Základné pojmy z teórie elektromagnetického poľa. Vznik a vývoj teórie elektromagnetického poľa. Faradayov indukčný zákon

V praxi sa pri charakterizovaní elektromagnetického prostredia používajú pojmy „elektrické pole“, „magnetické pole“, „elektromagnetické pole“. Stručne vysvetlíme, čo to znamená a aké spojenie medzi nimi existuje.

Elektrické pole je tvorené nábojmi. Napríklad vo všetkých známych školských pokusoch o elektrifikácii ebonitu je len elektrické pole.

Magnetické pole vzniká, keď sa elektrický náboj pohybuje vodičom.

Na charakterizáciu hodnoty elektrické pole používa sa pojem intenzity elektrického poľa, označenie E, jednotka merania je V / m (Volt-per-meter). Hodnota magnetické pole charakterizovaná intenzitou magnetického poľa H, jednotka A/m (ampér na meter). Pri meraní ultranízkych a extrémne nízkych frekvencií sa často používa aj koncept magnetickej indukcie B, jednotka T (Tesla), milióntina T zodpovedá 1,25 A / m.

Podľa definície je elektromagnetické pole špeciálna forma hmoty, prostredníctvom ktorej dochádza k interakcii medzi elektricky nabitými časticami. Fyzikálne dôvody existencie elektromagnetického poľa súvisia so skutočnosťou, že časovo premenné elektrické pole E generuje magnetické pole H a meniace sa H generuje vírivé elektrické pole: obe zložky E a H, ktoré sa neustále menia, vzrušujú každú z nich. iné. EMP stacionárnych alebo rovnomerne sa pohybujúcich nabitých častíc je neoddeliteľne spojené s týmito časticami. So zrýchleným pohybom nabitých častíc sa EMF od nich „odtrhne“ a existuje nezávisle vo forme elektromagnetických vĺn, ktoré nezmiznú s odstránením zdroja (napríklad rádiové vlny nezmiznú ani pri absencii prúdu v anténa, ktorá ich vysielala).

Elektromagnetické vlny sú charakteristické svojou vlnovou dĺžkou. Zdroj, ktorý generuje žiarenie a v skutočnosti vytvára elektromagnetické oscilácie, je charakterizovaný frekvenciou.

Život na Zemi vznikal, vyvíjal sa a po dlhú dobu prebiehal v podmienkach relatívne slabých elektromagnetických polí (EMP) vytváraných prírodnými zdrojmi. Patria sem elektrické a magnetické polia Zeme, kozmické zdroje rádiových vĺn (Slnko a iné hviezdy), procesy prebiehajúce v zemskej atmosfére, napríklad výboje blesku, kolísanie ionosféry. Človek je tiež zdrojom slabého EMP. Ako trvalý ekologický faktor majú tieto polia určitý význam v živote všetkých organizmov vrátane človeka.

Avšak, za posledných 50-60 rokov, nový významným faktorom prostredie – elektromagnetické polia antropogénneho pôvodu. Vytvárajú ich 2 veľké skupiny umelých zdrojov:

Produkty, ktoré boli špeciálne vytvorené na vyžarovanie elektromagnetickej energie: rozhlasové a televízne vysielacie stanice, radarové zariadenia, fyzioterapeutické prístroje, rôzne rádiokomunikačné systémy, technologické zariadenia v priemysle;

Elektromagnetické polia vyžarované týmito zariadeniami spolu s prírodnými poľami Zeme a vesmíru vytvárajú zložité a premenlivé elektromagnetické prostredie. V dôsledku toho sa celková sila EMF na rôznych miestach zemského povrchu zvýšila 100-10 000 krát v porovnaní s prirodzeným pozadím. Zvlášť prudko vzrástla v blízkosti elektrických vedení, rozhlasových a televíznych staníc, radarových a rádiokomunikačných zariadení, rôznych energeticky a energeticky náročných zariadení a mestskej elektrickej dopravy. Na stupnici evolučného pokroku možno tento kolosálny nárast intenzity EMF považovať za jednorazový skok so zle predvídateľnými biologickými dôsledkami.

Látka a pole- základné fyzikálne pojmy označujúce dva hlavné typy hmoty na makroskopickej úrovni:

Látka - súbor diskrétnych útvarov, ktoré majú pokojovú hmotnosť (atómy, molekuly a to, čo je z nich postavené);

lúka - druh hmoty, ktorý sa vyznačuje spojitosťou a má nulovú pokojovú hmotnosť (elektromagnetické pole a gravitačné pole - gravitačné). Objav poľa ako druhu hmoty mal veľký filozofický význam, pretože odhalil nesúlad metafyzickej identifikácie hmoty s hmotou. Leninov rozvoj dialekticko-materialistickej definície hmoty bol do značnej miery založený na filozofickom zovšeobecnení vývoja náuky o poli. Na subatomárnej úrovni (teda na úrovni elementárnych častíc) sa rozdiel medzi hmotou a poľom stáva relatívnym. Pole (elektromagnetické a gravitačné) strácajú svoj čisto spojitý charakter: musia zodpovedať diskrétnym útvarom - kvantám (fotóny a gravitóny). A elementárne častice, z ktorých sa hmota skladá - protóny, neutróny, elektróny, mezóny atď. - pôsobia ako kvantá príslušných nukleónov, mezónov a iných polí a strácajú svoj čisto diskrétny charakter. Na subatomárnej úrovni je nezákonné rozlišovať medzi hmotou a poľom podľa prítomnosti alebo neprítomnosti pokojovej hmoty, pretože nukleónové, mezónové atď. polia majú pokojovú hmotnosť. V modernej fyzike pôsobia polia a častice ako dve neoddeliteľne spojené strany mikrokozmu, ako vyjadrenie jednoty korpuskulárnych (diskrétnych) a vlnových (spojitých, spojitých) vlastností mikroobjektov. Predstavy o poli slúžia aj ako základ pre vysvetlenie procesov interakcie, stelesňujúce princíp pôsobenia na krátky dosah.

Hlavné charakteristiky hmoty a poľa

1. Hmota a pole sa líšia pokojovou hmotnosťou

Častice hmoty majú pokojovú hmotnosť, elektromagnetické a gravitačné polia nie. Avšak v mikrokozme je každé pole spojené s časticou (kvantom tohto poľa) a každá častica sa považuje za kvantum zodpovedajúceho poľa. Pre jadrové polia (mezón, nukleón atď.) už tento rozdiel neplatí - kvantá týchto polí majú konečnú pokojovú hmotnosť.

2. Látka a pole sa líšia v zákonoch pohybu

Rýchlosť šírenia elektromagnetických a gravitačných polí sa vždy rovná rýchlosti svetla vo vákuu (c) a rýchlosť pohybu častíc hmoty je vždy menšia ako c. Prítomnosť jadrových polí však eliminuje aj túto hranicu. Pre kvantá týchto polí je charakteristická práve nemožnosť pohybu rýchlosťou rovnajúcou sa c.

3. Látka a pole sa líšia stupňom priepustnosti

Látka nie je veľmi priepustná, elektromagnetické a gravitačné polia sú naopak.

Na úrovni mikrokozmu zmizne aj táto hranica. Pre častice ako sú neutrína je hmota veľmi priepustná, na druhej strane jadrové polia môžu mať veľmi nízku priepustnosť.

4. Hmota a pole sa líšia stupňom koncentrácie hmoty a energie

Veľmi veľké - pre častice hmoty a veľmi malé - pre elektromagnetické a gravitačné polia. V mikrokozme je tento rozdiel tiež vymazaný. Jadrové polia majú obrovskú koncentráciu hmoty a energie a dokonca aj kvantá elektromagnetického poľa môžu dosiahnuť koncentrácie energie, ktoré sú oveľa vyššie ako koncentrácie častíc hmoty.

5. Látka a pole sa líšia ako korpuskulárne a vlnové entity

Tento rozdiel mizne na úrovni mikroprocesov. Častice hmoty majú vlnové vlastnosti a elektromagnetické pole, ktoré je v makroskopických procesoch kontinuálne, odhaľuje svoj korpuskulárny aspekt na úrovni mikrokozmu.

Všeobecný záver:

Rozdiel medzi hmotou a poľom správne charakterizuje reálny svet v makroskopickej aproximácii. Tento rozdiel nie je absolútny a pri prechode na mikroobjekty sa jeho relativita jasne prejavuje. V mikrosvete pôsobia pojmy „častice“ (látka) a „vlny“ (polia) ako doplnkové charakteristiky, ktoré vyjadrujú vnútorne protirečivú podstatu mikroobjektov.

Po preštudovaní tejto kapitoly by mal študent:

vedieť

• empirické a teoretické základy teórie elektromagnetického poľa;
• dejiny vzniku teórie elektromagnetického poľa, dejiny objavu svetelného tlaku a elektromagnetických vĺn;
• fyzikálna podstata Maxwellových rovníc (v integrálnych a diferenciálnych formách);
• hlavné etapy biografie J. K. Maxwella;
• hlavné smery vo vývoji elektrodynamiky po J. K. Maxwellovi;
• úspechy J.K.Maxwella v r molekulová fyzika a termodynamika;

byť schopný

• zhodnotiť úlohu Maxwella vo vývoji teórie elektriny a magnetizmu, zásadný význam Maxwellových rovníc, miesto knihy „Pojednanie o elektrine a magnetizme“ v dejinách vedy, historické experimenty G. Hertza a PN. Lebedev;
• diskutovať o biografiách popredných vedcov pracujúcich v oblasti elektromagnetizmu;

vlastné

Schopnosť pracovať so základnými pojmami teórie elektromagnetického poľa.

Kľúčové výrazy: elektromagnetické pole, Maxwellove rovnice, elektromagnetické vlny, tlak svetla.

Faradayove objavy spôsobili revolúciu vo vede o elektrine. S jeho ľahká ruka elektrina začala získavať nové pozície v technológii. Získal elektromagnetický telegraf. Začiatkom 70. rokov. 19. storočie už spájala Európu s USA, Indiou a Južnou Amerikou, objavili sa prvé generátory elektrického prúdu a elektromotory, elektrina sa začala vo veľkom využívať v chémii. Elektromagnetické procesy napádali vedu ešte hlbšie. Nastala éra, keď elektromagnetický obraz sveta bol pripravený nahradiť mechanický. Potrebný bol geniálny muž, ktorý by ako svojho času Newton dokázal spojiť fakty a poznatky nazbierané do tej doby a na ich základe vytvoriť novú teóriu popisujúcu základy nového sveta. Takouto osobou sa stal J.K. Maxwell.

James Clerk Maxwell(Obr. 10.1) sa narodil v roku 1831. Jeho otec John Clerk Maxwell bol jednoznačne výnimočný muž. Povolaním právnik sa však veľa času venoval iným veciam, ktoré ho zaujímali: cestoval, navrhoval autá, organizoval fyzikálne experimenty a dokonca publikoval niekoľko vedeckých článkov. Keď mal Maxwell 10 rokov, jeho otec ho poslal študovať na Edinburskú akadémiu, kde zostal šesť rokov – až do nástupu na univerzitu. Vo veku 14 rokov napísal Maxwell prvú vedeckú prácu o geometrii oválnych kriviek. jej zhrnutie bol publikovaný v Proceedings of the Royal Society of Edinburgh, 1846.

V roku 1847 Maxwell vstúpil na univerzitu v Edinburghu, kde začal do hĺbky študovať matematiku. V tomto čase vyšli v časopise Proceedings of the Royal Society of Edinburgh ďalšie dve vedecké práce nadaného študenta. Obsah jednej z nich (o valivých krivkách) predstavil spoločnosti profesor Kelland, druhú (o elastických vlastnostiach pevných látok) prvýkrát predstavil sám autor.

V roku 1850 Maxwell pokračoval vo vzdelávaní na Peterhouse - St. Peter's College, Cambridge University, a odtiaľ prešiel do Holy Trinity College - Trinity College, ktorá dala svetu I. Newtona, neskôr VV Nabokova, B. Russella a ďalších. V roku 1854 pán Maxwell zloží skúšku a získa bakalársky titul. Potom zostal na Trinity College ako učiteľ. Viac sa však zaoberal vedeckými problémami. V Cambridge začal Maxwell študovať farby a farebné videnie. V roku 1852 dospel k záveru, že miešanie spektrálnych farieb sa nezhoduje s miešaním farieb. Maxwell rozvíja teóriu farebného videnia, navrhuje farebný vrch (obr. 10.2).

Ryža. 10.1.

Ryža. 10.2.

Okrem svojich starých koníčkov – geometrie a problémov s farbami, sa Maxwell začal zaujímať o elektrinu. V roku 1854, 20. februára, napísal list z Cambridge W. Thomsonovi do Glasgowa. Tu je začiatok toho slávneho listu:

"Drahý Thomson! Teraz, keď som vstúpil do nesvätej triedy vysokoškolákov, začal som premýšľať o čítaní. Je veľmi príjemné občas sa zaradiť medzi zaslúžene uznávané knihy, ktoré som ešte nečítala, ale musím si ich prečítať. Ale máme silnú túžbu vrátiť sa k fyzickým veciam a niektorí z nás tu chcú zaútočiť na elektrinu.“

Po absolvovaní kurzu sa Maxwell stal členom Trinity College na Cambridgeskej univerzite av roku 1855 sa stal členom Kráľovskej spoločnosti v Edinburghu. Čoskoro však opustil Cambridge a vrátil sa do rodného Škótska. Profesor Forbes ho informoval, že sa otvorilo voľné miesto profesora fyziky v Aberdeene na Marishall College a má všetky šance ho obsadiť. Maxwell ponuku prijal a v apríli 1856 (vo veku 24 rokov!) nastúpil na novú pozíciu. V Aberdeene Maxwell pokračoval v práci na problémoch elektrodynamiky. V roku 1857 poslal M. Faradayovi svoju prácu „O Faradayových siločiarach“.

Z ďalšej Maxwellovej práce v Aberdeene bola všeobecne známa jeho práca o stabilite Saturnových prstencov. Od štúdia mechaniky prstencov Saturna bolo celkom prirodzené prejsť k úvahám o pohyboch molekúl plynu. V roku 1859 Maxwell vystúpil na stretnutí Britskej asociácie pre rozvoj vied so správou „O dynamickej teórii plynov“. Táto správa znamenala začiatok jeho plodného výskumu v oblasti kinetickej teórie plynov a štatistickej fyziky.

V roku 1860 Maxwell prijal pozvanie z King's College London a päť rokov tam pôsobil ako profesor. Nebol brilantným prednášateľom a prednášanie ho zvlášť nebavilo. Preto následná prestávka vo vyučovaní bola pre neho skôr žiaduca ako otravná a umožnila mu úplne sa ponoriť do riešenia fascinujúcich problémov teoretickej fyziky.

Podľa A. Einsteina hrali Faraday a Maxwell vo vede o elektrine rovnakú úlohu, akú hrali Galileo a Newton v mechanike. Tak ako Newton dal mechanickým efektom objaveným Galileom matematickú formu a fyzikálne opodstatnenie, tak Maxwell urobil to isté s ohľadom na Faradayove objavy. Maxwell dal Faradayovým myšlienkam prísnu matematickú formu, zaviedol pojem „elektromagnetické pole“ a sformuloval matematické zákony popisujúce toto pole. Galileo a Newton položili základy pre mechanický obraz sveta, Faraday a Maxwell pre elektromagnetický.

O svojich predstavách o elektromagnetizme začal Maxwell premýšľať v roku 1857, kedy vznikol už spomínaný článok „O Faradayových siločiarach“. Tu vo veľkej miere využíva hydrodynamické a mechanické analógie. To umožnilo Maxwellovi aplikovať matematický aparát írskeho matematika W. Hamiltona a vyjadriť tak elektrodynamické vzťahy v matematickom jazyku. V budúcnosti budú hydrodynamické analógie nahradené metódami teórie pružnosti: koncepty deformácie, tlaku, vírov atď. Na základe toho Maxwell prichádza k rovniciam poľa, ktoré v tomto štádiu ešte neboli zredukované jednotný systém. Maxwell pri skúmaní dielektrika vyjadruje myšlienku „vytesňovacieho prúdu“, ako aj, zatiaľ vágne, myšlienku spojenia medzi svetlom a elektromagnetickým poľom („elektrotonický stav“) vo Faradayovej formulácii, ktorú Maxwell potom použil. .

Tieto myšlienky sú uvedené v článkoch „O fyzikálnych siločiarach“ (1861-1862). Boli napísané v najplodnejšom londýnskom období (1860-1865). Zároveň boli publikované Maxwellove slávne články „Dynamická teória elektromagnetického poľa“ (1864-1865), kde boli vyjadrené myšlienky o jednotnej povahe elektromagnetických vĺn.

Od roku 1866 do roku 1871 žil Maxwell na svojom rodinnom sídle v Middleby a občas odchádzal na skúšky do Cambridge. Maxwell, ktorý sa venoval ekonomickým záležitostiam, neopustil vedecké štúdie. Tvrdo pracoval na hlavnom diele svojho života „Pojednanie o elektrine a magnetizme“, napísal knihu „Teória tepla“, množstvo článkov o kinetickej teórii plynov.

V roku 1871 bola významná udalosť. Na náklady potomkov G. Cavendisha vznikla v Cambridge Katedra experimentálnej fyziky a začala sa výstavba budovy experimentálneho laboratória, ktorá je v dejinách fyziky známa ako Cavendishovo laboratórium (obr. 10.3). Maxwell bol pozvaný, aby sa stal prvým profesorom katedry a vedúcim laboratória. V októbri 1871 predniesol inauguračnú prednášku o trendoch a význame experimentálneho výskumu v univerzitnom vzdelávaní. Táto prednáška sa na dlhé roky stala programom výučby experimentálnej fyziky. 16. júna 1874 bolo otvorené Cavendishovo laboratórium.

Odvtedy sa laboratórium na dlhé desaťročia stalo centrom svetovej fyzikálnej vedy a je tomu tak aj teraz. Za viac ako sto rokov ním prešli tisíce vedcov, medzi nimi aj mnohí z tých, ktorí preslávili svetovú fyzikálnu vedu. Po Maxwellovi bolo Cavendish Laboratory na čele mnohých vynikajúcich vedcov: J. J. Thomson, E. Rutherford, L. Bragg, N. F. Mott, A. B. Pippard a ďalší.

Ryža. 10.3.

Po vydaní „Pojednania o elektrine a magnetizme“, v ktorom bola sformulovaná teória elektromagnetického poľa, sa Maxwell rozhodol napísať knihu „Elektrina v elementárnej prezentácii“, aby spopularizoval a šíril svoje myšlienky. Maxwell na knihe pracoval, no jeho zdravotný stav sa zhoršoval. Zomrel 5. novembra 1879 bez toho, aby bol svedkom triumfu svojej teórie.

