izpratni par elektromagnētisko parādību teoriju var panākt, tikai precīzi izpētot procesus, kas saistīti ar šīm momentānām atvērtajām strāvām. ”

Šo jautājumu Helmholca laboratorijā pētīja N.N.Šillers, kurš šim pētījumam veltīja savu doktora disertāciju "Dielektriskās īpašības - atvērto strāvu gali dielektriķos" (1876). Šillers neatklāja atšķirību starp slēgtajām un atvērtajām strāvām, kā tam vajadzēja būt saskaņā ar Maksvela teoriju. Bet acīmredzot Helmholcs ar to nebija apmierināts un ierosināja Hercam vēlreiz pārbaudīt Maksvela teoriju un risināt problēmas, ko 1879. gadā izvirzīja Berlīnes Zinātņu akadēmija: "lai eksperimentāli parādītu, ka pastāv kāda saikne starp elektrodinamiskie spēki un dielektriķu dielektriskā polarizācija." Herca aprēķini parādīja, ka sagaidāmais efekts pat vislabvēlīgākajos apstākļos būtu pārāk mazs, un viņš "atteicās attīstīt problēmu". Tomēr kopš tā laika viņš nepārstāja domāt par iespējamiem veidiem, kā to atrisināt, un viņa uzmanība "bija saasināta attiecībā uz visu, kas saistīts ar elektriskām vibrācijām".

Patiešām, zemās frekvencēs nobīdes strāvas ietekme, proti, šī ir galvenā atšķirība starp Maksvela teoriju un liela attāluma darbības teoriju, ir niecīga, un Hercs pareizi saprata, ka, lai veiksmīgi atrisinātu, ir nepieciešamas augstfrekvences elektriskās svārstības. problēma. Kas bija zināms par šīm svārstībām?

1842. gadā amerikāņu fiziķis Dž. Henrijs, atkārtojot Savarta eksperimentus 1826. gadā, konstatēja, ka Leidenas burkas izlāde “neizskatās... kā vienreizēja bezsvara šķidruma pārnešana no vienas burkas oderes uz otru” un ka ir jāatzīst “galvenās izlādes esamība vienā virzienā un pēc tam vairākas atgrūstas darbības uz priekšu un atpakaļ, no kurām katra ir vājāka par iepriekšējo, turpinoties līdz tiek sasniegts līdzsvars.

Helmholcs savās memuāros "Par spēka saglabāšanu" arī norāda, ka Leidenes burku akumulatora izlāde ir jāattēlo "nevis kā vienkārša elektrības kustība vienā virzienā, bet gan kā tās kustība uz priekšu un atpakaļ starp abām plāksnēm, kā vibrācijas, kas arvien vairāk samazinās līdz visiem darbaspēku netiek iznīcināta pretestību summa.

V. Tomsons 1853. gadā pētīja noteiktas kapacitātes vadītāja izlādi caur noteiktas formas un pretestības vadītāju. Piemērojot izlādes procesam enerģijas nezūdamības likumu, viņš atvasināja izlādes procesa vienādojumu šādā formā:

kur q ir elektrības daudzums uz izlādētā vadītāja noteiktā laikā t, C ir vadītāja kapacitāte, k ir novadītāja galvaniskā pretestība, A ir “konstante, ko var saukt par novadītāja elektrodinamisko kapacitāti” un ko mēs tagad saucam par pašindukcijas koeficientu vai induktivitāti. Tomsons, analizējot šī vienādojuma risinājumu dažādām raksturīgā vienādojuma saknēm, atklāj, ka tad, kad daudzums

ir reālā vērtība (1/CA>4*(k/A)2), tad risinājums parāda "ka galvenais vadītājs zaudē lādiņu, tiek uzlādēts ar mazāku pretējās zīmes elektrību, atkal izlādējas, atkal tiek uzlādēts ar vienmērīgu mazāk sākotnējās zīmes elektrības, un šī parādība atkārtojas bezgalīgi daudz reižu, līdz tiek izveidots līdzsvars. Šo slāpēto svārstību cikliskā frekvence ir:

Tādējādi svārstību periodu var attēlot ar formulu:

Mazām pretestības vērtībām mēs iegūstam labi zināmo Tomsona formulu:

Elektromagnētiskās svārstības eksperimentāli izmeklēja V.Feddersens (1832-1918), kurš pārbaudīja Leidenas burkas dzirksteļaizlādes attēlu rotējošā spogulī, fotografējot šos attēlus, Feddersens atklāja, ka "elektriskajā dzirksteles notiek pārmaiņus pretējas strāvas" un ka vienas svārstības laiks "palielinās tiktāl, ka palielinās elektrificētās virsmas kvadrātsakne, "tas ir, svārstību periods ir proporcionāls kapacitātes kvadrātsaknei, kā izriet no Tomsona formulas. Ne velti Tomsons, atkārtoti izdodot 1882. gadā savu darbu “Par pārejošām elektriskajām strāvām”, kas tika apspriests iepriekš, tam pievienoja 1882. gada 11. augusta piezīmi: “Šajā 1853. gada rakstā aplūkotā svārstību elektriskās izlādes teorija drīz vien ieguva interesanta ilustrācija Feddersena lieliskajā elektriskās dzirksteles fotogrāfiskajā pētījumā." Tomsons turpina norādīt, ka viņa teorija "tika pakļauta ļoti svarīgam un izcili paveiktam eksperimentālam pētījumam Helmholcas laboratorijā Berlīnē", atsaucoties uz N. N. Šillera 1874. gada darbu "Daži eksperimentālie pētījumi elektriskās vibrācijas". Tomsons atzīmē, ka starp citiem šī pētījuma "nozīmīgiem rezultātiem" "noteiktu cieto izolācijas vielu īpatnējās induktīvās kapacitātes (t.i., caurlaidības) ir noteiktas, veicot mērījumus novēroto svārstību periodos".

