Вопрос 9

ОТКРЫТИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОВ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА

Систематические исследования электрических явлений были начаты Уильямом Гильбертом в самом конце XVI в. и продолжены О.Герике, Р.Гуком, И.Ньютоном, Р. Бойлем. Именно Гильберту принадлежит термин «электричество» (от греческого названия янтаря). С помощью прибора «версор» — прототипа современных электро­скопов — Гильберт, исследуя электрические свойства тел, разделил последние на электрические и неэлектрические. Доктор Уолл впервые увидел электри­ческую искру от большого наэлектризованного куска янтаря, — она проскочила ему в палец, затем искру в других условиях наблюдал Френсис Гауксби и Ньютон, кото­рому эта искра напомнила молнию. Опытами по электричеству активно занимались члены Лондонского Королевского Общества. Так, Френсис Гауксби сконструировал первую стеклянную электрическую машину. Он же обнаружил отталкивание наэлектризован­ных предметов. Член ЛКО Стефен Грей открыл яв­ление электропроводимости и обнаружил, что для сохранения электричества нужно изолировать тело. Именно Грей проводил опыты с электризацией человеческого тела: он наэлектризовал ребенка, подвесив его на шнурах из волос. Он же первым разделил все тела на проводники и непроводники электричества.Французский естествоиспытатель Шарль Франсуа Дюфэ открыл, что электричество может быть двоякого рода - «стеклянным» и «смоляным». Он установил закон, по которому наэлектризованные стеклянным электричеством предметы отталкиваются друг от друга, но при­тягиваются к наэлектризованным смоляным электричеством. Он, кстати, впервые высказал мысль об электрической природе молнии и грома.Любитель физики из США Бенжамен Франклин провел многочисленные эксперименты по изучению электрических явлений, в том числе грозы (его опыт со змеем, запущенным в грозовую тучу). Он же создал первый в истории плоский конденсатор. Эти опыты в частности, убе­дили Б. Франклина в электрической природе молнии, а в практиче­ском плане привели к изобретению молниеотвода (громоотвода).Очень важно теоретическое осмысление многочисленных опытов по электричеству. В основе первой «унитарной теории», разработанной самим Б.Франклином, лежало существование некой жидкой «электрической субстанции», состоящей из очень малых частиц и способной проникать внутрь материи, не встречая сопротивления. Обыкновенная материя в этом случае представляет собой своеобразную «губку» для электрической жидкости, частицы электрической субстанции отталкиваются друг от друга. Б.Франклин предполагал, что в природе соблюдается закон сохранения количества субстанции, т.е., по существу, закон сохранения заряда. Движением «электрической субстанции» он объяснял все известные опыты с электричеством.Новый период изучения электричества наступил тогда, когда начались исследования сил, действующих между наэлектризован­ными телами; при этом микроскопические явления в расчет не принимались. Он неминуе­мо должен был привести к открытию закона, который мы теперь связываем с именем Шарля Кулона.Английский естествоиспытатель Дж. Пристли высказал предположение о взаимодействии электрических зарядов, которое мы теперь называем законом Кулона. Экспериментально показал, что сила взаимодействия зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, английский ученый Генри Кавендиш. Шарль Огюстен Кулон- французский военный инженер-долгое время занимался исследованиями кручения нитей. Кулон сконструировал чувствительный прибор-крутильные весы, действие которых было основано на открытом им законе. С помощью этого устройства и был установлен закон взаимодействия электрических, а также магнитных зарядов. Прибор Кулона представлял собой стеклянный цилиндр со шкалой по окружности. В центральное отверстие была пропущена серебряная нить с прикрепленным к ней коромыслом из изолятора, шариком из бузины и противовесом. В боковое отверстие про­пускался стержень с таким же точно шариком, но уже наэлектризованным. Не умея измерять величину заряда, Кулон обеспечивал, таким образом, в каждом эксперименте равенство взаимодействующих зарядов. Для этого шарики сначала приводились в соприкосновение, а затем разводились. При этом первоначальный заряд делился между ними поровну.Кулон опуб­ликовал экспериментально установленный им основной закон электростатики: сила взаимодействия электрических зарядов про­порциональна величине каждого из них и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. Через три года ученый распространил этот закон на взаимодействие точечных магнитных полюсов.

Дальнейшее развитие науки об электричестве связано с возникновением электроди­намики. Первые работы в этом на­правлении связаны с именами Луиджи Гальвани (итальянского ученого) и другого итальянца — Алессандро Вольта - изобретателя первого источника электрического тока. Эти и другие открытия подготовили физику к пе­реходу от электростатики к электро­магнетизму. Ханс Кристиан Эрстед родился в Копенгаге­не, учился там в университете, в 20 лет имел диплом фармацевта, в 22 — стал доктором философии. Позднее — профессор того же университета. Эрстед сообщает об обнаружении им магнитного поля электри­ческого тока. Это открытие обессмертило его имя и вызвало целую лавину исследований. И. Погндорф, Ж. Б. Био, Ф. Савар, С.Лаплас и др. открыли множество новых фактов и установили закон взаимодействия между элементами тока и намагниченной точкой. Они привели науку на порог нового раздела физики — электродинамики.Создание электродинамики — вершина научного творчества Ампера. Ампер вводит понятия «электрический ток», «электрическое напряжение», «электрическая цепь», устанавливает направление тока в электрической цепи. Он же предлагает термин «гальванометр».Ампер впервые установил механическое действие тока. Ампер ввел представление о магните как о «совокупности электрических токов», пришел к выводу об эквивалентности магнита и соленоида. Это привело его к мысли об отсутствии магнитной жидкости и о возможности свести все явления магнетизма к электро­динамическим взаимодействиям.Формула Ампера, описывающая взаимодействие элементов тока, кладет начало ряду элементарных законов элект­родинамики.