Zastavme sa pri tvorivom dedičstve vedca. Maxwell zanechal hlbokú stopu vo všetkých oblastiach fyziky. Nie nadarmo celá séria fyzikálne teórie niesť jeho meno. Navrhol termodynamický paradox, ktorý fyzikov prenasledoval dlhé roky – „Maxwellov démon“. V kinetickej teórii zaviedol pojmy známe ako: "Maxwellova distribúcia" a "Maxwell-Boltzmannova štatistika". Napísal aj elegantnú štúdiu stability Saturnových prstencov. Okrem toho Maxwell vytvoril mnoho malých vedeckých majstrovských diel v najrôznejších oblastiach – od realizácie prvej farebnej fotografie na svete až po vývoj metódy na radikálne odstránenie mastných škvŕn z oblečenia.

Prejdime k diskusii teória elektromagnetického poľa- kvintesencia Maxwellovej vedeckej tvorivosti.

Je pozoruhodné, že James Clerk Maxwell sa narodil v tom istom roku, keď Michael Faraday objavil fenomén elektromagnetickej indukcie. Na Maxwella zapôsobila najmä Faradayova kniha Experimental Investigations in Electricity.

V Maxwellových časoch existovali dve alternatívne teórie elektriny: Faradayova teória „siločiar“ a teória, ktorú vyvinuli francúzski vedci Coulomb, Ampère, Biot, Savart, Arago a Laplace. Počiatočnou pozíciou druhého je myšlienka pôsobenia na veľké vzdialenosti - okamžitý prenos interakcie z jedného tela do druhého bez pomoci akéhokoľvek stredného média. Realisticky uvažujúci Faraday sa s takouto teóriou nedokázal zmieriť. Bol absolútne presvedčený, že „hmota nemôže pôsobiť tam, kde neexistuje“. Médium, cez ktoré sa akcia prenáša, Faraday nazval „pole“. Veril, že pole je preniknuté magnetickými a elektrickými „siločiarami“.

V roku 1857 sa v časopise Proceedings of the Cambridge Philosophical Society objavil Maxwellov článok „O Faradayových líniách sily“. Obsahoval celý program výskumu elektriny. Všimnite si, že Maxwellove rovnice už boli napísané v tomto článku, ale zatiaľ bez predpätia. Článok „O Faradayových siločiarach“ si vyžadoval pokračovanie. Elektrohydraulické analógie dali veľa. S ich pomocou boli napísané užitočné diferenciálne rovnice. Nie všetko však bolo možné podriadiť elektrohydraulickým analógiám. Do ich rámca nezapadal najdôležitejší zákon elektromagnetickej indukcie. Bolo potrebné prísť s novým pomocným mechanizmom, ktorý by uľahčil pochopenie procesu, odrážajúci ako translačný pohyb prúdov, tak aj rotačný, vírový charakter magnetického poľa.

Maxwell navrhol špeciálne médium, v ktorom sú víry také malé, že sa zmestia do molekúl. Rotujúce "molekulárne víry" vytvárajú magnetické pole. Smer osí vírov molekúl sa zhoduje s ich siločiarami a samotné môžu byť reprezentované ako tenké rotujúce valce. Ale vonkajšie, dotýkajúce sa časti vírov sa musia pohybovať dovnútra opačných smeroch, t.j. zabrániť vzájomnému pohybu. Ako sa môžu dve susedné ozubené kolesá otáčať rovnakým smerom? Maxwell navrhol, aby medzi radmi molekulárnych vírov bola umiestnená vrstva malých guľovitých častíc ("voľnobežné kolesá") schopných rotácie. Teraz sa víry mohli otáčať rovnakým smerom a vzájomne pôsobiť.

Maxwell začal skúmať aj správanie svojho mechanického modelu v prípade vodičov a dielektrika a dospel k záveru, že elektrické javy môžu nastať aj v prostredí, ktoré bráni prechodu prúdu – v dielektriku. Predpokladajme, že „voľnobežné kolesá“ by sa nemohli pohybovať dopredu v týchto médiách pôsobením elektrického poľa, ale keď sa elektrické pole aplikuje a odstráni, sú posunuté zo svojich pozícií. Identifikovať toto vytesnenie viazaných nábojov s elektrickým prúdom vyžadovalo Maxwella veľkú vedeckú odvahu. Koniec koncov, tento prúd - predpätý prúd- ešte nikto nepozeral. Potom musel Maxwell nevyhnutne urobiť ďalší krok - rozpoznať za týmto prúdom schopnosť vytvárať vlastné magnetické pole.

Maxwellov mechanický model teda umožnil vyvodiť nasledujúci záver: zmena elektrického poľa vedie k vzniku magnetického poľa, t.j. k javu opačnému ako Faraday, keď zmena magnetického poľa vedie k vzniku elektrického poľa.

Ďalší Maxwellov článok o elektrine a magnetizme je „On Physical Lines of Force“. Elektrické javy si na svoje vysvetlenie vyžiadali éter tvrdý ako oceľ. Maxwell sa nečakane ocitol v úlohe O. Fresnela, núteného „vynájsť“ vlastný „optický“ éter na vysvetlenie polarizačných javov, tvrdý ako oceľ a priepustný ako vzduch. Maxwell si všíma podobnosť dvoch médií: „svietivého“ a „elektrického“. Postupne sa približuje k svojmu veľkému objavu „single nature“ svetla a elektromagnetických vĺn.

V ďalšom článku – „Dynamická teória elektromagnetického poľa“ – Maxwell prvýkrát použil termín „elektromagnetické pole“. „Teóriu, ktorú navrhujem, možno nazvať teóriou elektromagnetického poľa, pretože sa zaoberá priestorom obklopujúcim elektrické alebo magnetické telesá, a možno ju nazvať aj dynamickou teóriou, pretože predpokladá, že v tomto priestore je hmota, ktorá je v pohybe, pomocou ktorého vznikajú pozorované elektromagnetické javy.

Keď Maxwell odvodil svoje rovnice v Dynamickej teórii elektromagnetického poľa, jedna z nich akoby presne naznačovala to, o čom Faraday hovoril: magnetické vplyvy sa skutočne šírili vo forme priečnych vĺn. Maxwell si vtedy nevšimol, že z jeho rovníc vyplýva viac: spolu s magnetickým pôsobením sa elektrické rušenie šíri všetkými smermi. Elektromagnetická vlna v plnom zmysle slova, vrátane elektrických aj magnetických porúch, sa objavila u Maxwella neskôr, už v Middleby, v roku 1868 v článku „O metóde priameho porovnania elektrostatickej sily s elektromagnetickou silou s poznámka o elektromagnetickej teórii svetla“ .

V Middleby Maxwell dokončil hlavné dielo svojho života – „Pojednanie o elektrine a magnetizme“, prvýkrát vydané v roku 1873 a následne niekoľkokrát dotlačené. Obsahom tejto knihy boli samozrejme predovšetkým články o elektromagnetizme. V "Pojednaní" sú systematicky uvedené základy vektorového počtu. Potom sú to štyri časti: elektrostatika, elektrokinematika, magnetizmus, elektromagnetizmus.

Všimnite si, že Maxwellova výskumná metóda sa výrazne líši od metód iných výskumníkov. Nielen každá matematická veličina, ale aj každá matematická operácia je obdarená hlbokým fyzikálnym významom. Každá fyzikálna veličina zároveň zodpovedá jasnej matematickej charakteristike. Jedna z kapitol „Pojednania“ sa nazýva „Základné rovnice elektromagnetického poľa“. Tu sú základné rovnice elektromagnetického poľa z tohto Pojednania. Maxwell teda pomocou vektorového počtu urobil jednoduchšie to, čo predtým s pomocou mechanických modelov – odvodil rovnice elektromagnetického poľa.

Uvažujme o fyzikálnom význame Maxwellových rovníc. Prvá rovnica hovorí, že zdrojom magnetického poľa sú prúdy a elektrické pole, ktoré sa mení s časom. Maxwellovou brilantnou domnienkou bolo jeho zavedenie zásadne nového konceptu – posuvného prúdu – ako samostatného pojmu vo všeobecnom Ampérovom – Maxwellovom zákone:

kde H- vektor intenzity magnetického poľa; j je vektor hustoty elektrického prúdu, ku ktorému Maxwell pridal posuvný prúd; D- vektor elektrickej indukcie; c je nejaká konštanta.

Táto rovnica vyjadruje magnetoelektrickú indukciu, objavenú Maxwellom a založenú na koncepciách posuvných prúdov.

Ďalšou myšlienkou, ktorá okamžite získala Maxwellovo uznanie, bola Faradayova myšlienka povahy elektromagnetickej indukcie - výskyt indukčného prúdu v obvode, počet magnetických siločiar, v ktorých sa mení buď v dôsledku relatívneho pohybu obvodu a magnet, alebo v dôsledku zmeny magnetického poľa. Maxwell napísal nasledujúcu rovnicu:

kde Jo- vektor intenzity elektrického poľa; V- storočie-

anuloid sily magnetického poľa, resp.: - -

zmena magnetického poľa v čase, s - nejaká konštanta.

Táto rovnica odráža Faradayov zákon elektromagnetickej indukcie.

Ešte jedna vec, ktorú treba vziať do úvahy dôležitý majetok vektory elektrických a magnetických indukcií Jo a B. Kým elektrické siločiary začínajú a končia na nábojoch, ktoré sú zdrojmi poľa, siločiary magnetického poľa sú uzavreté samy do seba.

V matematike sa na označenie charakteristík vektorového poľa používa operátor "divergencie" (diferenciácia toku poľa) - div. Pomocou toho Maxwell pridá k dvom existujúcim rovnicam ďalšie dve:

kde p je hustota elektrických nábojov.

Tretia Maxwellova rovnica vyjadruje zákon zachovania množstva elektriny, štvrtá - vírový charakter magnetického poľa (alebo neprítomnosť magnetických nábojov v prírode).

Vektory elektrickej a magnetickej indukcie a vektory elektrických a magnetických polí zahrnuté v uvažovaných rovniciach sú spojené jednoduchými vzťahmi a možno ich zapísať vo forme nasledujúcich rovníc:

kde e je dielektrická konštanta; p je magnetická permeabilita média.

Okrem toho možno napísať ešte jeden vzťah, ktorý súvisí s vektorom intenzity Jo a špecifická vodivosť pri:

Na znázornenie kompletného systému Maxwellových rovníc je potrebné zapísať aj okrajové podmienky. Tieto podmienky musí spĺňať elektromagnetické pole na rozhraní medzi dvoma médiami.

kde O- povrchová hustota elektrických nábojov; i je hustota prúdu povrchového vedenia na uvažovanom rozhraní. V konkrétnom prípade, keď neexistujú žiadne povrchové prúdy, posledná podmienka sa zmení na:

J. Maxwell tak prichádza k definícii elektromagnetického poľa ako druhu hmoty, pričom všetky jeho prejavy vyjadruje vo forme sústavy rovníc. Všimnite si, že Maxwell nepoužil vektorovú notáciu a svoje rovnice napísal v dosť ťažkopádnej komponentovej forme. Moderná podoba Maxwellových rovníc sa objavila okolo roku 1884 po práci O. Heavisidea a G. Hertza.

Maxwellove rovnice sú jedným z najväčších výdobytkov nielen fyziky, ale civilizácie vôbec. Spájajú v sebe prísnu logiku charakteristickú pre prírodné vedy, krásu a proporcie, ktoré odlišujú umenie a humanitné vedy. Rovnice s najväčšou možnou presnosťou odrážajú podstatu prirodzený fenomén. Potenciál Maxwellových rovníc nie je ani zďaleka vyčerpaný, na ich základe vznikajú všetky nové diela, vysvetlenia najnovšie objavy v rôznych oblastiach fyziky – od supravodivosti až po astrofyziku. Maxwellov systém rovníc je základom modernej fyziky a zatiaľ neexistuje jediný experimentálny fakt, ktorý by týmto rovniciam odporoval. Znalosť Maxwellových rovníc, aspoň ich fyzikálnej podstaty, je povinná pre každého vzdelaný človek nielen fyzika.

Maxwellove rovnice boli predchodcom novej neklasickej fyziky. Hoci sám Maxwell bol podľa svojho vedeckého presvedčenia „klasickým“ človekom až do morku kostí, rovnice, ktoré napísal, patrili do inej vedy, inej než tej, ktorá bola vedcom známa a blízka. Svedčí o tom prinajmenšom skutočnosť, že Maxwellove rovnice nie sú invariantné pri Galileových transformáciách, ale sú invariantné pri Lorentzových transformáciách, ktoré sú zasa základom relativistickej fyziky.

Maxwell na základe získaných rovníc riešil konkrétne problémy: určil koeficienty elektrickej permeability množstva dielektrík, vypočítal koeficienty samoindukcie, vzájomnej indukcie cievok atď.

Maxwellove rovnice nám umožňujú vyvodiť množstvo dôležitých záverov. Možno ten hlavný je existencia priečnych elektromagnetických vĺn šíriacich sa rýchlosťou c.

Maxwell zistil, že neznáme číslo c sa ukázalo byť približne rovnaké ako pomer elektromagnetických a elektrostatických jednotiek náboja, čo je približne 300 000 kilometrov za sekundu. Presvedčený o univerzálnosti svojich rovníc ukazuje, že „svetlo je elektromagnetické rušenie“. Poznanie konečnej, aj keď veľmi vysokej rýchlosti šírenia elektromagnetického poľa kameňa na kameň neopustilo priaznivcov „okamžitého pôsobenia na veľké vzdialenosti“ z teórií.

Najdôležitejším dôsledkom elektromagnetickej teórie svetla bola predpoveď Maxwella ľahký tlak. To sa mu podarilo vypočítať v prípade, že bude jasné počasie slnečné svetlo, absorbovaný rovinou jedného štvorcového metra, dáva 123,1 kilogramu metrov energie za sekundu. To znamená, že na túto plochu tlačí v smere svojho pádu silou 0,41 miligramu. Maxwellova teória sa teda posilnila alebo zrútila v závislosti od výsledkov experimentov, ktoré ešte neboli uskutočnené. Existujú v prírode elektromagnetické vlny s vlastnosťami podobnými svetlu? Je tam mierny tlak? Už po smrti Maxwella odpovedal na prvú otázku Heinrich Hertz a na druhú Pyotr Nikolaevič Lebedev.

J.K. Maxwell je obrovská postava vo fyzike a ako človek. Maxwell bude žiť v pamäti ľudí tak dlho, ako bude ľudstvo existovať. Maxwellovo meno je zvečnené v názve krátera na Mesiaci. Najvyššie hory na Venuši sú pomenované po veľkom vedcovi (Maxwellove hory). Vystupujú 11,5 km nad priemernú úroveň povrchu. Jeho meno je tiež najväčším teleskopom na svete, ktorý môže pracovať v submilimetrovom rozsahu (0,3-2 mm) - po ňom pomenovaný ďalekohľad. J.C. Maxwell (JCMT). Nachádza sa na Havajských ostrovoch (USA), vo vysočine Mauna Kea (4200 m). 15-metrové hlavné zrkadlo JCMT je vyrobené z 276 jednotlivých kusov hliníka, ktoré sú navzájom pevne spojené. Maxwellov teleskop používaný na štúdium slnečná sústava, medzihviezdny prach a plyn, ako aj vzdialené galaxie.

Po Maxwellovi sa elektrodynamika zásadne zmenila. Ako sa vyvinula? Zaznamenávame najdôležitejší smer vývoja - experimentálne potvrdenie hlavných ustanovení teórie. Ale aj samotná teória si vyžadovala určitý výklad. V tejto súvislosti je potrebné poznamenať zásluhy ruského vedca Nikolaj Alekseevič Umov, ktorý v rokoch 1896 až 1911 viedol katedru fyziky na Moskovskej univerzite.

Nikolaj Alekseevič Umov (1846-1915) - ruský fyzik, narodený v Simbirsku (dnes Uljanovsk), vyštudoval Moskovskú univerzitu. Učil na Novorossijskej univerzite (Odessa) a potom na Moskovskej univerzite, kde od roku 1896, po smrti A. G. Stoletova, viedol katedru fyziky.

Umove diela sa venujú rôznym problémom fyziky. Hlavným bolo vytvorenie doktríny pohybu energie (Umov vektor), ktorú načrtol v roku 1874 vo svojej doktorandskej práci. Umov bol obdarený vysokou občianskou zodpovednosťou. Spolu s ďalšími profesormi (V. I. Vernadskij, K. A. Timiryazev,

N. D. Zelinsky, P. N. Lebedev), opustil Moskovskú univerzitu v roku 1911 na protest proti postupu reakčného ministra školstva L. A. Kassu.

Umov bol aktívnym propagátorom vedy, popularizátorom vedeckých poznatkov. Takmer ako prvý z fyzikov si uvedomil potrebu seriózneho a cieleného výskumu metód vyučovania fyziky. Väčšina metodistických učencov staršej generácie sú jeho študenti a nasledovníci.

Hlavná zásluha Umova - rozvoj doktríny pohybu energie. V roku 1874 získal všeobecný výraz pre vektor hustoty energetického toku aplikovaný na elastické médiá a viskózne tekutiny (Umov vektor). Po 11 rokoch anglický vedec John Henry Poynting(1852-1914) urobil to isté pre tok elektromagnetickej energie. V teórii elektromagnetizmu je teda známe Umov vektor - Ukazovanie.

Poynting bol jedným z vedcov, ktorí okamžite prijali Maxwellovu teóriu. Nedá sa povedať, že by takých vedcov bolo veľa, čomu rozumel aj sám Maxwell. Maxwellova teória nebola okamžite pochopená ani v Cavendishovo laboratórium. Napriek tomu s príchodom teórie elektromagnetizmu stúplo poznanie prírody na kvalitatívne inú úroveň, čo nás, ako sa vždy stáva, čoraz viac vzďaľuje od priamych zmyslových reprezentácií. Ide o normálny prirodzený proces, ktorý sprevádza celý vývoj fyziky. História fyziky poskytuje veľa takýchto príkladov. Stačí pripomenúť ustanovenia kvantovej mechaniky, špeciálna teória relativity, iné moderné teórie. Takže elektromagnetické pole v čase Maxwella bolo ťažko prístupné chápaniu ľudí, vrátane vedeckej komunity, a ešte viac nebolo prístupné ich zmyslovému vnímaniu. Napriek tomu po experimentálnej práci Hertza vznikli myšlienky na vytvorenie bezdrôtovej komunikácie pomocou elektromagnetických vĺn, ktoré vyvrcholili vynálezom rádia. Vznik a rozvoj rádiokomunikačnej techniky tak zmenil elektromagnetické pole na známy a známy pojem pre každého.

Rozhodujúcu úlohu pri víťazstve Maxwellovej teórie elektromagnetického poľa zohrala Nemecký fyzik Heinrich Rudolf Hertz. Hertzov záujem o elektrodynamiku podnietil G. L. Helmholtz, ktorý vzhľadom na potrebu „objednať“ túto oblasť fyziky navrhol, aby Hertz študoval procesy v otvorených elektrických obvodoch. Hertz najprv túto tému opustil, ale potom, keď pracoval v Karlsruhe, objavil tam zariadenia, ktoré by sa dali použiť na takéto štúdie. To predurčilo jeho voľbu, najmä preto, že samotný Hertz, dobre poznajúci Maxwellovu teóriu, bol na takéto štúdie plne pripravený.

Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) – nemecký fyzik, sa narodil v roku 1857 v Hamburgu v rodine právnika. Študoval na univerzite v Mníchove a potom - v Berlíne u G. Helmholtza. Od roku 1885 Hertz pôsobí na Technische Hochschule v Karlsruhe, kde začal svoj výskum, ktorý viedol k objavu elektromagnetických vĺn. Pokračovali v roku 1890 v Bonne, kam sa Hertz presťahoval a nahradil R. Clausiusa vo funkcii profesora experimentálnej fyziky. Tu pokračuje v štúdiu elektrodynamiky, no postupne sa jeho záujmy presúvajú k mechanike. Hertz zomrel 1. januára 1894 v rozkvete svojho talentu vo veku 36 rokov.

Na začiatku Hertzovej práce už boli elektrické oscilácie dosť podrobne študované. William Thomson (Lord Kelvin) dostal výraz, ktorý dnes pozná každý školák:

kde T- perióda elektrických oscilácií; A- indukčnosť, ktorú Thomson nazval "elektrodynamická kapacita" vodiča; C je kapacita kondenzátora. Vzorec bol potvrdený v experimentoch Berend Wilhelm Feddersen(1832-1918), ktorý študoval oscilácie iskrového výboja Leydenskej banky.

V článku „O veľmi rýchlych elektrických osciláciách“ (1887) Hertz uvádza popis svojich experimentov. Obrázok 10.4 vysvetľuje ich podstatu. Vo svojej konečnej podobe sa oscilačný obvod používaný Hertzom skladal z dvoch vodičov CuC ", umiestnených vo vzdialenosti asi 3 m od seba a spojených medeným drôtom, v strede ktorého bolo iskrisko. V indukčná cievka. Prijímač bol obvod acdb s rozmermi 80 x 120 cm, s iskriskom M v jednom z krátke strany. Detekcia bola určená prítomnosťou slabej iskry v iskrišti M. Dirigenti, s ktorými Hertz experimentoval, sú moderný jazyk, anténa s detektorom. Teraz sú pomenované vibrátor a Hertzov rezonátor.

Ryža. 10.4.

Podstatou získaných výsledkov bolo, že elektrická iskra v iskrišti V spôsobil iskru vo vybíjačke M. Hertz najprv pri vysvetľovaní experimentov nehovorí o Maxwellových vlnách. Hovorí len o „interakcii vodičov“ a vysvetlenie sa snaží nájsť v teórii interakcie na veľké vzdialenosti. Pri vykonávaní experimentov Hertz zistil, že na krátke vzdialenosti je charakter šírenia „elektrickej sily“ podobný poľu dipólu a potom klesá pomalšie a má uhlovú závislosť. Teraz by sme povedali, že iskrisko má anizotropný model žiarenia. To, samozrejme, zásadne odporuje teórii pôsobenia na veľké vzdialenosti.

Po analýze výsledkov experimentov a vykonaní vlastného teoretického výskumu Hertz akceptuje Maxwellovu teóriu. Dospieva k záveru o existencii elektromagnetických vĺn šíriacich sa konečnou rýchlosťou. Teraz už Maxwellove rovnice nie sú abstraktným matematickým systémom a mali by byť prevedené do takej formy, aby sa dali pohodlne používať.

Hertz dostal elektromagnetické vlny experimentálne predpovedané Maxwellovou teóriou a, čo je nemenej dôležité, dokázal ich identitu so svetlom. Na to bolo potrebné dokázať, že pomocou elektromagnetických vĺn možno pozorovať známe efekty optiky: lom a odraz, polarizáciu atď. Hertz uskutočnil tieto štúdie, ktoré si vyžadovali virtuóznu experimentálnu zručnosť: robil experimenty so šírením, odrazom, lomom a polarizáciou elektromagnetických vĺn, ktoré objavil. Zostrojil zrkadlá na experimenty s týmito vlnami (Hertzove zrkadlá), asfaltový hranol a pod. Hertzove zrkadlá sú znázornené na obr. 10.5. Experimenty ukázali úplnú totožnosť pozorovaných účinkov s tými, ktoré boli dobre známe pre svetelné vlny.

Ryža. 10.5.

V roku 1887 Hertz vo svojej práci „O vplyve ultrafialového svetla na elektrický výboj“ opisuje jav, ktorý sa neskôr stal známym ako vonkajší fotoelektrický efekt. Zistil to ožiarenie ultrafialové lúče elektródy pod vysokým napätím, k výboju dochádza vo väčšej vzdialenosti medzi elektródami ako bez ožiarenia.

Tento efekt potom ruský vedec komplexne skúmal Alexander Grigorievič Stoletov (1839-1896).

V roku 1889 na kongrese nemeckých prírodovedcov a lekárov Hertz predniesol správu „O vzťahu medzi svetlom a elektrinou“, v ktorej vyjadril svoj názor na veľký význam Maxwellovej teórie, dnes už potvrdenej experimentmi.

Hertzove experimenty vyvolali rozruch vedecký svet. Boli mnohokrát opakované a upravované. Jeden z tých, ktorí to urobili, bol Petra Nikolajeviča Lebedeva. Dostal v tom čase najkratšie elektromagnetické vlny a v roku 1895 s nimi robil pokusy na dvojlom. Lebedev si vo svojej práci dal za úlohu postupne zmenšovať vlnovú dĺžku elektromagnetického žiarenia, aby ich napokon prepojil s dlhými infračervenými vlnami. Sám Lebedev to nedokázal, ale v 20. rokoch 20. storočia to vykonali ruskí vedci. Alexandra Andreevna Glagoleva-Arkadieva(1884-1945) a Mária Afanasjevna Levitskaja (1883-1963).

Petr Nikolajevič Lebedev (1866-1912) – ruský fyzik, narodený v roku 1866 v Moskve, vyštudoval Univerzitu v Štrasburgu a v roku 1891 začal pôsobiť na Moskovskej univerzite. Lebedev zostal v dejinách fyziky ako virtuózny experimentátor, autor výskumov uskutočňovaných so skromnými prostriedkami na hranici vtedajších technických možností a tiež ako zakladateľ všeobecne uznávanej vedeckej školy v Moskve, odkiaľ sa známy Ruskí vedci PP Lazarev, SI Vavilov, A. R. Colley a kol.

Lebedev zomrel v roku 1912 krátko po tom, čo spolu s ďalšími profesormi opustil Moskovskú univerzitu na protest proti činom reakčného ministra školstva L. A. Kassu.

Hlavným prínosom Lebedeva pre fyziku je však to, že experimentálne meral tlak svetla predpovedaný Maxwellovou teóriou. Lebedev zasvätil celý svoj život skúmaniu tohto efektu: v roku 1899 sa uskutočnil experiment, ktorý dokázal prítomnosť ľahkého tlaku na pevné látky (obr. 10.6) a v roku 1907 na plyny. Lebedevove diela o ľahkom tlaku sa stali klasikou, sú jedným z vrcholov experimentu konca 19. a začiatku 20. storočia.

Lebedevove pokusy o ľahkom tlaku ho priniesli svetová sláva. Pri tejto príležitosti W. Thomson povedal: "Celý život som bojoval s Maxwellom, nerozpoznal som jeho svetelný pohyb, ale... Lebedev ma prinútil vzdať sa jeho experimentov."

Ryža. 10.6.

Experimenty Hertza a Lebedeva nakoniec potvrdili prioritu Maxwellovej teórie. Čo sa týka praxe, t.j. praktické uplatnenie zákonov elektromagnetizmu, potom začiatkom 20. stor. ľudstvo už žilo vo svete, v ktorom elektrina začala hrať obrovskú úlohu. Uľahčila to rázna vynálezecká činnosť v oblasti aplikácie elektrických a magnetických javov objavených fyzikmi. Poďme sa pozrieť na niektoré z týchto vynálezov.

Jedna z prvých aplikácií elektromagnetizmu nájdená v komunikačných technológiách. Telegraf existoval už od roku 1831. V roku 1876 americký fyzik, vynálezca a obchodník Alexander Bell(1847-1922) vynašiel telefón, ktorý ešte zdokonalil slávny americký vynálezca Thomas Alva Edison (1847-1931).

V roku 1892 anglický fyzik William Crooks(1832-1912) sformuloval princípy rádiovej komunikácie. ruský fyzik Alexander Stepanovič Popov(1859-1906) a taliansky vedec Guglielmo Marconi(1874-1937) ich v skutočnosti súčasne uviedol do praxe. Zvyčajne vyvstáva otázka priority tohto vynálezu. Popov predviedol schopnosti zariadenia, ktoré vytvoril o niečo skôr, no nedal si ho patentovať, ako to urobil Marconi. Ten určil tradíciu prevládajúcu na Západe považovať Marconiho za „otca“ rádia. Uľahčilo mu to udelenie Nobelovej ceny v roku 1909. Popov by zrejme tiež patril medzi laureátov, ale v tom čase už nežil a nobelová cena udeľuje iba žijúcim vedcom. Viac o histórii vynálezu rádia sa dozviete v časti VI.

Elektrické javy sa pokúšali využiť na osvetlenie už v 18. storočí. (voltaický oblúk), neskôr bolo toto zariadenie vylepšené Pavel Nikolajevič Jabločkov(1847-1894), ktorý v roku 1876 vynašiel prvý praktický elektrický svetelný zdroj (Jabločkovova sviečka). Nenašiel však široké uplatnenie predovšetkým preto, že v roku 1879 T. Edison vytvoril žiarovku dostatočne odolnej konštrukcie a vhodnú pre priemyselnú výrobu. Všimnite si, že žiarovka bola vynájdená už v roku 1872 ruským elektrotechnikom Alexander Nikolajevič Lodygin (1847- 1923).

Kontrolné otázky

• 1. Aký výskum robil Maxwell počas pôsobenia na Marischal College? Akú úlohu zohral Maxwell vo vývoji teórie elektriny a magnetizmu?
• 2. Kedy bolo zorganizované Cavendishovo laboratórium? Kto sa stal jej prvým riaditeľom?
• 3. Ktorý zákon nemožno opísať pomocou elektrohydraulických analógií?
• 4. S akým modelom dospel Maxwell k záveru o existencii posuvného prúdu a javu magnetoelektrickej indukcie?
• 5. V ktorom článku Maxwell prvýkrát použil výraz „elektromagnetické pole“?
• 6. Ako je napísaná sústava rovníc zostavená Maxwellom?
• 7. Prečo sú Maxwellove rovnice považované za jeden z víťazných úspechov ľudskej civilizácie?
• 8. Aké závery vyvodil Maxwell z teórie elektromagnetického poľa?
• 9. Ako sa po Maxwellovi vyvinula elektrodynamika?
• 10. Ako prišiel Hertz k záveru o existencii elektromagnetických vĺn?
• 11. Aký je hlavný prínos Lebedeva pre fyziku?
• 12. Ako sa používa teória elektromagnetického poľa v strojárstve?

Úlohy na samostatnú prácu

• 1. J. K. Maxwell. Životopis a vedecké úspechy v elektrodynamike a iných oblastiach fyziky.
• 2. Empirické a teoretické základy Maxwellovej teórie elektromagnetického poľa.
• 3. História vzniku Maxwellových rovníc.
• 4. Fyzikálna podstata Maxwellových rovníc.
• 5. J. K. Maxwell - prvý riaditeľ Cavendish Laboratory.
• 6. Ako sa v súčasnosti píše Maxwellov systém rovníc: a) v integrálnom tvare; b) v diferenciálnej forme?
• 7. G. Hertz. Biografia a vedecké úspechy.
• 8. História detekcie elektromagnetických vĺn a ich identifikácia so svetlom.
• 9. P. N. Lebedev’s Experiments on the Detection of Light Pressure: Scheme, Problems, Difficculties, and Significance.
• 10. Práce A. A. Glagolevy-Arkadyevovej a M. A. Levitskej o generovaní krátkych elektromagnetických vĺn.
• 11. História objavu a štúdia fotoelektrického javu.
• 12. Vývoj Maxwellovej elektromagnetickej teórie. Diela J. G. Poyntinga, N. A. Umova, O. Heavisidea.
• 13. Ako bol vynájdený a zdokonalený elektrický telegraf?
• 14. Historické etapy vývoja elektrotechniky a rádiotechniky.
• 15. História vzniku osvetľovacích zariadení.

• 1. Kudryavtsev, P.S. Kurz histórie fyziky. - 2. vyd. - M.: Osveta, 1982.
• 2. Kudryavtsev, P.S. Dejiny fyziky: v 3 zväzkoch - M.: Školstvo, 1956-1971.
• 3. Spassky, B.I. História fyziky: v 2 zväzkoch - M .: absolventská škola, 1977.
• 4. Dorfman, Ya.G. Svetové dejiny fyziky: v 2 zväzkoch - M .: Nauka, 1974-1979.
• 5. Golin, G.M. Klasici fyzikálnych vied (od staroveku do začiatku 20. storočia) / G. M. Golin, S. R. Filonovich. - M.: Vyššia škola, 1989.
• 6. Khramov, Yu.A. Fyzici: biografický sprievodca. - M.: Nauka, 1983.
• 7. Virginský, V.S. Eseje o dejinách vedy a techniky v rokoch 1870-1917. / V. S. Virginskij, V. F. Choteenkov. - M.: Osveta, 1988.
• 8. Witkowski, N. Sentimentálne dejiny vedy. - M.: Kolibrík, 2007.
• 9. Maxwell, J.K. Vybrané práce z teórie elektromagnetického poľa. - M.: GITTL, 1952.
• 10. Kuznecovová, O. V. Maxwell a vývoj fyziky v 19.-20. storočí: so. články / resp. vyd. L. S. POLÁK. - M.: Nauka, 1985.
• 11. Maxwell, J.K. Pojednanie o elektrine a magnetizme: v 2 zväzkoch - M.: Nauka, 1989.
• 12. Kartsev, V.P. Maxwell. - M.: Mladá garda, 1974.
• 13. Niven, W.Život a vedecká činnosť J.K. Maxwell: krátka esej(1890) // J. K. Maxwell. Hmota a pohyb. - M.: Iževsk: RHD, 2001.
• 14. Harman, R.M. Prírodná filozofia Jamesa Clerka Maxwella. - Cambridge: University Press, 2001.
• 15. Bolotovský, B.M. Oliver Heaviside. - M.: Nauka, 1985.
• 16. Gorochov, V.G. Formovanie rádiotechnickej teórie: od teórie k praxi na príklade technických dôsledkov objavu G. Hertza // VIET. - 2006. - č.2.
• 17. Séria kníh „ZhZL“: „Ľudia vedy“, „Tvorcovia vedy a techniky“.

Fresnelova hypotéza priečnych svetelných vĺn predstavovala pre fyziku množstvo zložitých problémov týkajúcich sa povahy éteru, teda hypotetického prostredia, v ktorom sa šíria svetelné vibrácie. Predtým tieto problémy ustúpili do pozadia a otázky týkajúce sa povahy emitovaných hmotných častíc svetelné vlny a problém hľadania mechanizmu žiarenia v atómoch a molekulách.

Bolo potrebné odpovedať na takéto otázky: akým smerom sa vyskytujú oscilácie v lineárne polarizovanej vlne? Prečo neexistujú pozdĺžne svetelné vlny a aké vlastnosti by mal mať éter, aby umožňoval len priečne vlnenie? A nakoniec, ako sa správa éter vo vzťahu k telesám, ktoré sa ním pohybujú?

V post-Fresnelovej optike sa hľadaniu odpovedí na tieto otázky venovala značná pozornosť. Pri odpovedi na prvú otázku boli vyslovené dve hypotézy: Fresnelova hypotéza a hypotéza Franza Neumanna (1798-1895). Podľa Fresnelovej hypotézy sa oscilácie svetla v lineárne polarizovanej vlne vyskytujú v smere kolmom na smer polarizačnej roviny. Éter v ťažkých telách a voľný éter sa zároveň líšia svojou hustotou, pričom jeho elasticita zostáva nezmenená. Podľa Neumannovej hypotézy dochádza k osciláciám éteru v rovine polarizácie, éter v ťažkých telesách a voľný éter sa líšia elasticitou, nie hustotou.

Na vysvetlenie priečnosti svetelných vĺn boli navrhnuté rôzne hypotézy: hypotéza absolútne nestlačiteľného éteru, éteru ako smoly topánok – pevného pre rýchle zmeny a tekutého pre pomalé zmeny, éteru ako média naplneného gyroskopmi atď., atď. k pohybujúcim sa telesám sa éter považoval za nehybné médium, za médium čiastočne strhávané telesami, za prostredie úplne strhávané. Všetky tieto zvláštne, protichodné hypotézy vzali fyzikom veľa energie, no vedci si ani nepoložili takúto otázku: boli tieto pokusy bezvýsledné? Existuje vôbec éter?

Existencia éteru sa po kolapse korpuskulárnej teórie svetla zdala byť istá. Musí existovať médium, v ktorom sa šíria svetelné vibrácie. "Javy svetla po neúspešnej "teórii odtoku" sa vysvetľujú ako vibrácie najmenších častíc svietiacich telies - vibrácie, ktoré sú prenášané vlnami éteru." Týmito slovami začal A. G. Stoletov časť „Fyzikálna optika“ vo svojej učebnici „Úvod do akustiky a optiky“. A to bol všeobecne uznávaný názor. Stoletov ďalej vo viacerých odsekoch zdôvodňuje „potrebu priznať si toto zvláštne prostredie“, teda éter. Pozná už elektromagnetickú teóriu svetla, vie, že „svetelné vlny sú priečne vlny „elektrických oscilácií“ éteru, a hoci mu stále nie je jasné, aký je mechanizmus týchto oscilácií, nepochybuje že nositeľom týchto kmitov éter slúži.

Stoletov prednášal v rokoch 1880-1881 o akustike a optike. „Úvod do akustiky a optiky“ vyšiel v roku 1895. V roku 1902 vyšla druhá časť „Kurzu fyziky“ od N.A.Umova. V ňom sa časť venovaná optike začínala slovami: „Za miesto výlučne svetelných javov sa ešte pomerne nedávno považovala tenká beztiažová hmota prenikajúca telesami a vypĺňajúca celý priestor, nazývaná éter. V súčasnosti svetlo považujeme len za špeciálny prípad javy, ktoré sú možné v éteri.