Tādējādi līdz Herca pētījumu sākumam elektriskās svārstības bija pētītas gan teorētiski, gan eksperimentāli. Hercs, ar savu dedzīgo uzmanību šim priekšmetam, strādājot Karlsrūes Augstākajā tehniskajā skolā, fizikas kabinetā atrada indukcijas spoļu pāri, kas bija paredzēts lekciju demonstrācijām. "Mani pārsteidza," viņš rakstīja, "ka, lai vienā tinumā iegūtu dzirksteles, nav nepieciešams izlādēt lielus akumulatorus caur citu, turklāt tam pietika ar mazām Leidenas burciņām un pat neliela indukcijas aparāta izlādi. , ja tikai izlāde caurdurtu dzirksteles spraugu. Eksperimentējot ar šīm spolēm, Hercs nāca klajā ar ideju par savu pirmo pieredzi;

Hercs aprakstīja eksperimentālo uzstādījumu un pašus eksperimentus rakstā, kas publicēts 1887. gadā "Par ļoti ātrām elektriskām svārstībām". Hercs šeit apraksta metodi, kā radīt svārstības "apmēram simts reižu ātrāk nekā Feddersena novērotās". “Šo svārstību periods,” raksta Hercs, “noteikts, protams, tikai ar teorijas palīdzību, tiek mērīts sekundes simtmiljondaļās. Tāpēc ilguma ziņā tie ieņem vidusvietu starp smagu ķermeņu skaņas vibrācijām un ētera gaismas vibrācijām. Tomēr Hercs šajā darbā nerunā par elektromagnētiskajiem viļņiem, kuru garums ir aptuveni 3 m. Viss, ko viņš izdarīja, bija konstruēt ģeneratoru un elektrisko svārstību uztvērēju, pētot ģeneratora svārstību ķēdes induktīvo darbību uz uztvērēja svārstību ķēdi ar maksimālo attālumu starp tiem 3 m.

Svārstību ķēde pēdējā eksperimentā sastāvēja no vadītājiem C un C1, kas atradās 3 m attālumā viens no otra, savienoti ar vara vadu, kura vidū bija indukcijas spoles dzirksteļu sprauga. Uztvērējs bija taisnstūrveida ķēde ar malām 80 un 120 cm, ar dzirksteļu spraugu vienā no īsajām malām. Ģeneratora induktīvā darbība uz uztvērēju tika konstatēta ar vāju dzirksteli šajā intervālā.

Rīsi. 43. Herca pieredze

Tad Hercs izveidoja uztveršanas ķēdi divu 10 cm diametra lodīšu veidā, kas savienotas ar vara stiepli, kuras vidū bija dzirksteļu sprauga. Aprakstot eksperimenta rezultātus, Hercs secināja: “Es domāju, ka šeit pirmo reizi notiek taisnlīniju atvērto strāvu mijiedarbība, kurai ir tāda liela nozīme teorijai. Patiešām, kā mēs zinām, tieši atvērtās ķēdes ļāva izvēlēties starp konkurējošām teorijām. Tomēr ne šajā pirmajā darbā, ne trīs nākamajos Hercs nerunā par Maksvela elektromagnētiskajiem viļņiem, viņš tos vēl neredz. Pagaidām viņš runā par vadītāju "mijiedarbību" un šo mijiedarbību aprēķina pēc liela attāluma mijiedarbības teorijas. Vadītāji, ar kuriem šeit strādā Hercs, ienāca zinātnē ar nosaukumu Herca vibrators un rezonators. Vadītāju sauc par rezonatoru, jo to visspēcīgāk ierosina vibrācijas, kas rezonē ar savām vibrācijām.

Nākamajā darbā Par ultravioletās gaismas ietekmi uz elektrisko izlādi, kas tika iesniegts Berlīnes Zinātņu akadēmijas protokoliem 1887. gada 9. jūnijā, Hercs apraksta svarīgu parādību, ko viņš atklājis un vēlāk nosauca par fotoelektrisko efektu. Šis ievērojamais atklājums tika veikts Herca svārstību noteikšanas metodes nepilnības dēļ: uztvērējā ierosinātās dzirksteles bija tik vājas, ka Hertz nolēma novietot uztvērēju tumšā korpusā, lai atvieglotu novērošanu. Tomēr izrādījās, ka maksimālais dzirksteles garums šajā gadījumā ir daudz mazāks nekā atvērtā ķēdē. Pēc kārtas noņemot korpusa sienas, Hertz pamanīja, ka sienai, kas vērsta pret ģeneratora dzirksteli, ir traucējošs efekts. Rūpīgi izpētot šo parādību, Hertz atklāja cēloni, kas veicina dzirksteles izlādi uz uztvērēju - ģeneratora dzirksteles ultravioleto starojumu. Tādējādi tīri nejauši, kā raksta pats Hercs, tika atklāts svarīgs fakts, kam nebija tiešas saistības ar pētījuma mērķi. Šis fakts nekavējoties piesaistīja vairāku pētnieku uzmanību, tostarp Maskavas universitātes profesoru A. G. Stoletovu, kurš īpaši rūpīgi pētīja. jauns efekts, ko viņš sauca par aktinoelektrisko.

Pieredze ar Hertz vibratoru

A. G. STOLETOVS. Aleksandrs Grigorjevičs Stoletovs dzimis 1839. gada 10. augustā Vladimirā tirgotāja ģimenē. Pēc Vladimira ģimnāzijas beigšanas Stoletovs iestājās Maskavas universitātes Fizikas un matemātikas fakultātē un tika atstāts tur, lai sagatavotos mācībām. No 1862. līdz 1865. gadam Stoletovs atradās ārzemju komandējumā, kura laikā viņš tikās ar ievērojamiem vācu zinātniekiem Kirhhofu, Magnusu un citiem. 1866. gadā Stoletovs kļuva par universitātes pasniedzēju un pasniedza matemātiskās fizikas kursu. 1869. gadā viņš aizstāvēja maģistra darbu " Vispārējs uzdevums elektrostatika un tās samazināšana līdz vienkāršākajam gadījumam”, pēc tam to apstiprina augstskolas asociētais profesors.