Открытие элект­родинамики привлекло к нему множество исследователей. Из открытий этого времени следует назвать работы немецкого ученого Т. И. Зеебека, изучавшего термо­электричество, исследования профессора из Мюнхена Г. С. Ома, установившего законы электрической цепи, связы­вающие ток и напряжение, русского физика Э.Х. Ленца, работавшего в области электромагнетизма и открывшего ряд законов, ставших хрестоматийными, изобретателя электро­магнита американца Дж. Генри. Однако все-таки са­мые важные открытия в этой области были сделаны Майклом Фарадеем, который начал свои физические исследования с явлений электролиза. В декабре 1821 г. заработал первый в истории электродвигатель. Фарадей, фактически, пришел к идее электромагнитного поля и его рас­пространения с конечной скоростью.Фарадеем введены термины «анод», «катод», «электролиз», «электромагнит» и т.п. Фарадей устанавливает законы электро­лиза (они теперь носят его имя). Главным достижением этой части исследовании Фарадея является его идея о дискретности электри­ческого заряда. Также Фарадей подробно исследует диэлектрики. Здесь он вводит новую величину - удельную индукцию, или удельную индуктивную способность (сейчас мы ее называем диэлектрической проницаемостью). Здесь же Майкл Фарадей описы­вает разные формы разряда в газах. Обнаруженное им темное про­странство, разделяющее области свечения у катода и анода, ныне называют фарадеевым.Им приведена законченная качественная формулировка закона сохранения и превращения энергии, описан эффект вращения плос­кости поляризации, который сейчас носит наименование эффек­та Фарадея.Еще более значимо то, что он пришел к фунда­ментально новой идее — идее поля. Фарадей разработал методику исследования магнитного поля с помощью гальванометра. Он же ввел метод изображения магнитного поля с помощью силовых линий.

Биографии первооткрывателей законов электромагнетизма

Бенджамен Франклин — американский физик и общественный деятель. Большую часть жизни занимал целый ряд выборных должностей, стал основателем Пенсильванского университета, публичной библиотеки, Филадельфийского философского общества. Научные работы Б.Франклина посвящены изучению электри­ческих явлений. Он осуществил ряд экспериментов. В частности, построил первый плоский конденсатор, доказал электрическую природу молнии. Как теоретик Франклин построил унитарную теорию электрических явлений, в рамках которой электричество представляет собой особую жидкость, пронизывающую все тела. В унитарной теории содержалось понятие о положительном и отрицательном электричестве, а также закон сохранения электрического заряда.

Георг Вильгельм Рихман — русский физик. Родился в Пярну (тогда он назывался Пернов), учился в университетах Лейдена и Иены, затем работал в Петер­бургской академии наук, являясь ее профессором. Основным дости­жением Рихмана было создание «электростатического ука­зателя», с помощью которого он пытался подвергнуть электри­ческие явления количественному анализу. Рихман исследовал атмосферное электричество.

Генри Кавендиш — английский физик. Родился в Ницце, окончил Кем­бриджский университет. Кавендиш открыл закон взаимодействия электрических зарядов. В других исследованиях по электричеству Г. Кавендиш установил влияние среды на емкость конденсатора и определил диэлектри­ческую проницаемость ряда веществ.В историю физики Генри Кавендиш вошел как человек, «взве­сивший» земной шар, он провел знаменитые опыты с крутильными весами, которые позволили подтвердить закон все­мирного тяготения и определить величину гравитационной постоянной.

Шарль Огюстен Кулон — французский физик и военный инженер. Родил­ся в Ангулеме, окончил школу во­енных инженеров и всю жизнь на­ходился на военной службе. Исследуя процессы кручения нитей, он открыл очень чувствительный метод измерения силы. На этой основе были созданы крутильные весы, послужившие основным устрой­ством для измерения сил, возника­ющих при взаимодействии электри­ческих зарядов и точечных магнитных полюсов. Эти измерения легли в основу фундаментального закона электростатики — закона Кулона. Шарль Кулон — основатель электро- и магнитостатики.

Андре Мари Ампер — французский физик. Родился в Лионе. Получил домашнее образо­вание. A.M.Ампер становится препо­давателем, затем профессором политехнической школы и академиком.

Научные интересы Ампера: от оптики до ботаники, от химии до сравнительной зоологии живых организмов. Однако главные достижения Ампера — работы по электродинамике.

Майкл Фарадей — английский физик. После окончания начальной школы поступил в ученики к переплетчику. Здесь он восполнял чтением недостатки образования, посещал популярные лекции по физике и химии, которые читал известный химик и физик Гемфри Дэви. Физические исследования Фара­дея посвящены электромагнетизму. Первые достижения ученого — от­крытие законов электролиза. Вско­ре его заинтересовало магнитное поле вокруг тока, которое может дать возможность механического вращения. Затем Фарадей поставил перед собой задачу превратить маг­нетизм в электричество. Это приве­ло к открытию явления электромагнитной индукции. Самым важ­ным следует считать введение им понятия поля.