Rok pred vydaním „Úvodu“ Stoletov, v roku 1894, vyšiel dňa nemecký priebeh elektriny od P. Drudea (1863-1906), ktorý nesie názov „fyzika éteru na elektromagnetickom základe“. V rokoch 1901-1902. G. A. Lorentz čítal kurz prednášok „Teória a modely éteru“ na Leidenskej univerzite. V holandčine vyšli v roku 1922, v r anglický preklad v roku 1927 a v ruštine v roku 1936, teda vtedy, keď éter už dávno pochovala teória relativity. Lorenz v záverečné slová svojich prednášok pozorne napísal: „V V poslednej dobe mechanické vysvetlenie procesov prebiehajúcich v éteri stále viac ustupuje do úzadia. Veril však, že mechanické analógie si „stále zachovávajú určitú hodnotu“ „Oni,“ napísal Lorentz, „nám pomáhajú premýšľať o javoch a môžu byť zdrojom nápadov pre nový výskum.“

Táto Lorentzova nádej bola prevrátená rozvojom modernej teoretickej fyziky, ktorá hodila vizuálne modely cez palubu a nahradila ich matematickým popisom. Je paradoxné, že historický faktže tento proces prechodu k matematickému popisu odštartoval Maxwell, ktorý položil základy svojej elektromagnetickej teórie, pričom vyvinul špecifické mechanické modely procesov v éteri. Pri diskusii o týchto modeloch Maxwell dospel k stanoveniu rovníc, ktoré odrážajú nemechanické procesy elektromagnetických javov. Zhrnutím výsledkov svojho dlhoročného výskumu teórie elektriny a magnetizmu v Pojednaní o elektrine a magnetizme Maxwell uvádza, že „vnútorné prepojenia rôznych oblastí vedy, ktoré sú predmetom našej štúdie, sú oveľa početnejšie a komplexnejšie než akékoľvek iné. doteraz vyvinuté vedeckej disciplíne“, samozrejme vrátane mechaniky. Okrem toho Maxwell píše, že zákony vedy o elektrine „zdá sa, že poukazujú na jej mimoriadny význam ako vedy pri vysvetľovaní prírody“. Spolu s mechanikou je teda teória elektriny podľa Maxwella základnou vedou, ktorá „pomáha vysvetľovať prírodu“. „Vychádzajúc z toho,“ hovorí Maxwell, „sa mi zdá, že štúdium elektromagnetizmu vo všetkých jeho prejavoch ako prostriedku posúvania vedy vpred vždy nadobúda osobitný význam.“ Od skvelých objavov Faradaya technické aplikácie elektriny značne pokročili. V čase vytvorenia Pojednania sa elektromagnetický telegraf rozšíril a objavili sa diaľkové komunikačné linky: transatlantický kábel spájajúci Európu a Ameriku (1866), indoeurópsky telegraf spájajúci Londýn a Kalkatu (1869), komunikačná linka medzi Európa a Južná Amerika (1872).

Objavili sa aj prvé generátory elektrického prúdu: Cromwell a Varley (1866), Siemens (1867), Wheatstone (1867), Gramm (1870-1871), ako aj elektromotory, počnúc motorom ruského akademika Borisa Semenoviča Jacobiho ( 1834) a končiac motorom s prstencom ukotveným Pacinottim (1860). Začala sa éra elektrotechniky. Maxwell však myslí nielen a nie až tak na rýchly pokrok elektrotechniky. Elektromagnetické procesy prenikali stále hlbšie do vedy: do fyziky a chémie. Prichádzala éra elektromagnetického obrazu sveta, ktorý nahradil ten mechanický.

Maxwell jasne videl základný význam elektromagnetických zákonov, keď vykonal grandióznu syntézu optiky a elektriny. Bol to on, kto dokázal zredukovať optiku na elektromagnetizmus, vytvoril elektromagnetickú teóriu svetla a tým otvoril nové cesty nielen v teoretickej fyzike, ale aj v technike, čím otvoril cestu rádiovému inžinierstvu.

James Clerk Maxwell patril do šľachtickej škótskej rodiny. Jeho otec John Clerk, ktorý prijal priezvisko Maxwell, bol muž so všestrannými kultúrnymi záujmami, cestovateľ, vynálezca a vedec. 13. júna 1831 sa v Edinburghu Maxwellovcom narodil syn Jamesa, budúceho skvelého fyzika. Vyrastal ako rodený prírodovedec. Otec povzbudzoval synovu zvedavosť, sám ho zasvätil do astronómie, naučil ho pozorovať nebeských telies do ďalekohľadu. Chcel svojho syna pripraviť na univerzitu doma, ale rozmyslel si to a poslal ho na strednú školu v Edinburghu vzdelávacia inštitúcia ako klasické gymnázium, keď mal Maxwell 10 rokov. Do piateho ročníka sa James učil bez väčšieho záujmu. Až od piatej triedy sa začal zaujímať o geometriu, vyrábal modely geometrické telesá, prišiel s vlastnými metódami riešenia problémov. Ešte ako pätnásťročný študent predložil Kráľovskej spoločnosti v Edinburghu štúdiu o oválnych krivkách. Tento mladistvý článok z roku 1846 otvára dvojzväzkovú zbierku Maxwellových vedeckých článkov.

V roku 1847 Maxwell vstúpil na univerzitu v Edinburghu. V tom čase boli jeho vedecké záujmy určené, začal sa zaujímať o fyziku. V roku 1850 vypracoval v Royal Society of Edinburgh správu o rovnováhe pružných telies, v ktorej okrem iného dokázal „Maxwellovu vetu“ známu v teórii pružnosti a odolnosti materiálov. V tom istom roku Maxwell prestúpil na univerzitu v Cambridge, na slávnu Trinity College, ktorá vychovala Newtona a mnohých ďalších slávnych fyzikov pre ľudstvo.

V roku 1854 Maxwell ako druhý zložil záverečnú skúšku. Píše list svojmu staršiemu priateľovi Williamovi Thomsonovi, v ktorom uvádza, že „po vstupe do hroznej triedy bakalárov“ sa rozhodol „vrátiť sa k fyzike“ a predovšetkým „zaútočiť na elektrinu“. Zamýšľa sa nad zakrivením povrchov, farebným videním a Faradayovými experimentálnymi výskumami. Už v roku 1855 poslal správu „Experiments on Color“ Kráľovskej spoločnosti v Edinburghu, navrhol farebný top a vypracoval teóriu farebného videnia. V tom istom roku začal pracovať na monografiách On Faraday's Lines of Force (1855-1856), ktorých prvú časť podal v roku 1855 Cambridge Philosophical Society.

V roku 1856 zomiera Maxwellov otec, ktorý bol nielen jeho otcom, ale aj blízkym priateľom. V tom istom roku Maxwell získal profesúru na University of Aberdeen v Škótsku. Nové postavenie a starostlivosť o dedičný majetok si vyžiadali veľa času. Napriek tomu Maxwell intenzívne pracuje vo vede. V roku 1857 poslal Faradayovi svoje monografie „O Faradayových siločiarach“, ktoré sa Faradaya veľmi dotkli. „Vaša práca ma teší a dáva mi veľkú podporu,“ napísal Maxwellovi, Faraday sa nemýlil: Maxwell jeho nápady veľmi podporil, prácu Faradaya adekvátne dokončil.

Einstein porovnáva mená Galileo a Newton v mechanike s menami Faraday a Maxwell vo vede o elektrine. Analógia je tu skutočne namieste. Galileo položil základy mechaniky, Newton ju dokončil. Obaja vyrazili z kopernikovského systému a hľadali jeho fyzické opodstatnenie, ktoré nakoniec našiel Newton.

Faraday pristúpil k štúdiu elektriny a magnetických javov novým spôsobom, poukázal na úlohu média a zaviedol koncept poľa, ktoré popisuje pomocou siločiar. Maxwell dal myšlienkam matematickú úplnosť, zaviedol presný pojem „elektromagnetické pole“, ktorý Faraday ešte nemal, sformuloval matematické zákony tohto poľa. Galileo a Newton položili základy mechanického obrazu sveta, Faraday a Maxwell položili základy elektromagnetického obrazu sveta.

Maxwell rozvinul elektromagnetickú teóriu vo svojich prácach „O fyzikálnych siločiarach“ (1861-1862) a „Teória dynamického poľa“ (1864-1865). Tieto diela už nekreslil v Aberdeene, ale v Londýne, kde získal profesúru na King's College. Tu sa Maxwell stretol aj s Faradayom, ktorý už bol starý a chorý. Maxwell, ktorý dostal údaje potvrdzujúce elektromagnetickú povahu svetla, ich poslal Faradayovi. Maxwell napísal: „Elektromagnetická teória svetla, ktorú navrhol (Faraday) v Thoughts on Ray Vibrations (Phil. Mag., máj 1846) alebo Experimental Investigations (Exp. Rec., s. 447), je v podstate rovnaká ako to, čo som začal rozvíjať v tomto článku (Dynamická teória poľa - Phil. Mag., 1865), okrem toho, že v roku 1846 neexistovali žiadne údaje na výpočet rýchlosti šírenia. J.K.M." Maxwell uznal Faradayovu prioritu v tomto objave. Maxwell nemohol vedieť o Faradayovom zapečatenom liste z roku 1832 a odvolával sa na svoj článok publikovaný v roku 1846. So všetkou istotou však uviedol, že Faraday už povedal to, čo uviedol vo svojej teórii dynamického poľa, okrem kvantitatívnych údajov o zhode rýchlosti šírenia svetla s konštantným pomerom elektromagnetických a elektrostatických jednotiek náboja a prúdu.

V roku 1865, keď sa objavila „Teória dynamického poľa“, mal Maxwell počas jazdy nehodu. Opustil profesúru v Londýne a presťahoval sa na svoj majetok Glenlar, kde pokračoval vo svojom štatistickom výskume, ktorý začal už v roku 1859.

V roku 1871 došlo k významnej udalosti. Na úkor potomka slávneho vedca XVIII storočia. Henrym Cavendishom, vojvodom z Cavendishu, bola na Univerzite v Cambridge zriadená Katedra experimentálnej fyziky a začala sa výstavba budúceho slávneho Cavendishovho laboratória. Maxwell bol pozvaný ako Cavendishov prvý profesor. 8. októbra 1871 predniesol inauguračnú prednášku o funkciách experimentálnej práce v univerzitnom školstve. Prednáška sa ukázala byť programom celku budúce aktivity laboratóriách pri výučbe experimentálnej fyziky. Maxwell v tejto činnosti vidí potrebu doby.

"Musíme začať v prednáškovej sále s kurzom prednášok z nejakého odvetvia fyziky, pričom ako ilustráciu použijeme experimenty, a skončiť v laboratóriu sériou výskumných experimentov." Maxwell uvádza dôležité body o menovaní učiteľov. Pre učiteľa je hlavné zamerať pozornosť žiaka na problém. V hádke s odporcami experimentálneho učenia Maxwell vyhlasuje, že ak má človek rád problém, vloží do jeho riešenia celú svoju dušu, ak pochopí hlavný prínos matematiky pri jej použití na vysvetlenie prírody, potom hlavná špecialita nebude poškodená. , experimentálne poznatky nezamotajú vieru v učebnice vzorcov, žiak nebude unavený.

Maxwell začal svoju prácu v Cambridge tým, že prednášal o teple. Veľa času venoval výstavbe a organizácii laboratória. Študoval skúsenosti z vytvárania laboratórií v zahraničí a vo svojej krajine, navštívil Thomsonovo laboratórium, laboratórium Clarendon. Laboratórium Clarendon slúžilo do značnej miery ako model pre laboratórium v ​​Cambridge. 16. júna 1874 bolo laboratórium otvorené.

Laboratórium bola pevná trojposchodová budova. Na spodnom poschodí boli miestnosti na výskum magnetizmu, kyvadla a tepla. Boli tam špajze, kuchyňa, obývačka. Na druhom poschodí je veľké laboratórium, miestnosť a profesorské laboratórium, poslucháreň a miestnosť na vybavenie. Na poschodí bolo umiestnené laboratórium akustiky, miestnosti na výpočty a grafické konštrukcie, sálavé teplo, optika, elektrina a tmavá miestnosť na fotografické práce. Všetky laboratórne stoly spočívali na nosníkoch nezávislých od podlahy, čo umožňovalo vykonávať veľmi jemné experimenty. Na streche laboratória bol upevnený kovový stĺp. Všetci diváci sa k nemu pridali, aby bolo možné kedykoľvek zmerať potenciál atmosférickej elektriny. Zdvíhacie dvere na podlažiach laboratória umožnili ťahať drôty medzi poschodiami, zavesiť Foucaultovo kyvadlo atď. Samozrejme, všetky laboratóriá mali plyn, vodu a svetlo.

Tri roky po otvorení laboratória Maxwell napísal, že zahŕňa všetky „nástroje, ktoré vyžaduje súčasný stav vedy“. Bol zverejnený zoznam týchto zariadení. V súvislosti s týmto zoznamom J. J. Thomson v roku 1936 povedal: „Toto je nápadný príklad rozdielu medzi nástrojmi, ktoré boli kedysi považované za dokonalé, a tými, ktoré sú teraz.“

Cavendishovo laboratórium, ktoré sa neskôr stalo hlavným centrom fyzikálnych vied, vďačí za veľa svojmu prvému profesorovi. Maxwell mal ťažkú ​​úlohu vytvoriť novú stoličku experimentálnej fyziky. Nové je vždy ťažké nájsť cestu. Lektori posledných ročníkov ich odhovárali od návštevy laboratória. To vysvetľuje skutočnosť, že najprv do laboratória prišlo málo ľudí. Ako prví sem prišli tí, ktorí prekonali matematickú chrípku a chceli získať praktické zručnosti (V. Hick, G. Kristal, S. Saunder, D. Gordon, A. Schuster).

Takže George Crystal (1851-1911), neskorší profesor matematiky na Univerzite v Edinburghu, testoval platnosť Ohmovho zákona (experiment vybraný Maxwellom). Potreba tohto overenia vznikla, pretože existovali štúdie, ktoré spochybňovali platnosť tohto zákona. Maxwell napísal Campbellovi, že Krystal "...nepretržite pracovala od októbra, testovala Ohmov zákon a Ohm z testu vyšiel víťazne."

Podobne Crystal a S. Saunder informovali v správe Britskej asociácie o výsledkoch porovnania jednotiek odporu s jednotkami Britskej asociácie – ťažká štúdia x, v ktorej neskôr pokračovali Glazebrook a Fleming. Neskôr, v časoch Rayleigha, sa tieto štúdie rozšírili na celú oblasť elektrických meraní a urobili z Cavendish Laboratory centrum pre stanovenie noriem pre elektrické jednotky.

Všeobecne platí, že všetci, ktorí pracujú pre Maxwell, predtým, ako sa pustili do pôvodného výskumu, prešli malou všeobecnou dielňou, študovali prístroje, merali čas, naučili sa odčítať hodnoty atď., tj Maxwell položil základy budúcej všeobecnej dielne laboratória .

Je ťažké preceňovať význam Maxwellovej práce pre budúci rozvoj Cavendish Laboratory. William Thomson v roku 1882 napísal: „Maxwellov vplyv v Cambridge mal nepochybne veľký vplyv na nasmerovanie matematického vyučovania do plodnejších kanálov, ako sú kanály, ktorými prúdilo mnoho rokov. Jeho publikované vedecké práce a knihy, jeho práca ako examinátor v Cambridge, jeho profesorské prednášky, to všetko prispelo k tomuto efektu. Ale predovšetkým jeho práca spočívala v plánovaní a organizácii Cavendish Laboratory. Tu skutočne dochádza k vzostupu fyzikálnych vied v Cambridge za posledných desať rokov, a to výlučne vďaka Maxwellovmu vplyvu.

Maxwell ako Cavendish profesor vykonal veľký kus vedeckej a pedagogickej práce. V roku 1873 vyšlo jeho hlavné dielo Pojednanie o elektrine a magnetizme. Začal písať populárny výklad svojej teórie „Elektrina v elementárnej prezentácii“, ale nemal čas ju dokončiť. Ako Cavendish profesor Maxwell získal Cavendishovu nepublikovanú prácu z archívov, vrátane jeho práce, kde objavil zákon elektrických interakcií pár rokov pred Coulombom. Maxwell zopakoval Cavendishov experiment s presnejším elektrometrom a potvrdil zákon nepriamej úmernosti so štvorcom vzdialenosti s vysokou mierou presnosti. Maxwell publikoval spomienky Henryho Cavendisha s jeho komentármi v roku 1879. V tom istom roku, 5. novembra, Maxwell zomrel na rakovinu.

Maxwell bol všestranný vedec: teoretik, experimentátor, technik. No v dejinách fyziky sa jeho meno spája predovšetkým s teóriou elektromagnetického poľa, ktorú vytvoril a ktorá sa nazýva Maxwellova teória alebo Maxwellova elektrodynamika. Vstúpila do dejín vedy spolu s takými základnými zovšeobecneniami, akými sú newtonovská mechanika, relativistická mechanika, kvantová mechanika, a znamenala začiatok novej etapy vo fyzike. V súlade so zákonom rozvoja vedy, ktorý sformuloval Aristoteles, pozdvihla poznanie prírody na novú, vyššiu úroveň a zároveň bola nezrozumiteľnejšia, abstraktnejšia ako predchádzajúce teórie, „menej samozrejmá“ v r. slová Aristotela.

Táto okolnosť spôsobila pomerne dlhé odmietanie Maxwellovej teórie zo strany fyzikov a až po Hertzových experimentoch sa začala uznávať. Získala „občianske práva“ vo fyzike po Michelsonovom experimente, po Lorentzovej prvej práci o elektrónovej teórii. Jeho asimilácia sa teda zhodovala so začiatkom vytvárania elektronickej a relativistickej fyziky. História teórie, ktorú vytvoril Maxwell, sa prelína s históriou týchto oblastí fyziky, čo vedie k jej súčasnému stavu.

Maxwell začal svoju teóriu rozvíjať v roku 1854. 20. februára tohto roku v liste svojmu staršiemu priateľovi W. Thomsonovi píše o svojom zámere „zaútočiť na elektrinu“. V liste z Cambridge z 13. novembra 1854 píše, že jemu, „nováčikovi v elektrine“, sa podarilo vyriešiť „veľké množstvo pochybností“ pomocou niekoľkých jednoduchých nápadov. „Základné princípy napäťovej elektriny“ (t. j. elektrostatika) som získal pomerne ľahko, hovorí a hovorí Thomsonovi, že Thomsonova analógia s vedením tepla mu veľmi pomohla. Maxwell ďalej uvádza, že hoci obdivoval čítanie diel Ampera, rád by svoje názory „filozoficky“ preskúmal sám. Zdá sa mu, že Faradayova metóda magnetických siločiar je na tento účel veľmi užitočná, no iní radšej používajú koncept priamej príťažlivosti prúdových prvkov. Maxwell vytvára obraz magnetických siločiar generovaných prúdom, hovorí o magnetickom poli, zavádza príslušné pojmy a píše matematické rovnice.

Myšlienky vyjadrené Maxwellom v tomto liste boli rozvinuté v jeho prvom diele „O Faradayových líniách sily“, napísanom v Cambridge v rokoch 1855-1856. Za cieľ tejto práce si kladie „ukázať, ako priamou aplikáciou myšlienok a metód Faradaya možno najlepšie objasniť vzájomné vzťahy rôznych tried ním objavených javov“. Maxwell vo svojej práci „On Faraday Field Lines“ vytvára hydrodynamický model média, ktoré prenáša elektrické a magnetické interakcie. Stacionárne procesy dokáže opísať pomocou vizuálneho obrazu pohybujúcej sa tekutiny. Náboje a magnetické póly na tomto obrázku sú zdroje a výlevky prúdiacej tekutiny. „Snažil som sa,“ napísal Maxwell, „... prezentovať matematické myšlienky vo vizuálnej forme, pomocou systémov čiar alebo plôch a nepoužívať iba symboly, ktoré nie sú zvlášť vhodné na prezentáciu Faradayových názorov a úplne nezodpovedajú prírode. vysvetľovaných javov“.