1872. gadā aizstāvējis doktora disertāciju "Mīkstā dzelzs magnetizācijas funkcijas pētījumi", Stoletovs tika apstiprināts par ārkārtas profesoru Maskavas Universitātē un noorganizēja fizikas laboratoriju, kurā tika sagatavoti daudzi krievu fiziķi. Šajā laboratorijā Stoletovs sāka savus aktinoelektriskos pētījumus 1888. gadā. ( Plašāku informāciju par A. G. Stoletova laboratoriju skatiet VKN Teplyakov GM, Kudrjavtsevs P. S Aleksandrs Grigorjevičs Stoletovs. - M. - Apgaismība, 1966. gads)

Hercs savā rakstā par ultravioletās gaismas ietekmi uz elektrisko izlādi norādīja uz ultravioletā starojuma spēju palielināt induktora un līdzīgu novadītāju dzirksteļu spraugu. "Apstākļi, kādos tā veic savu darbību šādās noplūdēs, protams, ir ļoti sarežģīti, un būtu vēlams šo darbību izpētīt plašāk vienkārši nosacījumi, jo īpaši, likvidējot induktorus, ”rakstīja Hertz. Piezīmē viņš norādīja, ka nevar atrast apstākļus, kas varētu aizstāt "tik maz saprotamo dzirksteles izlādes procesu ar vienkāršāku darbību". Pirmo reizi tas izdevās tikai G. Galvakam (1859-1922). Bet Galvaks, kā arī Vīdemans un Eberts, tāpat kā Hercs, pētīja gaismas ietekmi uz augstsprieguma elektriskajām izlādēm.

Stoletovs nolēma izpētīt, vai šāda rīcība būtu iespējama ar vāja potenciāla elektrību. Norādot uz šīs metodes priekšrocībām, Stoletovs turpināja: “Mans mēģinājums bija veiksmīgāks, nekā gaidīts. Pirmie eksperimenti sākās ap 1888. gada 20. februāri un turpinājās bez pārtraukuma... līdz 1888. gada 21. jūnijam. Nosaucot pētāmo fenomenu par aktinoelektrisku, Stoletovs ziņo, ka eksperimentus turpinājis 1888. gada otrajā pusē un 1889. gadā un joprojām neuzskata tos par pabeigtiem.

Lai iegūtu fotoelektrisko efektu (termins, kas aizstāja Stoletovu), Stoletovs izmantoja instalāciju, kas ir mūsdienu fotoelementu prototips. Divi metāla diski (Stoļetovs tos sauca par "armatūrām" vai "elektrodiem") - viens izgatavots no metāla sieta un otrs ciets - caur galvanometru tika savienoti ar galvaniskā akumulatora poliem, veidojot akumulatora ķēdē iekļautu kondensatoru. Tīkla diskam priekšā tika novietota loka lampa, kuras gaisma, izejot cauri sietam, krita uz metāla diska.

“Jau iepriekšējie eksperimenti... mani pārliecināja, ka ne tikai 100 elementu baterija..., bet arī daudz mazāka, disku apgaismošanas laikā galvanometrā dod neapšaubāmu strāvu, ja nu vienīgi cietais (aizmugurējais) disks. ir savienots ar tā negatīvo polu, un acs (priekšpuse) - ar pozitīvo.

Tik vienkārši un tīri tika reproducēta fotoelektriskās strāvas parādība. Tieši Stoletovs izveda šo parādību no sarežģīto elektriskās izlādes attiecību neskaidrības, nāca klajā ar vienkāršu pirmā fotoelementa dizainu un tādējādi lika pamatu auglīgai fotoelektriskā efekta izpētei. Stoletovs pirmo reizi skaidri un gaiši parādīja efekta unipolaritāti: “Jau no paša pētījuma sākuma es kategoriski uzstāju uz aktinoelektriskās darbības perfektu unipolaritāti, t.i., uz nejutīgumu. pozitīvi lādiņi uz stariem. Viņš arī pierādīja darbības inerci: “Aktinoelektriskā strāva apstājas uzreiz (praktiski runājot), tiklīdz starus aizkavē ekrāns”; parādīja, ka fotoelektriskais efekts ir saistīts "ar aktīvo staru absorbciju" ar apgaismoto elektrodu: "Stari ir jāabsorbē negatīvi lādētajai virsmai. Acīmredzot svarīga ir absorbcija elektroda plānākajā augšējā slānī, tajā slānī, kur, tā sakot, atrodas elektriskais lādiņš.

Izpētot laiku, kas pagājis no elektroda apgaismojuma līdz fotostrāvas parādīšanās brīdim (tas bija ļoti grūti un ne pārāk ticami), Stoletovs atklāja, ka šis laiks "ir ļoti nenozīmīgs, citiem vārdiem sakot, var uzskatīt staru darbību, praktiski runājot, acumirklī." "Praktiski runājot, strāva parādās un pazūd vienlaikus ar apgaismojumu." Stoletovs arī atklāja, ka fotostrāvas atkarība no sprieguma nav lineāra; "Strāva ir aptuveni proporcionāla elektromotora spēkam tikai pie mazākajām vērtībām. Šis pēdējais, un tad, palielinoties, lai gan tas arī aug, bet arvien lēnāk."

Tādējādi Stoletovs ļoti rūpīgi un detalizēti pētīja fotoelektrisko efektu. Viņš skaidri redzēja parādības būtību, taču pirms elektronu atklāšanas viņš, protams, vēl nevarēja atklāt tās patieso būtību: elektronu izvilkšanu ar gaismu. Vēl jo pārsteidzošāk ir tas, ka jau pašā savu secinājumu pirmajā rindkopā viņš raksta: "Voltiskā loka stari, krītot uz negatīvi lādēta ķermeņa virsmu, aiznes no tā lādiņu."

Stoletova vārds pamatoti ir viens no fotoelektriskā efekta pionieriem.

1890. gadā Stoletovs turpināja savus pētījumus. Jaunu pētījumu rezultāti publicēti rakstā "Aktinoelektriskās parādības retinātās gāzēs". Šeit Stoletovs pētīja gāzes spiediena lomu fotoelementā. Viņš atklāja, ka, samazinoties gāzes spiedienam, strāva sākumā palielinās lēni, pēc tam ātrāk, sasniedzot maksimumu pie noteikta spiediena, ko Stoletovs nosauca par kritisku un apzīmēja kā rt. Pēc kritiskā spiediena sasniegšanas strāva samazinās, tuvojoties galīgajai robežai. Stoletovs atrada likumu, kas attiecas uz kritisko spiedienu uz kondensatora lādiņu. "Kritiskais spiediens ir proporcionāls kondensatora lādiņam, citiem vārdiem sakot, -^L-= const." Šis likums gāzizlādes fizikā ienāca ar Stoletova likuma nosaukumu.