Ukázalo sa však, že model nie je vhodný na popis indukčných procesov Faradayovho elektrotonického stavu a Maxwell bol nútený uchýliť sa k matematickej symbolike. Elektrotonický stav charakterizuje pomocou troch funkcií, ktoré nazýva elektrotonické funkcie alebo zložky elektrotonického stavu. V modernej notácii táto vektorová funkcia zodpovedá potenciálnemu vektoru. Krivkový integrál tohto vektora pozdĺž uzavretej čiary Maxwell nazýva "celkovú elektrotonickú intenzitu pozdĺž uzavretej krivky". Pre túto veličinu nachádza prvý zákon elektrotonického stavu: „Celková elektrotonická intenzita pozdĺž hranice povrchového prvku slúži ako miera veľkosti magnetickej indukcie prechádzajúcej týmto prvkom, alebo, inými slovami, miera počet magnetických siločiar prenikajúcich týmto prvkom.“ V modernej notácii možno tento zákon vyjadriť vzorcom:

kde A je komponent potenciálneho vektora

v smere krivkového prvku dl je Bn normálovou zložkou indukčného vektora B v smere normály k plošnému prvku dS.

ktorý spája magnetickú indukciu B s vektorom intenzity magnetického poľa H.

Tretí zákon dáva do súvisu silu magnetického poľa H so silou prúdu I, ktorý ho vytvára. Maxwell to formuluje takto: „Celková magnetická intenzita pozdĺž čiary, ktorá ohraničuje určitú časť povrchu, slúži ako miera množstva. elektrického prúdu pretekajúceho týmto povrchom." V modernej notácii je táto veta opísaná vzorcom

,

ktorá sa dnes nazýva prvá Maxwellova rovnica v integrálnom tvare. Odráža experimentálny fakt objavený Oerstedom: prúd je obklopený magnetickým poľom.

Štvrtý zákon je Ohmov zákon:

Na charakterizáciu silových interakcií prúdov Maxwell zavádza veličinu, ktorú nazýva magnetický potenciál. Táto hodnota sa riadi piatym zákonom: „Celkový elektromagnetický potenciál uzavretého prúdu sa meria súčinom množstva prúdu a celkovej elektrotonickej intenzity pozdĺž obvodu, uvažovanej v smere prúdu:

».

Šiesty Maxwellov zákon sa týka elektromagnetickej indukcie: "Elektromotorická sila pôsobiaca na vodivý prvok sa meria časovou deriváciou elektrotonickej intenzity, či už je táto derivácia spôsobená zmenou veľkosti alebo smeru elektrotonického stavu." V modernej notácii je tento zákon vyjadrený vzorcom:

čo je druhá Maxwellova rovnica v integrálnom tvare. Všimnite si, že Maxwell nazýva cirkuláciu vektora intenzity elektrického poľa elektromotorická sila. Maxwell zovšeobecňuje Faraday-Lenz-Neumannov zákon indukcie a verí, že zmena v čase magnetického toku (elektrotonický stav) generuje vírivé elektrické pole, ktoré existuje bez ohľadu na to, či existujú uzavreté vodiče, v ktorých toto pole budí prúd alebo nie. Maxwell ešte neuvádza zovšeobecnenie Oerstedovho zákona.

Maxwell končí formuláciu šiestich zákonov nasledujúcimi slovami: „Pokúsil som sa dať v týchto šiestich zákonoch matematické vyjadrenie myšlienky, ktorá je podľa môjho názoru základom Faradayovho myšlienkového pochodu v jeho Experimental Investigations. Toto Maxwellovo tvrdenie je úplne správne, rovnako ako ďalšie tvrdenie, že zavedenie „matematických funkcií na vyjadrenie Faradayovho elektrotonického stavu a na určovanie elektrodynamických potenciálov a elektromotorických síl“ urobil on po prvý raz.

Maxwell urobil ďalší krok vo vývoji teórie elektromagnetického poľa v rokoch 1861-1862 publikovaním množstva článkov pod všeobecným názvom „O fyzických siločiarach“. A tu sa Maxwell uchyľuje k mechanickému modelu elektromagnetického poľa. Tento model je však oveľa komplikovanejší ako obraz rýchlostného poľa pohybujúcej sa tekutiny, ktorý vyvinul vo svojej predchádzajúcej práci. Maxwell vyvinul tento model, pričom v plnej miere využil svoj talent mechanika a dizajnéra a dospel k svojim slávnym rovniciam. „Maxwell,“ napísal Boltzmann, „našiel svoje rovnice ako výsledok svojej túžby dokázať pomocou mechanických modelov možnosť vysvetlenia elektromagnetických javov založených na koncepte blízkej akcie a iba tieto modely prvýkrát naznačili cestu k tým experimentom, ktoré konečne a rozhodne potvrdili skutočnosť tesnej akcie a v súčasnosti tvoria najjednoduchší a najspoľahlivejší základ rovníc nájdených iným spôsobom.

Nie je ťažké nájsť Maxwellove rovnice, ale nemožno ich „vydedukovať“, rovnako ako nemožno odvodiť Newtonove zákony. Samozrejme, Newtonove rovnice aj Maxwellove rovnice možno odvodiť z iných princípov, ktoré musia byť akceptované bez dôkazu, ale tieto princípy, ako samotné Maxwellove alebo Newtonove rovnice, sú zovšeobecnením skúseností. "Maxwellova teória sú Maxwellove rovnice," povedal Hertz.

Vo „fyzikálnych siločiarach“ Maxwell predovšetkým zdôvodňuje vyjadrenie sily pôsobiacej na každý prvok média, v ktorom sú náboje, prúdy, magnety. Maxwell uvažuje o médiu naplnenom molekulárnymi vírmi, sily pôsobiace v tomto médiu v rovnakom bode závisia od smeru, sú, ako teraz hovoríme, svojou povahou tenzorové. Ďalej Maxwell zapisuje svoje slávne rovnice. Novinkou v porovnaní s prácou na Faradayových siločiarach je tu jasné stanovenie súvislosti medzi zmenami magnetického poľa a vznikom elektromotorickej sily. Jeho rovnica (presnejšie „trojica“ rovníc pre komponenty) definuje „vzťah medzi zmenami stavu magnetického poľa a nimi spôsobenými elektromotorickými silami“.

Ďalšou dôležitou novinkou je zavedenie pojmov zaujatosť a zaujaté prúdy. Posun je podľa Maxwella charakteristikou stavov dielektrika v elektrickom poli. Celkový posuvný tok cez uzavretý povrch je algebraický súčet náboje vo vnútri povrchu. „Tento posun,“ píše Maxwell, „nepredstavuje skutočný prúd, pretože po dosiahnutí určitej hodnoty zostáva konštantný. Toto je však začiatok prúdu a zmeny predpätia vytvárajú prúdy v pozitívnom alebo negatívnom smere v závislosti od toho, či sa odchýlka zvyšuje alebo znižuje. Toto predstavuje základný koncept posuvného prúdu. Tento prúd, podobne ako vodivý prúd, vytvára magnetické pole. Preto Maxwell zovšeobecňuje rovnicu, ktorá sa teraz nazýva prvá Maxwellova rovnica, a zavádza posuvný prúd do prvej časti. V modernej notácii má táto Maxwellova rovnica tvar:

Nakoniec Maxwell zistí, že priečne vlny sa v jeho elastickom prostredí šíria rýchlosťou svetla. Tento zásadný výsledok ho vedie k dôležitému záveru: „Rýchlosť oscilácií priečnych vĺn v našom hypotetickom prostredí, vypočítaná z elektromagnetických experimentov Kohlrauscha a Webera, sa tak presne zhoduje s rýchlosťou svetla vypočítanou z optických experimentov Fizeaua, že ťažko môžeme odmietnuť záver, že svetlo pozostáva z priečnych vibrácií toho istého média, ktoré je príčinou elektrických a magnetických javov. Tak, na začiatku 60. rokov XIX storočia. Maxwell už našiel základy svojej teórie elektriny a magnetizmu a urobil dôležitý záver, že svetlo je elektromagnetický jav.

Pokračovanie vo vývoji teórie, Makwell v rokoch 1864-1865. publikoval svoju teóriu dynamického poľa. V tomto diele naberá Maxwellova teória ucelenú podobu a nový objekt vedeckého výskumu zavedený Faradayom – elektromagnetické pole – dostáva presnú definíciu. „Teóriu, ktorú navrhujem,“ píše Maxwell, „možno nazvať teóriou elektromagnetického poľa, pretože sa zaoberá priestorom obklopujúcim elektrické alebo magnetické telesá, a možno ju nazvať aj dynamickou teóriou, keďže pripúšťa, že v tomto priestore je v pohybe hmota, prostredníctvom ktorej vznikajú pozorované elektromagnetické javy.

Elektromagnetické pole je tá časť priestoru, ktorá obsahuje a obklopuje telesá, ktoré sú v elektrickom alebo magnetickom stave.

Ide o prvú definíciu elektromagnetického poľa v dejinách fyziky, Faraday pojem „pole“ nepoužíva, hovorí o skutočnej existencii fyzikálnych siločiar. Až od čias Maxwella sa vo fyzike objavuje pojem poľa, ktoré slúži ako nosič elektromagnetickej energie.

Na popis poľa Maxwell zavádza skalárne a vektorové funkcie súradníc. Vektory to znamená veľké písmená Nemecké gotické písmo, ale vo výpočtoch pracuje s ich komponentmi. Maľuje vektorové rovnice v súradniciach, pričom získava zodpovedajúce trojice („triplety“) rovníc.

V „Pojednaní o elektrine a magnetizme“ podáva súhrn hlavných veličín používaných v jeho elektromagnetickej teórii. Pojmy, označenia, samotný význam, ktorý Maxwell vložil do obsahu predstavených pojmov, sa často výrazne líšia od moderných. Takže veličina „elektromagnetický moment“, alebo „elektromagnetická hybnosť“ v bode, ktorá hrá v Maxwellovej koncepcii v modernej fyzike zásadnú úlohu, je pomocnou veličinou, vektorom je potenciál A. Pravda, v kvantovej teórii je to opäť dostalo zásadný význam, ale experimentálna fyzika, rádiotechnika a elektrotechnika mu dávajú čisto formálny význam.

V Maxwellovej teórii táto veličina súvisí s magnetickým tokom. Cirkulácia vektora potenciálu pozdĺž uzavretej slučky sa rovná magnetickému toku cez povrch pokrytý slučkou. Magnetický tok má inerciálne vlastnosti a elektromotorická sila indukcie je podľa Lenzovho pravidla úmerná rýchlosti zmeny magnetického toku, branej s opačným znamienkom. Preto intenzita indukčného elektrického poľa:

Maxwell považuje tento výraz za podobný výrazu pre silu zotrvačnosti v mechanike:

Mechanický impulz alebo hybnosť. Táto analógia vysvetľuje termín zavedený Maxwellom pre vektorový potenciál. Samotné rovnice elektromagnetického poľa v Maxwellovej teórii majú formu odlišnú od modernej.

Vo svojej modernej podobe má Maxwellov systém rovníc nasledujúci tvar:

Pomocou týchto rovníc sú vektor magnetickej indukcie B a vektor intenzity elektrického poľa E vyjadrené ako vektorový potenciál A a skalárny potenciál V. Maxwell potom vypíše výraz pre ponderomotorickú silu f, pôsobiacu z poľa s magnetickou indukciou. B na jednotku objemu vodiča pretečeného prúdom s hustotou j:

K tomuto výrazu pridáva „magnetizačnú rovnicu“:

a „rovnica elektrické prúdy» (teraz prvá Maxwellova rovnica):

Vzťah medzi vektorom posunutia D a intenzitou elektrického poľa E v Maxwell je vyjadrený rovnicou:

Potom vypíše rovnicu divD = p a rovnicu kde

,

a tiež hraničná podmienka:

Toto je systém Maxwellových rovníc. Najdôležitejším záverom z týchto rovníc je existencia priečnych elektromagnetických vĺn šíriacich sa v magnetizovanom dielektriku rýchlosťou: kde

K tomuto záveru dospel v poslednej časti „Teória dynamického poľa“, ktorá nesie názov „Elektromagnetická teória svetla“. „... Veda o elektromagnetizme,“ píše tu Maxwell, „vedie k presne tým istým záverom ako optika, pokiaľ ide o smer porúch, ktoré sa môžu šíriť poľom; obe tieto vedy potvrdzujú priečnosť týchto oscilácií a obe poskytujú rovnakú rýchlosť šírenia. V éteri je táto rýchlosť c rýchlosťou svetla (Maxwell ju označuje ako V), v dielektriku je menšia tam, kde

Index lomu n je teda podľa Maxwella určený elektrickými a magnetickými vlastnosťami média. V nemagnetickom dielektriku, kde

Toto je slávny Maxwellov vzťah.

Maxwell v Pojednaní píše: „Podľa teórie, že svetlo je elektromagnetické rušenie šíriace sa v tom istom prostredí, ktorým sa šíria iné elektromagnetické akcie, musí byť V rýchlosť svetla, ktorej číselnú hodnotu možno určiť rôznymi metódami. Na druhej strane v je počet elektrostatických jednotiek v jednej elektromagnetickej jednotke a metódy na určenie tejto veličiny boli popísané v predchádzajúcej kapitole. Sú to úplne nezávislé metódy na určenie rýchlosti svetla. Preto zhoda alebo nezhoda hodnôt Y a v poskytuje test elektromagnetickej teórie svetla.

Maxwell uvádza zhrnutie definícií V a v, z ktorých vyplýva, že „rýchlosť svetla a pomer jednotiek sú rádovo rovnaké“. Aj keď Maxwell nepovažuje túto dohodu za dostatočne presnú, dúfa, že v ďalších experimentoch bude možné vzťah medzi týmito dvoma veličinami určiť presnejšie. V každom prípade dostupné údaje teóriu nevyvracajú. Ale s ohľadom na Maxwellov zákon to bolo horšie. Pri určovaní dielektrickej konštanty parafínu sa získal jeden experimentálny výsledok. Ukázalo sa, že sa rovná e = 1,975. Na druhej strane, hodnoty indexu lomu parafínu pre Fraunhoferove čiary - A, D, H sa ukázali byť rovné n = 1,420 namiesto

Tento rozdiel je dostatočne veľký, že ho nemožno pripísať chybe pozorovania. Maxwell to považoval za náznak potreby výrazného zlepšenia teórie štruktúry hmoty, „skôr ako budeme môcť odvodiť optické vlastnosti telies z ich elektrické vlastnosti". Táto veľmi jemná a hlboká poznámka bola v dejinách fyziky plne opodstatnená.

V čase Maxwella ešte nebola objavená dlhovlnná oblasť elektromagnetického spektra a prirodzene sa pre ňu nemerali hodnoty indexu lomu. V optickej oblasti však už bola objavená anomálna disperzia, ktorá ukázala, že index lomu závisí od frekvencie veľmi komplexným spôsobom. Na to, aby bolo možné so všetkou istotou povedať o platnosti Maxwellovho zákona, boli potrebné všestranné experimentálne a teoretické štúdie. Sám Maxwell bol hlboko presvedčený o správnosti svojich záverov a nenechal sa zahanbiť ani odchýlkami experimentálnych údajov od teoretických hodnôt. Pozorne sledoval výskum v tejto oblasti, hoci varoval: "Sotva môžeme dúfať v čo i len približné overenie, ak porovnáme výsledky našich pomaly prebiehajúcich elektrických experimentov so svetelnými vibráciami, ktoré sa vyskytujú miliardy krát za sekundu." Napriek tomu privítal výsledky Boltzmanna, ktorý meral dielektrické konštanty plynov a ukázal pre množstvo plynov platnosť Maxwellovho vzťahu n2 = e. Boltzmannove výsledky zahrnul do svojej poslednej práce Electricity in an Elementary Presentation, publikovanej posmrtne. . Zahrnul aj výsledky ruských fyzikov N. N. Schillera (1848-1910) a P.A. Zilova (1850-1921).

N. N. Schiller v rokoch 1872-1874 meral dielektrickú konštantu množstva látok v striedavých elektrických poliach s frekvenciou asi 10 Hz. Pre množstvo dielektrík našiel približné potvrdenie zákona n2 = e, no pri iných, napríklad pri skle, bol nesúlad veľmi výrazný. P. A. Zilov v roku 1876 zmeral dielektrické konštanty pre niektoré kvapaliny. Pre terpentín zistil: e = 2,21, e(1/2) = 1,49, n = 1,456. Žilov si bol dobre vedomý toho, že dĺžka elektrických vĺn je „nekonečne veľká v porovnaní s dĺžkou svetelných vĺn“ a Maxwellov zákon formuluje takto: „ Odmocnina z dielektrickej konštanty izolátora sa rovná jeho indexu lomu pre lúče s nekonečne dlhou vlnovou dĺžkou.

N. N. Schiller a P. A. Žilov boli študentmi Stoletova. Samotný Stoletov sa hlboko zaujímal o Maxwellovu teóriu a zaviazal sa zmerať pomer jednotiek, aby potvrdil Maxwellov záver. V Rusku sa Maxwellova teória stretla so sympatiami a porozumením a k jej úspechu výrazne prispeli ruskí fyzici.

V Maxwellovej teórii je energia distribuovaná v priestore s objemovou hustotou. Je zrejmé, že elektromagnetická vlna šíriaca sa vesmírom so sebou nesie energiu. Maxwell tvrdil, že pri dopade na absorbujúci povrch vlna vytvára tlak na tento povrch, ktorý sa rovná objemovej hustote energie. Tento Maxwellov záver kritizoval W. Thomson (Kelvin) a ďalší fyzici. Ako uvidíme nižšie, ruský fyzik P.N. Lebedev dal Maxwellovi za pravdu.

Doktrínu pohybu energie vypracoval ruský fyzik N.A. Umov.

N. A. Umov sa narodil 23. januára 1846 v rodine simbirského lekára. Po absolvovaní prvého moskovského gymnázia v roku 1863 vstúpil UMOV na Moskovskú univerzitu, ktorú ukončil v roku 1867 ako kandidát. V roku 1871 Umov obhájil diplomovú prácu „Teória termomechanických javov v pevných elastických telesách“ a bol zvolený za docenta na Novorossijskej univerzite v Odese. V roku 1874 obhájil doktorandskú prácu „Pohybové rovnice energie v telesách“. Debata bola náročná. Myšlienka pohybu energie sa zdala neprijateľná aj pre fyzikov ako A. G. Stoletov. V roku 1875 sa Umov stal mimoriadnym a v roku 1880 riadnym profesorom na Novorossijskej univerzite. V roku 1893 sa presťahoval do Moskvy v súvislosti so zvolením za univerzitného profesora. O tri roky neskôr zastáva katedru fyziky, uvoľnenú po smrti Stoletova.

Pod vedením Umova sa projektuje a stavia budova Fyzikálneho ústavu univerzity. Umov zomrel 15. januára 1915.

Vo svojej práci „Pohybové rovnice energie v telesách“ Umov uvažuje o pohybe energie v médiu s rovnomerným rozložením energie v celom objeme, takže každý prvok objemu média „obsahuje určité množstvo energie pri daný okamih." Umov označuje objemovú hustotu energie cez E a cez lx, 1y, lz - "zložky pozdĺž pravouhlých súradnicových osí x, y a z rýchlosti, s ktorou sa energia pohybuje v uvažovanom bode média." Umov ďalej stanovuje diferenciálnu rovnicu, ktorá sleduje zmenu hustoty energie E v čase:

Rovnako ako Maxwell, Umov označuje parciálne derivácie cez

Dnes píšeme opak:

Zmena energie vo vnútri objemu je teda určená jeho prietokom cez povrch. Každou jednotkou plochy za jednotku času pretečie množstvo energie El„, rovnajúce sa normálovej zložke vektora E1 = =y. Tento vektor sa teraz nazýva Umov vektor.

17. decembra 1883 Rayleigh predložil Kráľovskej spoločnosti oznámenie Johna Poyntinga (1852-1914) „O prenose energie v elektromagnetickom poli“. Toto posolstvo prečítal Poynting 10. januára 1884 a uverejnil ho v zborníku spolku v roku 1885, teda 11 rokov po Umovom vydaní. Nepoznajúc túto publikáciu, ktorá vyšla v Odese v roku 1874 ako samostatná brožúra, Poynting sa rozhodol pre rovnakú otázku vo vzťahu k prípadu pohybu elektromagnetickej energie. Na základe Maxwellovho výrazu pre objemovú hustotu elektromagnetickej energie Pointing nachádza teorém, ktorý formuluje takto: „Zmena súčtu elektrických a magnetických energií uzavretých vo vnútri povrchu za sekundu spolu s teplom vyvinutým prúdmi , sa rovná množstvu, ku ktorému každý prvok povrchu prispieva svojím podielom, v závislosti od hodnôt elektrických a magnetických síl na tento prvok.

To znamená, že „energia tečie ... kolmo na rovinu obsahujúcu čiary elektrických a magnetických síl a že množstvo energie prechádzajúcej jednotkovým povrchom tejto roviny za sekundu sa rovná súčinu: elektromotorické sily, magnetické sily, sínus uhla medzi nimi deleného 4n, pričom smer prúdenia určujú tri veličiny - elektromotorická sila, magnetická sila a tok energie, spojené do pravotočivého zväzku.

V modernej notácii je Poyntingov vektor energetického toku v module a smere určený výrazom:

V našej literatúre sa tento vektor nazýva Umov-Poyntingov vektor.

Keď už hovoríme o úspechoch teórie interakcie krátkeho dosahu, medzi ktoré patrí aj Maxwellova teória, netreba zabúdať, že táto teória nemala podporu väčšiny popredných fyzikov. Maxwell v predslove k prvému vydaniu svojho „Pojednania o elektrine a magnetizme“ z 1. februára 1873 napísal, že Faradayova metóda sa rovná metóde matematikov, ktorí sa zaoberajú elektrinou z hľadiska pôsobenia na diaľku. "Zistil som," napísal Maxwell, "že výsledky oboch metód sa vo všeobecnosti zhodujú, takže sa nimi vysvetľujú rovnaké javy a oboma metódami odvodzujú rovnaké zákony." Zdôrazňuje však, že plodné metódy, ktoré našli matematici, „môžu byť vyjadrené vyjadreniami požičanými od Faradaya, oveľa lepšie ako v ich pôvodnej forme“. Takou je podľa Maxwella teória potenciálu, ak potenciál považujeme za veličinu, ktorá vyhovuje diferenciálnej rovnici v parciálnych deriváciách. Maxwell uprednostňuje a obhajuje Faradayovu metódu. "Tento spôsob, aj keď sa to môže zdať v niektorých častiach menej istý, je, myslím, v lepšom súlade s našimi skutočnými poznatkami, a to tak v tom, čo tvrdí, ako aj v tom, čo necháva nerozhodnuté." Na konci svojho pojednania analýzou teórie pôsobenia na veľké vzdialenosti Maxwell poukazuje na to, že všetky boli v opozícii ku konceptu poľa, boli „proti predpokladu existencie média, v ktorom sa šíri svetlo“. Maxwell však tvrdí, že koncept pôsobenia na veľké vzdialenosti nevyhnutne čelí otázke: „Ak sa niečo šíri na vzdialenosť od jednej častice k druhej, v akom stave to bude, keď to opustilo jednu časticu a ešte nedosiahlo ďalšiu?“ Maxwell sa domnieva, že jedinou rozumnou odpoveďou na túto otázku je hypotéza stredného média, ktoré prenáša pôsobenie jednej častice na druhú, hypotéza blízkeho pôsobenia. Ak prijmeme túto hypotézu, potom, ako si Maxwell myslí, "by mala v našom výskume zaujať popredné miesto a mali by sme sa pokúsiť vytvoriť mentálnu reprezentáciu všetkých detailov tejto akcie." "A to bolo," uzatvára Maxwell, "mojim stálym cieľom v tomto pojednaní."

Maxwell teda už v „Pojednaní“ uvádza prítomnosť vážnej opozície medzi zástancami dlhodobej akcie voči novým myšlienkam. Očividne to cíti nový koncept polia znamená pozdvihnúť naše chápanie elektromagnetických javov na novú vyššiu úroveň a v tomto má určite pravdu. Ale toto nová úroveň, zavádzajúc nejasný, nie priamo postrehnuteľný pojem poľa, nás posúva ďalej od bežných zmyslových reprezentácií, od známych pojmov. Opäť sa zopakovalo Aristotelovo naznačenie, že poznanie smeruje k „prirodzenejšiemu samozrejmému“, ale „pre nás menej zrejmému“. Aby sa Maxwellova teória stala majetkom fyziky, boli potrebné nové výsledky. Rozhodujúcu úlohu pri víťazstve Maxwellovej teórie zohral nemecký fyzik Heinrich Hertz.

Hertz. Heinrich Rudolf Hertz sa narodil 22. februára 1857 v rodine právnika, ktorý sa neskôr stal senátorom. V ére Hertzu v zjednotenom Nemecku sa priemysel, veda a technika intenzívne rozvíjali. Na univerzite v Berlíne vytvoril Helmholtz svet vedeckej škole, pod jeho vedením bol v roku 1876 vybudovaný fyzikálny ústav. ( O vytvorení a organizácii Helmholtzovho inštitútu fyziky pozri knihu: Lebedinsky A.V. a i. Helmholtz.-M.: Nauka 1966, s. 148-153.) Werner Siemens (1816-1892) zároveň intenzívne pracoval v oblasti elektrotechniky vysokých prúdov. Siemens bol organizátorom najväčších elektrotechnických firiem „Siemens a Halske“, „Siemens a Schunkert“. Spolu s Helmholtzom bol jedným z iniciátorov vytvorenia Fyzikálneho a technologického ústavu, najvyššej metrologickej inštitúcie v Nemecku. Helmholtz, priateľ a príbuzný spoločnosti Siemens, bol prvým prezidentom tohto inštitútu.

Medzi týchto lídrov nemeckej vedy a techniky vstúpil aj Hertz. Po absolvovaní gymnázia v roku 1875 študoval Hertz najskôr v Drážďanoch a potom na mníchovskej vyššej technickej škole. Čoskoro si však uvedomil, že jeho povolaním je veda, a presťahoval sa na univerzitu v Berlíne, kde študoval fyziku pod vedením Helmholtza.

Hertz bol Helmholtzovým obľúbeným študentom a bol to on, koho Helmholtz nariadil, aby experimentálne otestoval Maxwellove teoretické závery. Hertz začal svoje slávne experimenty ako profesor na Technische Hochschule v Karlsruhe a dokončil ich v Bonne, kde bol profesorom experimentálnej fyziky.

Hertz zomrel 1. januára 1894. Jeho učiteľ Helmholtz, ktorý svojmu žiakovi napísal nekrológ, zomrel v tom istom roku 8. septembra.

Helmholtz vo svojom nekrológu spomína na začiatok Hertzovej vedeckej kariéry, keď mu navrhol námet na študentskú prácu v odbore elektrodynamika, „uvedomujúc si, že Hertz sa o túto problematiku začne zaujímať a úspešne ju vyrieši“. Tak Helmholtz uviedol Hertza do oblasti, v ktorej musel následne urobiť zásadné objavy a zvečniť sa. Opisujúc stav elektrodynamiky v tom čase (leto 1879), Helmholtz napísal: „... Pole elektrodynamiky sa v tom čase zmenilo na púšť bez ciest, fakty založené na pozorovaniach a dôsledkoch z veľmi pochybných teórií - to všetko sa zmiešalo dohromady“ . Všimnite si, že táto charakteristika sa týkala roku 1879, roku Maxwellovej smrti. Hertz sa narodil ako vedec v tomto roku. Nelichotivá charakteristika elektrodynamiky konca 70. - začiatku 80. rokov XIX. dal Engels v roku 1882.

Engels si všíma „všadeprítomnosť elektriny“, ktorá sa prejavuje štúdiom najrozmanitejších prírodných procesov, jej rastúcim využitím v priemysle a poukazuje na to, že napriek tomu „je to práve tá forma pohybu, o ktorej podstate je tu stále najväčšia nejednoznačnosť.“

„V doktríne... elektriny,“ pokračuje Engels, „máme pred sebou chaotickú hromadu starých, nespoľahlivých experimentov, ktoré nedostali ani konečné potvrdenie, ani definitívne vyvrátenie, akési neisté blúdenie v tme, výskum, ktorý navzájom prepojené a skúsenosti mnohých individuálnych vedcov, ktorí náhodne útočia na neznámu oblasť, ako horda kočovných jazdcov “( Engels f. dialektika prírody. - Marx K., Engels f. Soch., 2. vydanie, zväzok 20, s. 433-434.). Hoci sa Engels vyjadruje ostrejšie ako Helmholtz, ich charakteristika je v zásade rovnaká: „púšť bez ciest“, „putovanie v tme“. Helmholtz však nehovorí ani slovo o Maxwellovi a Engels poznamenáva „rozhodujúci pokrok“ éterických teórií elektriny a „jeden nesporný úspech“, pričom odkazuje na Boltzmannovo experimentálne potvrdenie Maxwellovho zákona n2 = e.

„Takže,“ zhŕňa Engels, „Maxwellova éterická teória bola špecificky potvrdená experimentálne.“( Engels f. dialektika prírody. - Marx K., Engels f. Soch., 2. vydanie, zväzok 20, s. 439.) Rozhodujúce potvrdenie však ešte len malo prísť.

Medzitým mladý vedec v prácach „Pokus o určenie hornej hranice pre kinetickú energiu toku elektriny“ (1880), jeho doktorandskej dizertačnej práci „O indukcii v rotujúcich telesách“ (marec 1880), „O vzťah Maxwellových elektrodynamických rovníc k opačnej elektrodynamike“ (1884) sa musel prebrodiť „púšťou bez ciest“ a hľadať mosty medzi konkurenčnými teóriami. V práci z roku 1884 Hertz ukazuje, že Maxwellova elektrodynamika má výhody oproti bežnej, ale považuje za nepreukázané, že je jediná možná. Následne sa však Hertz ustálil na Helmholtzovej kompromisnej teórii. Helmholtz si požičal od Maxwella a Faradaya uznanie úlohy média v elektromagnetických procesoch, ale na rozdiel od Maxwella veril, že pôsobenie otvorených prúdov by sa malo líšiť od pôsobenia uzavretých prúdov. Pôsobenie uzavretých prúdov je odvodené z oboch teórií rovnako, pričom pre otvorené prúdy by podľa Helmholtza mali byť pozorované odlišné dôsledky z oboch teórií. „Pre každého, kto v tom čase poznal skutočný stav vecí,“ napísal Helmholtz, „bolo jasné, že úplné pochopenie teórie elektromagnetických javov je možné dosiahnuť iba presným štúdiom procesov spojených s týmito okamžitými otvorenými prúdmi. “

Túto problematiku študoval v Helmholtzovom laboratóriu N.N. Schiller, ktorý venoval svoju dizertačnú prácu tejto štúdii „Dielektrické vlastnosti – konce otvorených prúdov v dielektrikách“ (1876). Schiller neobjavil rozdiel medzi uzavretými a otvorenými prúdmi, ako to malo byť podľa Maxwellovej teórie. Ale Helmholtz sa s tým zjavne neuspokojil a navrhol Hertzovi, aby opäť overil Maxwellovu teóriu a ujal sa riešenia problému, ktorý v roku 1879 položila Berlínska akadémia vied: „experimentálne ukázať existenciu nejakého spojenia medzi elektrodynamické sily a dielektrická polarizácia dielektrík." Hertzove výpočty ukázali, že očakávaný efekt aj za najpriaznivejších podmienok by bol príliš malý a on „odmietol problém rozvíjať“. Odvtedy však neprestal premýšľať o možných spôsoboch riešenia a jeho pozornosť „bola zbystrená vo vzťahu ku všetkému, čo súvisí s elektrickými vibráciami“.

V skutočnosti pri nízkych frekvenciách je účinok posuvného prúdu, konkrétne toto je hlavný rozdiel medzi Maxwellovou teóriou a teóriou pôsobenia na veľké vzdialenosti, zanedbateľný a Hertz správne pochopil, že na úspešné vyriešenie sú potrebné vysokofrekvenčné elektrické oscilácie. problém. Čo bolo známe o týchto výkyvoch?

V roku 1842 americký fyzik J. Henry, opakujúc experimenty Savarta v roku 1826, zistil, že výtok z Leydenskej nádoby „nevyzerá... ako jediný prenos beztiažovej tekutiny z jednej výstelky nádoby do druhej“ a že je potrebné pripustiť „existenciu hlavného výboja v jednom smere a potom niekoľko odrazených akcií tam a späť, z ktorých každá je slabšia ako predchádzajúca, pokračujúc, kým sa nedosiahne rovnováha.

Helmholtz vo svojich memoároch „O zachovaní sily“ tiež uvádza, že vybitie batérie Leidenských pohárov by malo byť znázornené „nie ako jednoduchý pohyb elektriny jedným smerom, ale ako jej pohyb tam a späť medzi oboma platňami, ako vibrácie, ktoré stále viac a viac klesajú až do všetkých pracovná sila nie je zničená súčtom odporov.

W. Thomson v roku 1853 skúmal výboj vodiča danej kapacity cez vodič daného tvaru a odporu. Aplikovaním zákona zachovania energie na proces vybíjania odvodil rovnicu procesu vybíjania v nasledujúcom tvare:

kde q je množstvo elektriny na vybitom vodiči v danom čase t, C je kapacita vodiča, k je galvanický odpor zvodiča, A je „konštanta, ktorú možno nazvať elektrodynamickou kapacitou zvodiča“ a ktorý dnes nazývame koeficient samoindukcie alebo indukčnosť. Thomson, analyzujúc riešenie tejto rovnice pre rôzne korene charakteristickej rovnice, zistí, že keď množstvo

má reálnu hodnotu (1/CA>4*(k/A)2), potom riešenie ukazuje „že hlavný vodič stratí náboj, nabije sa menšou elektrinou opačného znamienka, opäť sa vybije, opäť sa nabije rovnomerným menej elektriny pôvodného znamienka a tento jav sa opakuje nekonečne veľakrát, kým sa nenastolí rovnováha. Cyklická frekvencia týchto tlmených kmitov je:

Obdobie oscilácie teda môže byť vyjadrené vzorcom:

Pre malé hodnoty odporu získame známy Thomsonov vzorec:

Elektromagnetické oscilácie experimentálne skúmal W. Feddersen (1832-1918), ktorý skúmal obraz iskrového výboja Leydenskej banky v rotujúcom zrkadle, fotografovaním týchto obrázkov Feddersen zistil, že „v elektrickej iskre prebiehajú striedavo opačné prúdy“ a že čas jednej oscilácie "narastie do tej miery, že sa zväčšuje druhá odmocnina elektrifikovaného povrchu", to znamená, že doba oscilácie je úmerná druhej odmocnine kapacity, ako vyplýva z Thomsonovho vzorca. Nie nadarmo Thomson, ktorý v roku 1882 znovu vydal svoju prácu „O prechodových elektrických prúdoch“, o ktorej sa hovorilo vyššie, dodal poznámku z 11. augusta 1882: „Teória oscilačného elektrického výboja, o ktorej sa uvažuje v tomto článku z roku 1853, čoskoro získala zaujímavá ilustrácia vo vynikajúcej Feddersenovej fotografickej štúdii elektrickej iskry." Thomson ďalej poukazuje na to, že jeho teória „bola podrobená veľmi dôležitej a pozoruhodne vykonanej experimentálnej štúdii v laboratóriu Helmholtz v Berlíne“, pričom odkazuje na prácu N. N. Schillera z roku 1874 „Niektoré experimentálne štúdie elektrické vibrácie“. Thomson poznamenáva, že okrem iných „významných výsledkov“ tejto štúdie „špecifické indukčné kapacity (t. j. permitivity) určitých pevných izolačných látok boli určené z meraní periód pozorovaných oscilácií“.

Takže na začiatku Hertzovho výskumu boli elektrické oscilácie študované teoreticky aj experimentálne. Hertz, ktorý venoval tomuto predmetu veľkú pozornosť, keď pracoval na Vyššej technickej škole v Karlsruhe, našiel v kancelárii fyziky pár indukčných cievok určených na ukážky prednášok. „Zarazilo ma,“ napísal, „že na získanie iskier v jednom vinutí nebolo potrebné vybíjať veľké batérie cez druhé a navyše, že na to stačili malé Leydenské poháre a dokonca aj výboje malého indukčného zariadenia. , keby len výboj prerazil iskrisko.“ Pri experimentovaní s týmito cievkami prišiel Hertz s myšlienkou svojej prvej skúsenosti;

Hertz opísal experimentálne nastavenie a samotné experimenty v článku publikovanom v roku 1887 „O veľmi rýchlych elektrických osciláciách“. Hertz tu opisuje metódu generovania oscilácií "asi stokrát rýchlejších ako tie, ktoré pozoroval Feddersen." „Perióda týchto oscilácií,“ píše Hertz, „určená, samozrejme, len s pomocou teórie, sa meria v stomilióntininách sekundy. Preto z hľadiska trvania zaujímajú stredné miesto medzi zvukovými vibráciami ťažkých telies a svetelnými vibráciami éteru. Hertz však v tejto práci nehovorí o žiadnych elektromagnetických vlnách s dĺžkou okolo 3 m. Jediné, čo urobil, bolo zostrojenie generátora a prijímača elektrických kmitov štúdiom indukčného pôsobenia oscilačného obvodu generátora na oscilačný obvod prijímača s maximálnou vzdialenosťou medzi nimi 3 m.