Pēc aktinoelektriskajiem pētījumiem sekoja Stoletova raksti, kas tika apspriesti iepriekš par kritisko stāvokli.

fiziskais lauks - šī ir īpaša matērijas forma, kas pastāv katrā telpas punktā, kas izpaužas kā ietekme uz vielu, kurai ir īpašība, kas saistīta ar to, kas radīja šo lauku.

ķermenis + lādiņš  lauks  ķermenis + lādiņš

Piemēram, ja viens radioimpulss tiek izstarots ievērojamā attālumā starp raidīšanas un uztveršanas antenu, kādā brīdī izrādās, ka signāls jau ir raidītās antenas izstarots, bet vēl nav bijis saņem saņēmējs. Līdz ar to noteiktā laikā signāla enerģija tiks lokalizēta telpā. Šajā gadījumā ir acīmredzams, ka enerģijas nesējs nav ierastā materiālā vide, bet gan reprezentē citu fizisko realitāti, ko sauc lauks .

Matērijas un lauka uzvedībā ir būtiska atšķirība.

Galvenā atšķirība ir plūstamība. Vielai vienmēr ir asa tās aizņemtā tilpuma robeža, un laukam būtībā nevar būt asas robežas ( makroskopiskā pieeja ), tas vienmērīgi mainās no punkta uz punktu. Vienā telpas punktā var būt bezgalīgi daudz fizisko lauku, kas viens otru neietekmē, ko nevar teikt par matēriju. Lauks un matērija var savstarpēji iekļūt viens otrā.

EMF un elektriskais lādiņš ir pamatjēdzieni, kas saistīti ar elektromagnētisma fiziskajām parādībām.

EMF - šī ir īpaša matērijas forma, caur kuru tiek veikta elektrisko lādiņu mijiedarbība, kas atšķiras nepārtraukts izplatība telpā (EMW, lādētu daļiņu EML) un noteikšana diskrētums struktūras (fotoni), ko raksturo spēja izplatīties vakuumā ar ātrumu tuvu Ar, kas iedarbojas uz uzlādētajām daļiņām atkarībā no to ātruma .

EMF var pilnībā aprakstīt, izmantojot skalāros un vektora potenciālus, kas saskaņā ar relativitātes teoriju veido vienu četrdimensiju vektoru telpā un laikā, kura sastāvdaļas tiek pārveidotas, pārejot no viena inerciālā atskaites sistēmas uz citu. saskaņā ar G. Lorenca pārvērtībām.

Elektriskais lādiņš – vielas vai ķermeņu daļiņu īpašība, kas raksturo to saistību ar savu EML un mijiedarbību ar ārēju EML; ir divu veidu lādiņš, kas pazīstams kā pozitīvs lādiņš (protonu lādiņš) un negatīvs (elektronu lādiņš); kvantitatīvi nosaka ķermeņu spēka mijiedarbība ar elektriskie lādiņi .

Idealizācija ir ērta EML analīzei "punkta maksa" ir lādiņš koncentrēts punktā. Mazākais lādiņš dabā ir elektrona lādiņš. e e-pasts \u003d 1,60210 -19 C, tāpēc ķermeņu lādiņiem jābūt daudzkārtējiem e e-pasts .

Tomēr bieži vien ir ērti uzskatīt, ka lādiņš ir nepārtraukti sadalīts (makroskopiskā pieeja). Ir jēdziens tilpuma (, C / m 3), virsmas (
, C/m 2) un lineārais ( , C/m) lādiņa blīvums.

. (1.1)

. (1.2)

. (1.3)

Stacionāro elektrisko lādiņu EML ir nesaraujami saistīts ar daļiņām, kas to ģenerē, bet lādētas daļiņas EML, kas pārvietojas paātrinātā ātrumā, var pastāvēt neatkarīgi no vielas EMW formā. .

EMW - EM svārstības, kas laika gaitā izplatās telpā ar ierobežotu ātrumu.

EML izpētē tiek atrastas divas tā izpausmes formas - elektriskais un magnētiskais lauks, kam var dot šādas definīcijas.

Elektriskais lauks - viena no EML izpausmēm elektrisko lādiņu un magnētiskā lauka izmaiņu dēļ, kam ir spēka ietekme uz lādētām daļiņām un ķermeņiem, ko nosaka spēka ietekme uz nekustīgs uzlādēti ķermeņi un daļiņas.

Magnētiskais lauks - viena no EML izpausmēm elektrisko lādiņu dēļ pārvietojas uzlādētas daļiņas (un ķermeņi) un elektriskā lauka izmaiņas, kas iedarbojas uz pārvietojas lādētas daļiņas, ko nosaka spēka darbība, kas parasti vērsta uz šo daļiņu kustības virzienu un proporcionāla to ātrumam .

EML sadalījums elektriskajos un magnētiskajos laukos ir relatīvs, jo tas ir atkarīgs no inerciālās atskaites sistēmas izvēles, kurā tiek pētīts EML. Piemēram, ja noteikta sistēma sastāv no elektriskiem lādiņiem miera stāvoklī, tad, pētot EML šajā sistēmā, tiks konstatēta elektriskā lauka klātbūtne un magnētiskā lauka trūkums. Taču, ja attiecībā pret šo sistēmu pārvietojas cita koordinātu sistēma, tad magnētiskais lauks tiks atklāts arī otrajā sistēmā.

Galvenās EML īpašības apsvērts (elektriskā lauka stiprums ) un (magnētiskā indukcija ), kas apraksta mehānisko spēku izpausmi EML un var tieši izmērīt. Elektriskā lauka intensitāti var definēt kā spēku, kas iedarbojas uz zināma lieluma punktveida lādiņu ( Sh Kulona spēks ):

. (1.4)

Magnētiskā indukcija tiek noteikts spēka izteiksmē, kas iedarbojas uz punktveida lādiņu q zināma vērtība, pārvietojas magnētiskajā laukā ar ātrumu , (G. Lorenca spēks )
:

. (1.5)

EML palīgīpašības ir (elektriskā indukcija vai elektriskā nobīde ) un (EML magnētiskās sastāvdaļas intensitāte ). EML raksturlielumu nosaukumi nav neapstrīdami, taču tie ir attīstījušies vēsturiski. Galveno EML raksturlielumu mērvienības ir norādītas 3. lpp. Mēs izmantosim Starptautiskā mērvienību sistēma SI , ērtākais priekš praktiski lietojumprogrammas.