Oscilačný obvod v záverečnom experimente tvorili vodiče C a C1, umiestnené vo vzdialenosti 3 m od seba, spojené medeným drôtom, v strede ktorého bolo iskrisko indukčnej cievky. Prijímač bol obdĺžnikový obvod so stranami 80 a 120 cm, s iskriskom na jednej z krátkych strán. Indukčné pôsobenie generátora na prijímač bolo v tomto intervale detekované slabou iskrou.

Ryža. 43. Hertzova skúsenosť

Potom Hertz vyrobil prijímací obvod vo forme dvoch guľôčok s priemerom 10 cm, spojených medeným drôtom, v strede ktorého bolo iskrisko. Pri opise výsledkov experimentu Hertz uzavrel: „Myslím si, že tu po prvý raz došlo k interakcii priamočiarych otvorených prúdov, ktoré majú napr. veľký význam pre teóriu. Ako vieme, boli to práve otvorené okruhy, ktoré umožnili vybrať si medzi konkurenčnými teóriami. Ani v tomto prvom diele, ani v troch nasledujúcich však Hertz nehovorí o Maxwellových elektromagnetických vlnách, ešte ich nevidí. Zatiaľ hovorí o „interakcii“ vodičov a túto interakciu počíta podľa teórie interakcie na veľké vzdialenosti. Vodiče, s ktorými Hertz tu pracuje, vstúpili do vedy pod názvom Hertzov vibrátor a rezonátor.Didič sa nazýva rezonátor, pretože je najsilnejšie vybudený vibráciami, ktoré rezonujú s jeho vlastnými vibráciami.

Vo svojej ďalšej práci „O vplyve ultrafialového svetla na elektrický výboj“, ktorá bola predložená „Protokolom Berlínskej akadémie vied“ 9. júna 1887, Hertz opisuje ním objavený dôležitý fenomén, ktorý neskôr nazval tzv. fotoelektrický efekt. Tento pozoruhodný objav bol urobený kvôli nedokonalosti Hertzovej metódy detekcie oscilácií: iskry excitované v prijímači boli také slabé, že sa Hertz rozhodol umiestniť prijímač do tmavého puzdra, aby uľahčil pozorovanie. Ukázalo sa však, že maximálna dĺžka iskry je v tomto prípade oveľa menšia ako v otvorenom okruhu. Postupným odstraňovaním stien puzdra si Hertz všimol, že stena smerujúca k iskre generátora má rušivý účinok. Pri starostlivom skúmaní tohto javu Hertz zistil príčinu, ktorá uľahčuje výboj iskry do prijímača - ultrafialovú žiaru generátorovej iskry. Čisto náhodou, ako sám Hertz píše, sa teda zistila dôležitá skutočnosť, ktorá nemala žiadnu priamu súvislosť s účelom štúdie. Táto skutočnosť okamžite pritiahla pozornosť mnohých výskumníkov, vrátane profesora Moskovskej univerzity A. G. Stoletova, ktorý obzvlášť starostlivo študoval nový efekt, ktorý nazval aktinoelektrický.

Skúsenosti s Hertz vibrátorom

A. G. STOLETOV. Alexander Grigorjevič Stoletov sa narodil 10. augusta 1839 vo Vladimíre v kupeckej rodine. Po absolvovaní gymnázia vo Vladimire Stoletov vstúpil na Fyzikálnu a matematickú fakultu Moskovskej univerzity a zostal tam, aby sa pripravil na vyučovanie. V rokoch 1862 až 1865 bol Stoletov na zahraničnej služobnej ceste, počas ktorej sa stretol s významnými nemeckými vedcami Kirchhoffom, Magnusom a ďalšími. V roku 1866 sa Stoletov stal univerzitným pedagógom a vyučoval kurz matematickej fyziky. V roku 1869 obhájil diplomovú prácu „Všeobecný problém elektrostatiky a jeho redukcia na najjednoduchší prípad“, po ktorej bol schválený ako odborný asistent na univerzite.

Po obhajobe doktorandskej dizertačnej práce v roku 1872 „Výskum funkcie magnetizácie mäkkého železa“ bol Stoletov schválený ako mimoriadny profesor na Moskovskej univerzite a zorganizoval fyzikálne laboratórium, ktoré vyškolilo mnoho ruských fyzikov. V tomto laboratóriu Stoletov začal svoj aktinoelektrický výskum v roku 1888. ( Bližšie informácie o laboratóriu A. G. Stoletova pozri VKN Teplyakov GM, Kudryavtsev P. S Alexander Grigorievich Stoletov. - M. - Osveta, 1966)

Hertz vo svojom článku o vplyve ultrafialového svetla na elektrický výboj poukázal na schopnosť ultrafialového žiarenia zväčšiť iskrisko tlmivky a podobných zvodičov. „Podmienky, za ktorých pôsobí pri takýchto výbojoch, sú, samozrejme, veľmi komplikované a bolo by žiadúce túto činnosť podrobnejšie preskúmať. jednoduché podmienky, najmä odstránením induktorov, “napísal Hertz. V poznámke poukázal na to, že nemôže nájsť podmienky, ktoré by mohli nahradiť „tak málo pochopený proces iskrového výboja jednoduchšou činnosťou“. Prvýkrát sa to podarilo až G. Galvaksovi (1859-1922). Ale Galvaks, rovnako ako Wiedemann a Ebert, skúmali, podobne ako Hertz, vplyv svetla na vysokonapäťové elektrické výboje.

Stoletov sa rozhodol preskúmať, či by takáto akcia bola možná s elektrinou slabého potenciálu. Stoletov poukázal na výhody tejto metódy a pokračoval: „Môj pokus bol úspešnejší, ako sa očakávalo. Prvé pokusy začali okolo 20. februára 1888 a pokračovali bez prerušenia ... až do 21. júna 1888. Stoletov nazval skúmaný jav aktinoelektrický a uvádza, že pokračoval v experimentoch v druhej polovici roku 1888 a v roku 1889 a stále ich nepovažuje za ukončené.

Na získanie fotoelektrického efektu (pojem, ktorý nahradil Stoletov), ​​použil Stoletov inštaláciu, ktorá je prototypom moderných fotobuniek. Dva kovové disky (Stoletov ich nazýval buď "armatúry" alebo "elektródy") - jeden vyrobený z kovovej siete a druhý pevný - boli pripojené k pólom galvanickej batérie cez galvanometer, čím sa vytvoril kondenzátor zahrnutý v obvode batérie. Pred sieťovým kotúčom bola umiestnená oblúková lampa, ktorej svetlo prechádzajúce sieťkou dopadalo na kovový kotúč.

„Už predbežné experimenty... ma presvedčili, že nielen batéria so 100 prvkami... ale aj oveľa menšia dáva nepochybný prúd v galvanometri pri osvetlení diskov, ak je pripojený iba pevný (zadný) disk. k jeho zápornému pólu a pletivo (predné) - s kladným.

Tak jednoducho a čisto bol reprodukovaný fenomén fotoelektrického prúdu. Bol to Stoletov, ktorý vyviedol tento jav zo zmätku zložitých vzťahov elektrického výboja, prišiel s jednoduchým dizajnom prvej fotobunky a položil tak základ pre plodné štúdium fotoelektrického javu. Stoletov prvýkrát jasne a jasne ukázal unipolaritu efektu: „Od samého začiatku môjho výskumu som kategoricky trval na dokonalej unipolarite aktinoelektrického pôsobenia, t.j. na necitlivosti. kladné náboje k lúčom. Dokázal tiež zotrvačnosť akcie: „Aktinoelektrický prúd sa zastaví okamžite (prakticky povedané), akonáhle sú lúče oneskorené obrazovkou“; ukázali, že fotoelektrický efekt je spojený „s absorpciou aktívnych lúčov“ osvetlenou elektródou: „Lúče musia byť absorbované negatívne nabitým povrchom. Je zrejmé, že dôležitá je absorpcia v najtenšej hornej vrstve elektródy, vo vrstve, kde takpovediac sedí elektrický náboj.

Skúmaním času, ktorý uplynul od rozsvietenia elektródy do objavenia sa fotoprúdu (bolo to veľmi ťažké a málo spoľahlivé), Stoletov zistil, že tento čas „je veľmi nevýznamný, inými slovami, pôsobenie lúčov možno považovať za prakticky povedané, okamžite." "Prakticky povedané, prúd sa objavuje a mizne súčasne s osvetlením." Stoletov tiež zistil, že závislosť fotoprúdu od napätia nie je lineárna; "Prúd je približne úmerný elektromotorickej sile len pri najmenších hodnotách. Táto druhá a potom, ako sa zvyšuje, síce tiež rastie, ale stále pomalšie."

Stoletov teda študoval fotoelektrický efekt veľmi starostlivo a podrobne. Jasne videl podstatu javu, ale pred objavom elektrónov, samozrejme, ešte nemohol odhaliť jeho skutočnú podstatu: vyťahovanie elektrónov svetlom. Je o to nápadnejšie, že hneď v prvom odseku svojich záverov píše: „Lúče voltaického oblúka dopadajúce na povrch negatívne nabitého telesa z neho odnášajú náboj.“

Stoletovovo meno právom patrí medzi priekopníkov fotoelektrického javu.

V roku 1890 Stoletov pokračoval vo výskume. Výsledky nového výskumu boli publikované v článku „Aktinoelektrické javy v riedených plynoch“. Stoletov tu skúmal úlohu tlaku plynu vo fotobunke. Zistil, že keď tlak plynu klesá, prúd narastá najskôr pomaly, potom rýchlejšie a dosahuje maximum pri určitom tlaku, ktorý Stoletov nazval kritickým a označil ho rt. Po dosiahnutí kritického tlaku prúd klesá a blíži sa ku konečnému limitu. Stoletov našiel zákon týkajúci sa kritického tlaku nabitia kondenzátora. "Kritický tlak je úmerný nabitiu kondenzátora, inými slovami, -^L-= konšt." Tento zákon vstúpil do fyziky výboja plynu pod názvom Stoletovov zákon.

Po aktinoelektrických štúdiách nasledovali články Stoletova diskutované vyššie o kritickom stave.

fyzické pole - je to špeciálna forma hmoty, ktorá existuje v každom bode priestoru, prejavujúca sa dopadom na látku, ktorá má vlastnosť súvisiacu s tou, ktorá toto pole vytvorila.

telo + náboj  lúka  telo + náboj

Napríklad v prípade vyžarovania jediného rádiového impulzu vo veľkej vzdialenosti medzi vysielacou a prijímacou anténou sa v určitom okamihu ukáže, že signál už vysielacia anténa vysielala, ale ešte nebol prijal prijímajúci. V dôsledku toho bude energia signálu v danom čase lokalizovaná v priestore. V tomto prípade je zrejmé, že nosičom energie nie je obvyklé hmotné prostredie, ale predstavuje inú fyzikálnu realitu, ktorá je tzv. lúka .

V správaní hmoty a poľa je zásadný rozdiel.

Hlavným rozdielom je tekutosť. Látka má vždy ostrú hranicu objemu, ktorý zaberá, a pole v podstate nemôže mať ostrú hranicu ( makroskopický prístup ), plynulo sa mení od bodu k bodu. V jednom bode priestoru môže byť nekonečné množstvo fyzikálnych polí, ktoré sa navzájom neovplyvňujú, čo sa o hmote povedať nedá. Pole a hmota môžu navzájom prenikať.

EMF a elektrický náboj sú základné pojmy súvisiace s fyzikálnymi javmi elektromagnetizmu.

EMF - ide o špeciálnu formu hmoty, prostredníctvom ktorej sa uskutočňuje interakcia medzi elektrickými nábojmi, ktoré sa líšia nepretržitý distribúcia v priestore (EMW, EMF nabitých častíc) a detekcia diskrétnosť štruktúry (fotóny), vyznačujúce sa schopnosťou šíriť sa vo vákuu rýchlosťou blízkou S, ktoré pôsobia silou na nabité častice v závislosti od ich rýchlosti .

EMF je možné plne opísať pomocou skalárnych a vektorových potenciálov, ktoré podľa teórie relativity tvoria v časopriestore jeden štvorrozmerný vektor, ktorého zložky sa transformujú pri prechode z jednej inerciálnej vzťažnej sústavy do druhej v v súlade s premenami G. Lorentza.

Nabíjačka – vlastnosť častíc látky alebo telies, ktorá charakterizuje ich vzťah s ich vlastným EMP a ich interakciu s vonkajším EMP; má dva druhy, známe ako kladný náboj (protónový náboj) a záporný náboj (elektrónový náboj); kvantitatívne určená silovou interakciou telies s elektrické náboje .

Idealizácia je vhodná pre analýzu EMF "bodový poplatok" je náboj koncentrovaný v bode. Najmenší náboj v prírode je náboj elektrónu. e email \u003d 1,60210 -19 C, preto náboje telies musia byť násobkom e email .

Často je však vhodné považovať náboj za kontinuálne rozložený (makroskopický prístup). Existuje pojem objemový (, C / m 3), povrchový (
, C/m 2) a lineárne ( , C/m) hustota náboja.

. (1.1)

. (1.2)

. (1.3)

EMP stacionárnych elektrických nábojov je neoddeliteľne spojené s časticami, ktoré ho vytvárajú, ale EMP nabitej častice pohybujúcej sa zrýchlenou rýchlosťou môže existovať nezávisle od hmoty vo forme EMW. .

EMW - EM oscilácie šíriace sa v priestore v čase s konečnou rýchlosťou.

Pri štúdiu EMP sa nachádzajú dve formy jeho prejavu - elektrické a magnetické polia, ktoré možno definovať nasledovne.

Elektrické pole - jeden z prejavov EMP, spôsobený elektrickými nábojmi a zmenou magnetického poľa, pôsobiaci silovým účinkom na nabité častice a telesá, zistený silovým účinkom na nehybný nabité telesá a častice.

Magnetické pole - jeden z prejavov EMP, v dôsledku elektrických nábojov sťahovanie nabité častice (a telesá) a zmena elektrického poľa, ktorá má silový vplyv na sťahovanie nabité častice, detekované silovým pôsobením smerujúcim normálne k smeru pohybu týchto častíc a úmerné ich rýchlosti .

Rozdelenie EMF na elektrické a magnetické polia je relatívne, pretože závisí od výberu inerciálneho referenčného rámca, v ktorom sa EMF študuje. Napríklad, ak určitý systém pozostáva z elektrických nábojov v pokoji, potom pri štúdiu EMF v tomto systéme sa zistí prítomnosť elektrického poľa a neprítomnosť magnetického poľa. Ak sa však voči tomuto systému pohybuje iný súradnicový systém, potom bude magnetické pole detekované aj v druhom systéme.

Hlavné charakteristiky EMF zvážiť (intenzita elektrického poľa ) a (magnetická indukcia ), ktoré popisujú prejav mechanických síl v EMP a možno ich priamo merať. Intenzitu elektrického poľa možno definovať ako silu pôsobiacu na bodový náboj známej veľkosti ( sila Sh. Coulomba ):

. (1.4)

Magnetická indukcia sa určuje z hľadiska sily pôsobiacej na bodový náboj q známa hodnota, sťahovanie v magnetickom poli pri rýchlosti , (sila G. Lorentza )
:

. (1.5)

Pomocné charakteristiky EMF sú (elektrická indukcia alebo elektrický posun ) a (intenzita magnetickej zložky EMP ). Názvy charakteristík EMF nie sú nespochybniteľné, no vyvíjali sa historicky. Jednotky merania hlavných charakteristík EMF sú uvedené na strane 3. Budeme používať Medzinárodná sústava jednotiek SI , najvýhodnejšie pre praktické aplikácie.

Spojenie medzi hlavnými a pomocnými charakteristikami sa vykonáva pomocou materiálové rovnice :

. (1.6)

. (1.7)

Vo väčšine prostredí, vektory a , Páči sa mi to a ,kolineárne (Príloha 1). Ale v prípade gyroelektrických (feroelektriká) a gyromagnetických (feromagnetík) médií  a  stať sa tenzor množstvá a vektory špecifikované v pároch môžu stratiť svoju kolinearitu.

Hodnota
volal magnetický tok .

Hodnota  -vodivosť životné prostredie. S touto hodnotou na mysli sa môžeme spojiť hustota vodivého prúdu (j atď ) a sila poľa:

. (1.8)

Rovnica (1.8) je diferenciálna forma G. Ohmov zákon pre reťazovú časť.

Polia sú rozdelené na skalárne , vektor a tenzor .

Skalárne pole - ide o určitú skalárnu funkciu s definičným oborom súvisle rozmiestneným v každom bode v priestore (obr. 1.1). Skalárne pole je charakterizované rovný povrch (napríklad na obr. 1.1 - ekvipotenciál čiary), ktorý je daný rovnicou:
.

vektorové pole je spojitá vektorová veličina daná v každom bode priestoru s doménou definície (obr. 1.2) Hlavnou charakteristikou tohto poľa je vektorová čiara , v každom bode ktorej vektor pole smeruje tangenciálne. fyzický záznam siločiary :
.

Tenzorové pole je spojitá tenzorová veličina rozložená v priestore. Napríklad pre anizotropné dielektrikum sa jeho relatívna permitivita stáva tenzorovou veličinou:
.

Pri štúdiu elektromagnetickej indukcie sme videli, že pri zvažovaní tohto javu v určitej inerciálnej referenčnej sústave sú možné dva rôzne dôvody pre vznik indukčného prúdu. V laboratórnom referenčnom rámci je príčinou EMF buď vzhľad vírivého elektrického poľa, alebo pôsobenie Lorentzovej sily na elektrické náboje pohybujúce sa spolu s vodičom zo strany magnetického poľa. Pri analýze výskytu indukčného EMF v dôsledku Lorentzovej sily v experimente s kovovým rámom pohybujúcim sa v magnetickom poli (pozri obr. 113) však môžeme uvažovať inak.

Relatívny charakter elektrických a magnetických polí.

Prejdime na referenčný rámec spojený s pohyblivým rámcom. V ňom sú náboje nehybné a teda zo strany magnetu

poľné sily na ne nepôsobia. Presne povedané, v prítomnosti prúdu sa náboje pohybujú pozdĺž vodiča driftovou rýchlosťou a (pozri obr. 114) av magnetickom poli sú ovplyvnené Lorentzovou silou. Je však nasmerovaný cez vodič a nemôže vysvetliť výskyt EMF.

Ako vysvetliť výskyt indukčného EMF v tomto referenčnom rámci? Jediné, čo treba predpokladať, je prítomnosť elektrického poľa nasmerovaného kolmo na magnetické pole pozdĺž strany rámu v tomto rámci, ktoré nebolo prítomné v pôvodnej referenčnej sústave. V každom inerciálnom referenčnom systéme v jednotkách SI je sila pôsobiaca na náboj určená vzorcom (5) § 17:

Pretože v referenčnom rámci spojenom s rámcom, sila môže byť spôsobená iba elektrickým poľom E existujúcim v tomto rámci.