Savienojums starp galvenajiem un papildu raksturlielumiem tiek veikts, izmantojot materiālu vienādojumi :

. (1.6)

. (1.7)

Lielākajā daļā vidi — vektori un , patīk un ,kolineārs (1. pielikums). Bet žiroelektrisko (feroelektrisko) un giromagnētisko (feromagnētu) vidē  un  kļūt tenzors daudzumos, un pa pāriem norādītie vektori var zaudēt savu kolinearitāti.

Vērtība
sauca magnētiskā plūsma .

Vērtība  -vadītspēja vide. Paturot prātā šo vērtību, mēs varam būt saistīti vadīšanas strāvas blīvums (j utt ) un lauka stiprums:

. (1.8)

Vienādojums (1.8) ir diferenciālforma G. Oma likums ķēdes daļai.

Lauki ir sadalīti skalārs , vektors un tenzors .

Skalārais lauks - šī ir noteikta skalāra funkcija, kuras definīcijas domēns ir nepārtraukti sadalīts katrā telpas punktā (1.1. att.). Skalārais lauks ir raksturots līdzenu virsmu (piemēram, 1.1. attēlā - ekvipotenciāls līnijas), ko dod vienādojums:
.

vektoru lauks ir nepārtraukts vektora lielums, kas dots katrā telpas punktā ar definīcijas apgabalu (1.2. att.) Šī lauka galvenais raksturlielums ir vektora līnija , kura katrā punktā vektors lauks ir vērsts tangenciāli. fiziskais rekords spēka līnijas :
.

Tenzora lauks ir nepārtraukts tenzora lielums, kas sadalīts telpā. Piemēram, anizotropam dielektriķim tā relatīvā caurlaidība kļūst par tenzora lielumu:
.

Pētot elektromagnētisko indukciju, mēs redzējām, ka, aplūkojot šo parādību noteiktā inerciālā atskaites sistēmā, divas dažādu iemeslu dēļ induktīvās strāvas rašanās. Laboratorijas atskaites sistēmā EML cēlonis ir vai nu virpuļa elektriskā lauka parādīšanās, vai Lorenca spēka iedarbība uz elektriskajiem lādiņiem, kas pārvietojas kopā ar vadītāju no magnētiskā lauka puses. Tomēr, analizējot indukcijas EML rašanos Lorenca spēka dēļ eksperimentā ar metāla rāmi, kas kustas magnētiskajā laukā (sk. 113. att.), mēs varam spriest citādi.

Elektrisko un magnētisko lauku relatīvais raksturs.

Pāriesim pie atskaites sistēmas, kas saistīta ar kustīgo kadru. Tajā lādiņi ir nekustīgi un līdz ar to no magnētiskās puses

lauka spēki uz tiem neiedarbojas. Stingri sakot, strāvas klātbūtnē lādiņi pārvietojas pa vadītāju ar dreifēšanas ātrumu un (skat. 114. att.), un magnētiskajā laukā tos ietekmē Lorenca spēks. Tomēr tas ir vērsts pāri vadītājam un nevar izskaidrot EML rašanos.

Kā izskaidrot indukcijas EML rašanos šajā atskaites sistēmā? Vienīgais, kas vēl jāpieņem, ir elektriskā lauka klātbūtne šajā rāmī, kas ir vērsta perpendikulāri magnētiskajam laukam gar rāmja malu, kura nebija sākotnējā atskaites sistēmā. Patiešām, jebkurā inerciālajā atskaites sistēmā SI vienībās spēku, kas iedarbojas uz lādiņu, nosaka pēc formulas (5) § 17:

Tā kā atskaites rāmī, kas saistīts ar kadru, spēku var radīt tikai šajā kadrā esošais elektriskais lauks E.

Elektriskie un magnētiskie lauki iekšā dažādas sistēmas atsauce. Tātad, mēs nonākam pie secinājuma par elektrisko un magnētisko lauku relatīvo raksturu. Saskaņā ar relativitātes principu visas inerciālās atskaites sistēmas ir vienādas. Tas attiecas ne tikai uz mehāniskām parādībām, bet arī uz jebkura rakstura parādībām, tostarp elektromagnētiskām.

Rīsi. 125. Uz skaidrojumu par indukcijas emf rašanos dažādās atskaites sistēmās

Šeit aplūkotajā eksperimentā novērotais daudzums ir indukcijas emf kadrā, un tas pastāv neatkarīgi no tā, kurā inerciālajā rāmī šis eksperiments tiek aplūkots.

Kā redzējām, vienā atskaites sistēmā, kur nav elektriskā lauka, EML esamība tiek skaidrota ar Lorenca spēku (125.a att.), savukārt otrā, kur rāmis ir nekustīgs, tikai ar EML klātbūtni. elektriskais lauks (1256. att.). Pie maziem ātrumiem, kad ir iespējams neņemt vērā spēka izmaiņas, pārejot no viena atskaites sistēmas uz otru, no formulas (1) izriet, ka elektriskā lauka stiprums E sistēmā, kurā ietvars

fiksēts, jābūt

Tātad kustīgs magnēts papildus magnētiskajam rada arī elektrisko lauku.

Pievērsīsim uzmanību tam, ka jau iepriekš varējām pamanīt elektriskā un magnētiskā lauka relatīvo raksturu. Faktiski stacionārs lādiņš rada tikai elektrisko lauku. Tomēr lādiņš, kas ir nekustīgs jebkurā vienā atskaites sistēmā, pārvietojas attiecībā pret citiem atskaites sistēmām. Tāds kustīgs lādiņš ir kā elektriskā strāva un tāpēc rada magnētisko lauku. Tādējādi, ja jebkurā atskaites sistēmā ir tikai elektriskais lauks, tad jebkurā citā kadrā būs arī magnētiskais lauks.

Šajā gadījumā mēs iegūstam magnētiskā lauka indukcijas formulu, kas ir līdzīga formulai (2). Apsveriet atskaites sistēmu, kas pārvietojas ar ātrumu attiecībā pret lādiņu. Šajā atskaites sistēmā lādiņš pārvietojas ar ātrumu, tā radīto magnētisko lauku saskaņā ar formulu (16) § 15 nosaka izteiksme

Bet tajā pašā punktā lādiņš rada elektrisko lauku E, kas vienāds ar

Salīdzinot formulas (3) un (4), mēs redzam, ka magnētiskais lauks, ko rada lādiņš, kas pārvietojas ar ātrumu -V, ir saistīts ar elektrisko lauku E, ko rada tas pats lādiņš atskaites sistēmā, kur tas ir stacionārs pēc attiecības

Šī formula, kas iegūta punktveida lādiņai, ir derīga arī laukam, ko rada jebkurš maksas sadalījums.

Tātad, ja kādā atskaites sistēmā ir tikai elektriskais lauks E, tad citā atskaites sistēmā, pārvietojoties ar ātrumu attiecībā pret oriģinālu, ir arī magnētiskais lauks B, kuru aprēķina pēc formulas (5).

Elektromagnētiskā lauka invarianti. Formulas (2) un (5) ir īpaši lauka transformāciju gadījumi pārejā no vienas inerciālās atskaites sistēmas uz citu. Tie ir derīgi pie zema relatīvā atskaites sistēmu ātruma (). Vispārīgā gadījumā, ja sākotnējā atskaites sistēmā ir gan elektriskais, gan magnētiskais lauks, nerelativistiskās konversijas formulas SI ir šāda

Vēlāk mēs redzēsim, ka kur c ir gaismas ātrums vakuumā.

Formulas elektrisko un magnētisko lauku pārveidošanai pie relatīvā atskaites sistēmu ātruma, kas salīdzināms ar gaismas ātrumu, ir apgrūtinošākas nekā (6). Taču vienmēr, pārejot no vienas inerciālās atskaites sistēmas uz otru, ir invariantas, t.i., vektoru E un B kombinācijas, kas nemaina to vērtību. Ir tikai divas neatkarīgas kombinācijas - tā ir šo vektoru skalārā reizinājums un to kvadrātu atšķirība:

Formula (7) un (8) ļauj izdarīt vairākus svarīgus secinājumus par elektromagnētiskā lauka īpašībām. Ja jebkurā inerciālajā atskaites sistēmā elektriskie un magnētiskie lauki ir savstarpēji perpendikulāri, tad, kā redzams no (7), tie būs savstarpēji perpendikulāri jebkurā citā sistēmā. Šādiem savstarpēji ortogonāliem laukiem var atrast tādu atskaites sistēmu, kurā vai nu vai atkarībā no tā, vai invariants (8) ir pozitīvs vai negatīvs.

No elektriskā un magnētiskā lauka relatīvā rakstura dabiski izriet, ka, pētot elektriskās un magnētiskās parādības, ir jēga šos laukus uzskatīt kopā par vienu elektromagnētisko lauku. Pārejot no viena atskaites rāmja uz otru, elektriskais lauks vienā kadrā, kā redzējām, tiek izteikts gan elektriskā lauka izteiksmē, gan magnētiskā lauka izteiksmē otrā kadrā, un otrādi. Tāpēc ir dabiski sagaidīt, ka starp elektriskajām un magnētiskajām parādībām pastāv zināma simetrija. Magnētiskā lauka izmaiņas rada virpuļveida elektrisko lauku. Izrādās, ka ir arī otrādi: laikā mainīgs elektriskais lauks rada magnētisko lauku.

Elektriskā lauka maiņa kā magnētiskā lauka avots.Šo secinājumu var izdarīt, analizējot mums jau zināmos eksperimentālos faktus un fizikālos likumus, kas tos apraksta. Apsveriet elektriskās ķēdes posmu, kas satur garu taisnu vadu un plakanu kondensatoru (126.a att.). Pieņemsim, ka kādu pietiekami mazu laika periodu strāva šajā ķēdē ir vienāda ar I. Šī strāva ir saistīta ar kondensatora lādiņa izmaiņu sakarībā.

Apskatīsim apļveida ķēdi I, kas aptver vadītāju, kā parādīts attēlā. 126a. Strāva rada magnētisko lauku, tāpēc saskaņā ar teorēmu par magnētiskā lauka indukcijas vektora cirkulāciju mums ir

(9) labajā pusē laika vienībā ir lādiņš, kas šķērso virsmu, ko ierobežo I kontūra. Tagad mēs izstiepsim virsmu, ko ierobežo I kontūra, lai tā, nešķērsojot vadus ar strāvu, izietu spraugā starp kondensatora plāksnēm (S 126.b attēlā). Šajā gadījumā neviens lādiņš nešķērso prolāto virsmu, ko ierobežo kontūra, un šajā ziņā strāva I punktā (9) ir vienāda ar nulli. Bet magnētiskais lauks ap vadu, vietā, kur atrodas kontūra, nevar pazust, un (9) kreisā puse nemaina savu vērtību, kad virsma tiek deformēta. Mēs nonākam pie pretrunas: (9) kreisā puse nav nulle, bet labā puse ir vienāda ar nulli. Tas nozīmē, ka formulā (9) kaut kā trūkst. Ir dabiski sagaidīt, ka patiesībā šīs formulas labajā pusē ir jābūt vēl vienam terminam, kas ir vienāds ar nulli, ja kontūras savilktā virsma krustojas ar vadu.