Elektrické a magnetické polia v rôznych systémov odkaz. Dostávame sa teda k záveru o relatívnej povahe elektrických a magnetických polí. Podľa princípu relativity sú všetky inerciálne vzťažné sústavy rovnaké. To platí nielen pre mechanické javy, ale aj pre javy akejkoľvek povahy, vrátane elektromagnetických.

Ryža. 125. K vysvetleniu výskytu emf indukcie v rôznych referenčných rámcoch

V tu diskutovanom experimente je pozorovanou veličinou indukčné emf v rámci a existuje bez ohľadu na to, v ktorom inerciálnom rámci sa tento experiment zvažuje.

Ako sme videli, v jednom referenčnom rámci, kde nie je elektrické pole, sa existencia EMF vysvetľuje Lorentzovou silou (obr. 125a), zatiaľ čo v druhom, kde je rámec nehybný, iba prítomnosťou elektrické pole (obr. 1256). Pri nízkych rýchlostiach, keď je možné zanedbať zmenu sily pri prechode z jednej vzťažnej sústavy do druhej, zo vzorca (1) vyplýva, že intenzita elektrického poľa E v sústave, kde je sústava

pevné, musí byť

Pohybujúci sa magnet teda okrem magnetického vytvára aj elektrické pole.

Venujme pozornosť skutočnosti, že relatívnu povahu elektrických a magnetických polí sme si mohli všimnúť už predtým. V skutočnosti stacionárny náboj vytvára iba elektrické pole. Avšak náboj, ktorý je stacionárny v ktorejkoľvek referenčnej sústave, sa pohybuje vzhľadom na ostatné referenčné sústavy. Takýto pohyblivý náboj je ako elektrický prúd a preto vytvára magnetické pole. Ak teda v akomkoľvek referenčnom rámci existuje iba elektrické pole, potom v akomkoľvek inom rámci bude tiež magnetické pole.

Získame vzorec pre indukciu magnetického poľa v tomto prípade, podobný vzorcu (2). Uvažujme referenčnú sústavu pohybujúcu sa rýchlosťou vzhľadom na náboj. V tejto vzťažnej sústave sa náboj pohybuje rýchlosťou. Magnetické pole, ktoré vytvára podľa vzorca (16) § 15, je dané výrazom

Ale v tom istom bode náboj vytvára elektrické pole E rovné

Porovnaním vzorcov (3) a (4) vidíme, že magnetické pole vytvorené nábojom pohybujúcim sa rýchlosťou -V súvisí s elektrickým poľom E vytvoreným rovnakým nábojom v referenčnej sústave, kde je stacionárne vzťahom

Tento vzorec, získaný pre bodový náboj, platí aj pre pole vytvorené akýmkoľvek rozdelením poplatkov.

Ak teda v niektorej vzťažnej sústave existuje iba elektrické pole E, potom v inej vzťažnej sústave, ktorá sa pohybuje rýchlosťou oproti pôvodnej, je aj magnetické pole B, ktoré sa vypočíta podľa vzorca (5).

Invarianty elektromagnetického poľa. Vzorce (2) a (5) sú špeciálnymi prípadmi transformácií poľa pri prechode z jednej inerciálnej vzťažnej sústavy do druhej. Sú platné pri nízkej relatívnej rýchlosti referenčných systémov (). Vo všeobecnom prípade, keď je v počiatočnom referenčnom rámci elektrické aj magnetické pole, nerelativistické konverzné vzorce v SI majú tvar

Neskôr uvidíme, že kde c je rýchlosť svetla vo vákuu.

Vzorce na transformáciu elektrických a magnetických polí pri relatívnej rýchlosti referenčných systémov porovnateľnej s rýchlosťou svetla sú ťažkopádnejšie ako (6). Vždy však pri prechode z jednej inerciálnej vzťažnej sústavy do druhej sú invariantné, teda nemenia svoju hodnotu kombinácie vektorov E a B. Existujú len dve nezávislé kombinácie - to je skalárny súčin týchto vektorov a ich rozdiel v štvorcoch:

Vzorce (7) a (8) nám umožňujú vyvodiť množstvo dôležitých záverov o vlastnostiach elektromagnetického poľa. Ak sú v akejkoľvek inerciálnej vzťažnej sústave elektrické a magnetické polia navzájom kolmé, potom, ako je zrejmé z (7), budú navzájom kolmé v akejkoľvek inej sústave. Pre takéto vzájomne ortogonálne polia možno nájsť taký referenčný rámec, v ktorom buď alebo v závislosti od toho, či je invariant (8) pozitívny alebo negatívny.

Z relatívnej povahy elektrických a magnetických polí prirodzene vyplýva, že pri štúdiu elektrických a magnetických javov má zmysel uvažovať tieto polia spolu, ako jediné elektromagnetické pole. Pri prechode z jednej referenčnej sústavy do druhej je elektrické pole v jednej sústave, ako sme videli, vyjadrené ako v elektrickom poli, tak v zmysle magnetického poľa v druhej sústave a naopak. Preto je prirodzené očakávať, že medzi elektrickými a magnetickými javmi existuje určitá symetria. Zmena magnetického poľa vytvára vírivé elektrické pole. Ukazuje sa, že to platí aj naopak: časovo premenné elektrické pole vytvára magnetické pole.

Meniace sa elektrické pole ako zdroj magnetického poľa. K tomuto záveru možno dospieť analýzou nám už známych experimentálnych faktov a fyzikálnych zákonov, ktoré ich opisujú. Uvažujme o úseku elektrického obvodu, ktorý obsahuje dlhý rovný drôt a plochý kondenzátor (obr. 126a). Budeme predpokladať, že po určitú dostatočne malú dobu je prúd v tomto obvode rovný I. Tento prúd je spojený so zmenou náboja kondenzátora vzťahom

Uvažujme kruhový obvod I obklopujúci vodič, ako je znázornené na obr. 126a. Prúd vytvára magnetické pole, preto podľa vety o obehu vektora indukcie magnetického poľa máme

Na pravej strane (9) je náboj pretínajúci povrch ohraničený obrysom I za jednotku času. Teraz natiahneme povrch ohraničený obrysom I tak, aby bez kríženia vodičov s prúdom prechádzal v medzere medzi doskami kondenzátora (S na obr. 126b). V tomto prípade žiadne náboje neprechádzajú cez prolátový povrch ohraničený obrysom a v tomto zmysle je prúd I v (9) rovný nule. Ale magnetické pole okolo drôtu, v mieste, kde sa nachádza obrys, nemôže zmiznúť a ľavá strana (9) nemení svoju hodnotu, keď sa povrch deformuje. Dostávame sa k rozporu: ľavá strana (9) je nenulová, zatiaľ čo pravá strana sa rovná nule. To znamená, že vo vzorci (9) niečo chýba. Je prirodzené očakávať, že v skutočnosti by na pravej strane tohto vzorca mal byť ešte jeden člen, ktorý sa rovná nule, ak povrch stiahnutý obrysom pretína drôt.

Ryža. 126. Cirkulácia vektora magnetickej indukcie nezávisí od toho, či povrch, ktorý zmršťuje, prechádza drôtom s prúdom (a) alebo prechádza medzi doskami kondenzátora (b).

Ako uhádnuť typ tohto člena? Keďže ľavá strana vzorca (9) sa pri povrchovej deformácii nezmenila, pokúsime sa namiesto I nahradiť na pravej strane vzorca (9) rýchlosť zmeny náboja, ktorá sa mu rovná na doskách kondenzátora a pokúsime sa interpretovať túto hodnotu aby to dávalo zmysel v oblasti, kde nie sú žiadne pohyblivé náboje. Pretože náboj kondenzátora sa rovná súčinu hustoty povrchového náboja a a plochy dosky, potom pri konštantných rozmeroch a tvare kondenzátora Vyjadrenie hustoty povrchového náboja z hľadiska intenzity elektrického poľa medzi doskami , prepíšeme (9) do tvaru

Na rozdiel od prúdu I sa hodnota v medzere medzi doskami kondenzátora nerovná nule. Pretože súčin predstavuje tok intenzity elektrického poľa E cez povrch ohraničený obrysom, potom na pravej strane (10) je hodnota úmerná rýchlosti zmeny toku intenzity elektrického poľa:

Zovšeobecnenie vety o cirkulácii magnetického poľa. Ak teraz namiesto (9) a (11) napíšeme vzorec

potom bude platiť vždy, bez ohľadu na to, kadiaľ prechádza plocha ohraničená obrysom I. Ak plocha pretína drôt, tak druhý člen na pravej strane (12) je prakticky nulový a vraciame sa k vete o cirkulácii magnetického poľa ( 9). Ak povrch prechádza vnútri kondenzátora, potom prvý člen na pravej strane neprispieva, ale ako sme videli, situáciu zachraňuje druhý člen.

Vzniká otázka: je pridaný druhý člen na pravej strane (12) čisto formálny, potrebný len na to, aby vzorec platil pre akúkoľvek plochu ohraničenú daným obrysom, alebo má fyzikálny význam a zodpovedá skutočnosti, magnetické pole je excitované meniacim sa elektrickým poľom ?

Ryža. 127. Zmena elektrického poľa vedie k vzniku magnetického poľa

Odpoveď na túto otázku možno získať, ak vezmeme do úvahy mierne upravený experiment (obr. 127), kde je obvod I umiestnený celý vo vnútri veľkého kondenzátora, ktorého vzdialenosť medzi doskami je v porovnaní s rozmermi obvodu veľká. Skúsenosti ukazujú, že vo vnútri kondenzátora je magnetické pole; je však zrejmé, že toto pole nemôžu vytvoriť vodiče s prúdom umiestnené ďaleko, preto magnetické pole v tomto prípade vzniká zmenou elektrického poľa. Cirkulácia indukcie tohto magnetického poľa pozdĺž obrysu je určená rýchlosťou zmeny toku intenzity elektrického poľa cez povrch ohraničený týmto obrysom.

predpätý prúd. Hodnota sa nazýva posuvný prúd, pretože je rovnako ako vodivý prúd zdrojom magnetického poľa. Pojem "posunutie" je z historických dôvodov a súvisí s mechanickým modelom elektrického poľa, ktorý stratil svoj význam. Treba poznamenať, že posuvný prúd je ekvivalentný vodivému prúdu iba z hľadiska schopnosti vytvárať magnetické pole. Napríklad v prítomnosti predpätia sa neuvoľňuje žiadne Joulovo teplo.

Výtlačný prúd prvýkrát predpovedal Maxwell na základe teoretickej analýzy experimentálne stanovených zákonov elektromagnetizmu, ktoré boli v tom čase známe. Maxwell ukázal

že jednotný konzistentný obraz elektromagnetických javov v súlade so zákonom zachovania elektrického náboja možno vytvoriť len vtedy, ak sa predpokladá, že meniace sa elektrické pole je schopné vytvoriť magnetické pole. Z ním napísanej sústavy rovníc elektromagnetického poľa vyplývajú ako všetky experimentálne zákony elektromagnetizmu, tak aj existencia posuvného prúdu.

Maxwellove rovnice. Maxwellov systém rovníc obsahuje štyri základné zákony elektromagnetizmu. Prvým zákonom je Gaussova veta týkajúca sa toku intenzity elektrického poľa cez uzavretý povrch k celkovému náboju vo vnútri tohto povrchu. V prípade pevných nábojov poskytuje Gaussova veta inú matematickú formuláciu experimentálneho Coulombovho zákona. Vzťah stanovený Gaussovou vetou medzi tokom intenzity elektrického poľa uzavretým povrchom a celkovým nábojom vo vnútri povrchu platí pre pohyb nábojov a povrchu ako celku alebo jeho jednotlivých častí (tj počas deformácie povrchu). povrch).

Druhým zákonom je Gaussova veta pre magnetické pole, podľa ktorej je tok vektora magnetickej indukcie cez akýkoľvek uzavretý povrch nulový. Táto veta odráža vírovú povahu magnetického poľa a absenciu magnetických nábojov v prírode.

Tretím zákonom je Faradayov zákon elektromagnetickej indukcie, podľa ktorého meniace sa magnetické pole generuje vírivé elektrické pole.

Štvrtý zákon je zovšeobecnením Biot-Savart-Laplaceovho zákona. Magnetické pole môže byť vytvorené tak pohybom elektrických nábojov, t.j. vodivých prúdov, ako aj meniacim sa elektrickým poľom, t.j. posuvnými prúdmi.

Rozborom systému rovníc elektromagnetického poľa Maxwell dospel k záveru, že tieto rovnice umožňujú existenciu vzájomne prepojených elektrických a magnetických polí šíriacich sa v priestore rýchlosťou svetla – elektromagnetických vĺn, ktoré neskôr experimentálne objavil Hertz.

Gaussova sústava jednotiek. Pri teoretickom popise elektromagnetického poľa je najjednoduchší a najprirodzenejší takzvaný Gaussov systém jednotiek, ktorý sa pre elektrické veličiny zhoduje s absolútnym elektrostatickým systémom CGSE. Jednotky magnetických veličín sú v Gaussovom systéme zavedené nasledovne.

Budeme vychádzať z výrazu pre magnetickú indukciu poľa vytvoreného nekonečným priamočiarym prúdom:

Magnetické pole môžete zistiť jeho účinkom na iný vodič s prúdom. Ak je tento vodič umiestnený rovnobežne s vodičom, ktorý vytvára magnetické pole, potom sila, ktorá naň pôsobí, bude podľa Ampérovho zákona úmerná indukcii magnetického poľa B, sile prúdu v ňom a jeho dĺžke.

Pripomeňme, že v jednotkách SI sa koeficient k vo vzorci (14) rovná jednote v súlade s definíciou indukcie magnetického poľa B prostredníctvom momentu síl pôsobiacich na slučku s prúdom. Vo vzorci (13) alebo v Biot-Savart-Laplaceovom zákone, z ktorého vyplýva, sa koeficient k zapíše v tvare a jeho hodnota (alebo hodnota magnetickej konštanty sa získa z definície ampéra cez silu interakcie dvoch paralelných prúdov.

V Gaussovej sústave jednotiek sú koeficienty zavedené inak.

Koeficient k vo vzorci (13) je možné zvoliť ľubovoľne, pretože jednotka indukcie poľa B ešte nebola stanovená. Ale po výbere tohto koeficientu k v (13) (tým je zvolená aj jednotka indukcie B), koeficient k vo vzorci (14) už nie je možné voliť ľubovoľne, ale treba ho určiť z experimentu. Samozrejme, môžete urobiť opak: použite rovnicu (14) na zavedenie jednotky indukcie poľa za predpokladu, že koeficient k v (13) bude určený experimentálne. V Gaussovej sústave postupujte nasledovne. Koeficient k vo vzorci (13) je zvolený tak, aby sa rovnal koeficientu k vo vzorci (14).

Elektrodynamická konštanta. Ak do vzorca (14) dosadíme indukciu B z (13), potom pre silu interakcie dvoch paralelných vodičov s prúdmi I a umiestnených vo vzájomnej vzdialenosti dostaneme nasledujúci výraz:

Na základe posledného vzorca je stanovená jednotka indukcie magnetického poľa, gauss. Jeden gauss je indukcia takého poľa, ktoré pôsobí na 1 cm vodiča prúdom jedného CGSE - jednotka so silou, ktorá sa číselne rovná dyne, ak je vodič umiestnený kolmo na čiary indukcie magnetického poľa.

Zdôrazňujeme, že číselná hodnota magnetickej konštanty je získaná ako priamy dôsledok definície ampéra a nie je stanovená experimentálne, na rozdiel od koeficientu v Gaussovom systéme. Deje sa tak preto, lebo v sústave SI je počet základných jednotiek väčší ako v sústave Gaussovej a jednotka sily prúdu je hlavná (ľubovoľne zvolená), zatiaľ čo v sústave Gaussova je táto jednotka odvodená.

Základné vzorce v Gaussovom systéme. Z druhého vzorca (16), ktorý vyjadruje Amperov zákon, vyplýva, že v Gaussovej sústave jednotiek má výraz pre Lorentzovu silu tvar:

Odtiaľto (ako aj z prvého vzorca vyplýva, že v Gaussovom systéme sú rozmery intenzity elektrického poľa a indukcie magnetického poľa rovnaké. Táto zhoda rozmerov nie je náhodná: ako sme videli, pri prechode z jednej referencie sústavy na inú, dochádza k čiastočnej vzájomnej premene elektrického a magnetického poľa.Táto vlastnosť elektromagnetického poľa je najprirodzenejšie vyjadrená práve v Gaussovej sústave jednotiek, kde sa fyzikálne veličiny E a B, ktoré sa navzájom menia, merajú v jednotkách rovnakej dimenzie (aj keď sa tieto jednotky nazývajú odlišne: jednotka intenzity elektrického poľa nemá žiadny špeciálny názov a jednotka magnetického poľa sa nazýva gauss).

Uvedená vlastnosť sa prejavuje vo vzorcoch na transformáciu polí pri prechode z jednej inerciálnej vzťažnej sústavy do druhej. Namiesto (6) v Gaussovom systéme máme

V týchto vzorcoch sa zreteľne objavuje rovnaký rozmer výrazov na pravej strane.

V Gaussovom systéme jednotiek majú výrazy pre invarianty elektromagnetického poľa tiež symetrickejšiu formu:

Stručne vysvetlite, prečo pri prechode z referenčného rámca, kde je iba elektrické pole, do iného rámca, bude mať tento tiež magnetické pole a naopak.

Prečo sú elektrické a magnetické polia, ktoré sú navzájom kolmé v akejkoľvek referenčnej sústave, vzájomne kolmé v akejkoľvek inej referenčnej sústave?

Ako vysvetliť, že magnetické pole nevzniká len pohybom nábojov, ale aj elektrickým poľom, ktoré sa mení s časom?

Aké sú podobnosti a rozdiely medzi vodivým prúdom a posuvným prúdom?

Dva elektróny vo vákuu sa navzájom odpudzujú, pretože majú rovnaký náboj. Keď sa pohybujú paralelne, pôsobí medzi nimi príťažlivá sila, ako medzi paralelnými prúdmi. Existuje rýchlosť, ktorou táto atrakcia prekoná ich Coulombovu odpudivosť?

Aké experimentálne zákony elektromagnetických javov tvorili základ Maxwellovho systému rovníc?

Ako sú koeficienty zavedené v Ampérovom a Biot-Savart-Laplaceovom zákone v Gaussovom systéme jednotiek?

Ako sa určuje jednotka indukcie magnetického poľa v Gaussovej sústave jednotiek?

Ukážte, že v Gaussovej sústave jednotiek majú sila elektrického poľa a indukcia magnetického poľa rovnaký rozmer.

Vysvetlite, prečo je hodnota elektrickej konštanty v Gaussovej sústave jednotiek stanovená skúsenosťou, zatiaľ čo hodnota magnetickej konštanty v SI sa jednoducho vypočíta. Na čom je založená?