Rīsi. 126. Magnētiskās indukcijas vektora cirkulācija nav atkarīga no tā, vai tā saraušanās virsma šķērso vadu ar strāvu (a) vai iet starp kondensatora plāksnēm (b)

Kā uzminēt šī dalībnieka veidu? Tā kā formulas (9) kreisā puse virsmas deformācijas laikā nemainījās, mēs mēģināsim ar (9) labo pusi aizstāt I vietā ar to vienādu lādiņa izmaiņu ātrumu uz kondensatora plāksnēm un mēģināsim interpretēt šo vērtību. lai tam būtu jēga apgabalā, kur nav kustīgu lādiņu. Tā kā kondensatora lādiņš ir vienāds ar virsmas lādiņa blīvuma a un plāksnes laukuma reizinājumu, tad pie nemainīgiem kondensatora izmēriem un formas virsmas lādiņa blīvumu izsaka elektriskā lauka intensitātes izteiksmē starp plāksnēm , mēs pārrakstām (9) formā

Atšķirībā no strāvas I, spraugā starp kondensatora plāksnēm vērtība nav vienāda ar nulli. Tā kā reizinājums attēlo elektriskā lauka intensitātes E plūsmu caur virsmu, ko ierobežo kontūra, tad (10) labajā pusē ir vērtība, kas ir proporcionāla elektriskā lauka intensitātes plūsmas izmaiņu ātrumam:

Magnētiskā lauka cirkulācijas teorēmas vispārinājums. Ja tagad (9) un (11) vietā mēs rakstām formulu

tad tas būs derīgs vienmēr, neatkarīgi no tā, kur iet virsma, kuru ierobežo kontūra I. Ja virsma šķērso vadu, tad (12) otrais vārds labajā pusē ir praktiski nulle un mēs atgriežamies pie magnētiskā lauka cirkulācijas teorēmas ( 9). Ja virsma iet iekšā kondensatorā, tad pirmais vārds labajā pusē nedod ieguldījumu, bet, kā mēs redzējām, situāciju glābj otrais termins.

Rodas jautājums: vai pievienotais otrais termins (12) labajā pusē ir tīri formāls, nepieciešams tikai, lai formula būtu derīga jebkurai virsmai, ko ierobežo noteikta kontūra, vai arī tam ir fiziska nozīme un tas atbilst faktam, magnētisko lauku ierosina mainīgs elektriskais lauks ?

Rīsi. 127. Elektriskā lauka maiņa noved pie magnētiskā lauka parādīšanās

Atbildi uz šo jautājumu var iegūt, ja ņemam vērā nedaudz pārveidotu eksperimentu (127. att.), kur I ķēde pilnībā atrodas liela kondensatora iekšpusē, kura plāksnēm attālums ir liels, salīdzinot ar ķēdes izmēriem. Pieredze rāda, ka kondensatora iekšpusē ir magnētiskais lauks; taču ir acīmredzams, ka šo lauku nevar izveidot ar strāvu nesošiem vadiem, kas atrodas tālu, tāpēc šajā gadījumā magnētiskais lauks rodas elektriskā lauka izmaiņu dēļ. Šī magnētiskā lauka indukcijas cirkulāciju pa kontūru nosaka elektriskā lauka intensitātes plūsmas maiņas ātrums caur virsmu, ko ierobežo šī kontūra.

nobīdes strāva. Vērtību sauc par pārvietošanas strāvu, jo tā, tāpat kā vadīšanas strāva, ir magnētiskā lauka avots. Termins "pārvietošana" ir vēsturisku iemeslu dēļ un ir saistīts ar elektriskā lauka mehānisko modeli, kas zaudējis nozīmi. Jāņem vērā, ka nobīdes strāva ir līdzvērtīga vadīšanas strāvai tikai pēc spējas radīt magnētisko lauku. Piemēram, nobīdes strāvas klātbūtnē netiek atbrīvots džoula siltums.

Nobīdes strāvu vispirms prognozēja Maksvels, pamatojoties uz eksperimentāli noteikto elektromagnētisma likumu teorētisko analīzi, kas bija zināmi tajā laikā. Maksvels ir parādījis

ka vienotu konsekventu elektromagnētisko parādību attēlu, kas atbilst elektriskā lādiņa nezūdamības likumam, var izveidot tikai tad, ja tiek pieņemts, ka mainīgs elektriskais lauks spēj radīt magnētisko lauku. No viņa rakstītās elektromagnētiskā lauka vienādojumu sistēmas izriet gan visi eksperimentālie elektromagnētisma likumi, gan nobīdes strāvas esamība.

Maksvela vienādojumi. Maksvela vienādojumu sistēma satur četrus elektromagnētisma pamatlikumus. Pirmais likums ir Gausa teorēma saistībā ar elektriskā lauka stipruma plūsmu caur slēgtu virsmu ar kopējo lādiņu šīs virsmas iekšpusē. Fiksēto lādiņu gadījumā Gausa teorēma sniedz atšķirīgu eksperimentālā Kulona likuma matemātisko formulējumu. Gausa teorēmas radītā saistība starp elektriskā lauka intensitātes plūsmu caur slēgtu virsmu un kopējo lādiņu virsmas iekšpusē ir spēkā abu lādiņu kustībai un virsmai kopumā vai tās atsevišķām sekcijām (t.i., deformācijas laikā). virsma).

Otrais likums ir Gausa teorēma magnētiskajam laukam, saskaņā ar kuru magnētiskās indukcijas vektora plūsma caur jebkuru slēgtu virsmu ir nulle. Šī teorēma atspoguļo magnētiskā lauka virpuļveida raksturu un magnētisko lādiņu neesamību dabā.

Trešais likums ir Faradeja elektromagnētiskās indukcijas likums, saskaņā ar kuru mainīgs magnētiskais lauks ģenerē virpuļelektrisko lauku.

Ceturtais likums ir Biot-Savarta-Laplasa likuma vispārinājums. Magnētisko lauku var radīt gan kustīgi elektriskie lādiņi, t.i., vadīšanas strāvas, gan mainīgs elektriskais lauks, t.i., nobīdes strāvas.

Analizējot elektromagnētiskā lauka vienādojumu sistēmu, Maksvels nonāca pie secinājuma, ka šie vienādojumi pieļauj savstarpēji savienotu elektrisko un magnētisko lauku eksistenci, kas izplatās telpā ar gaismas ātrumu - elektromagnētiskajiem viļņiem, kurus vēlāk eksperimentāli atklāja Hercs.

Gausa mērvienību sistēma. Elektromagnētiskā lauka teorētiskajā aprakstā visvienkāršākā un dabiskākā ir tā sauktā Gausa vienību sistēma, kas elektriskajiem lielumiem sakrīt ar absolūto elektrostatisko CGSE sistēmu. Magnētisko lielumu vienības Gausa sistēmā tiek ieviestas šādi.

Mēs turpināsim no izteiksmes lauka magnētiskajai indukcijas, ko rada bezgalīga taisna strāva:

Magnētisko lauku var noteikt pēc tā ietekmes uz citu strāvu nesošo vadītāju. Ja šo vadītāju novieto paralēli vadītājam, kas rada magnētisko lauku, tad spēks, kas uz to iedarbojas, saskaņā ar Ampēra likumu būs proporcionāls magnētiskā lauka B indukcijai, strāvas stiprumam tajā un tā garumam.

Atgādinām, ka SI vienībās koeficients k formulā (14) ir vienāds ar vienību saskaņā ar magnētiskā lauka indukcijas B definīciju caur spēku momentu, kas iedarbojas uz cilpu ar strāvu. Formulā (13) vai Biota-Savarta-Laplasa likumā, no kura tas izriet, koeficientu k ieraksta formā un tā vērtībā (vai magnētiskās konstantes vērtību iegūst no ampēra definīcijas caur spēku divu paralēlu strāvu mijiedarbība.

Gausa mērvienību sistēmā koeficienti tiek ieviesti atšķirīgi.

Koeficientu k formulā (13) var izvēlēties patvaļīgi, jo lauka indukcijas B mērvienība vēl nav noteikta. Bet pēc šī koeficienta k izvēles (13) (līdz ar to tiek izvēlēta arī indukcijas vienība B), koeficientu k formulā (14) vairs nevar izvēlēties patvaļīgi, bet tas ir jānosaka no eksperimenta. Protams, jūs varat rīkoties pretēji: izmantojiet vienādojumu (14), lai ieviestu lauka indukcijas vienību, pieņemot, ka koeficients k in (13) tiks noteikts eksperimentāli. Gausa sistēmā rīkojieties šādi. Koeficients k formulā (13) ir izvēlēts tā, lai tas būtu vienāds ar koeficientu k formulā (14).

Elektrodinamiskā konstante. Ja formulā (14) aizstājam indukciju B no (13), tad divu paralēlu vadītāju mijiedarbības spēkam ar strāvām I, kas atrodas attālumā viens no otra, iegūstam šādu izteiksmi:

Pamatojoties uz pēdējo formulu, tiek noteikta magnētiskā lauka indukcijas mērvienība gauss. Viens gauss ir tāda lauka indukcija, kas iedarbojas uz 1 cm vadītāja ar viena CGSE strāvu - vienība ar spēku, kas skaitliski vienāds ar dyne, ja vadītājs atrodas perpendikulāri magnētiskā lauka indukcijas līnijām.

Mēs uzsveram, ka magnētiskās konstantes skaitliskā vērtība tiek iegūta tieši ampēra definīcijas rezultātā un nav noteikta eksperimentāli, atšķirībā no Gausa sistēmas koeficienta. Tas notiek tāpēc, ka SI sistēmā pamatvienību skaits ir lielāks nekā Gausa sistēmā un strāvas stipruma vienība ir galvenā (izvēlēta patvaļīgi), savukārt Gausa sistēmā šī vienība ir atvasinājums.

Pamatformulas Gausa sistēmā. No otrās formulas (16), kas izsaka Ampera likumu, izriet, ka Gausa vienību sistēmā Lorenca spēka izteiksme ir šāda:

No šejienes (kā arī no pirmās formulas izriet, ka Gausa sistēmā elektriskā lauka intensitātes un magnētiskā lauka indukcijas izmēri ir vienādi. Šāda izmēru sakritība nav nejauša: kā redzējām, pārejot no vienas atskaites sistēma citā, notiek daļēja savstarpēja elektriskā un magnētiskā lauka transformācija.Šī elektromagnētiskā lauka īpašība visdabiskāk izpaužas Gausa vienību sistēmā, kur fizikālie lielumi E un B, kas pārvēršas viens otrā, tiek mērīti vienībās viena un tā pati dimensija (lai gan šīs mērvienības tiek sauktas atšķirīgi: elektriskā lauka stipruma vienībai nav īpaša nosaukuma, un vienības magnētisko lauku sauc par gausu).

Atzīmētā īpašība izpaužas lauku transformācijas formulās, pārejot no viena inerciālā atskaites sistēmas uz citu. (6) vietā Gausa sistēmā mums ir

Šajās formulās skaidri parādās viena un tā pati terminu dimensija labajā pusē.

Gausa vienību sistēmā arī elektromagnētiskā lauka invariantu izteiksmes iegūst simetriskāku formu:

Īsi paskaidrojiet, kāpēc, pārejot no atskaites sistēmas, kurā ir tikai elektriskais lauks, uz citu kadru, pēdējam būs arī magnētiskais lauks un otrādi.

Kāpēc elektriskie un magnētiskie lauki, kas ir savstarpēji perpendikulāri jebkurā atskaites sistēmā, būs savstarpēji perpendikulāri jebkurā citā atskaites sistēmā?

Kā izskaidrot, ka magnētisko lauku rada ne tikai kustīgi lādiņi, bet arī elektriskais lauks, kas mainās laika gaitā?

Kādas ir vadīšanas strāvas un pārvietošanas strāvas līdzības un atšķirības?

Divi elektroni vakuumā atgrūž viens otru, jo tiem ir vienāds lādiņš. Kad tie pārvietojas paralēli, starp tiem iedarbojas pievilcīgs spēks, tāpat kā starp paralēlām strāvām. Vai ir kāds ātrums, ar kādu šī pievilcība pārspēs viņu Kulona atgrūšanos?

Kādi eksperimentālie elektromagnētisko parādību likumi veidoja Maksvela vienādojumu sistēmas pamatu?

Kā Gausa mērvienību sistēmā tiek ieviesti koeficienti Ampēra un Biota-Savarta-Laplasa likumos?

Kā Gausa vienību sistēmā nosaka magnētiskā lauka indukcijas vienību?

Parādiet, ka Gausa vienību sistēmā elektriskā lauka stiprumam un magnētiskā lauka indukcijai ir vienāda dimensija.

Paskaidrojiet, kāpēc Gausa mērvienību sistēmā elektriskās konstantes vērtību nosaka pieredze, bet magnētiskās konstantes vērtību SI vienkārši aprēķina. Uz ko tas ir balstīts?