Вопрос 10

ДЖ. К. МАКСВЕЛЛ,ЕГО ЭЛ/МАГН. ТЕОРИЯ

В нача­ле 70-х гг. XIX столетия электричество начало завоевывать все новые позиции в технике. Заработал электромагнитный телеграф, со­единяющий Европу с США, Индией и Южной Америкой, появились пер­вые генераторы электрического тока и электродвигатели, электричество начало широко использоваться в хи­мии. Электромагнитные процессы все глубже исследовались наукой.Джеймс Клерк Мак­свелл родился в 1831 г. в Эдинбурге и с раннего детства проявил способности естествоиспытателя. Мак­свелл учился в Эдинбургской академии, где он увлекся геометрией и в 15 лет опубликовал свою первую научную работу. В 1847 г. Максвелл поступил в Эдинбургский университет, где увлекся физикой и в 1850 г. им обосновы­вается известная теперь в теории упругости теорема Максвелла.В том же году Дж. К. Максвелл перевелся в Тринити-колледж, где стал бакалавром. Теперь его интересы лежали в области электричества и оптики. Он разра­батывал теорию цветового зрения, сконструировал цветовой вол­чок.Максвелл продолжил работу над про­блемами электродинамики и ввел термин «электромагнитное поле», сформулировал мате­матические законы, описывающие это поле. Дж. К. Макс­велл, исследуя диэлектрики, высказывает идею токов смещения, а также мысль о связи света и электромагнитного поля, мысли о единой природе электро­магнитных волн.

Дж. К. Макс­велл приходит к ясному определению электромагнитного поля, выражая все его проявления в виде системы 20 урав­нений. Уравнения с максимально точно­стью отражают сущность природных явлений, они обладают свой­ствами, позволяющими предсказывать новые, неизвестные до сих пор, физические явления. На основании полученных уравнений Дж. К. Максвелл определяет коэффициент преломления ди­электриков, рассчитывает коэффициенты самоиндук­ции, взаимоиндукции катушек и т.д.Интересовался ученый и кинетической теорией газов. Многие методы, предложенные им, носят его имя. Хорошо известно распределение молекул газа по скоростям.Менее значимые, однако, тоже впечатляющие работы Дж. К. Макс­велла — исследование эффектов цветового зрения, рас­чет механики колец Сатурна (ученый математически доказал, что они состоят из отдельных частиц), теория явлений переноса в газах и т. п.После Максвелла электродинамика имела основное направление развития — экспериментальное подтверждение основных положений теории. Русский уче­ный Николай Александрович Умов, заведовавший кафедрой физики Московского университета, разработал учения о движении энергии, потоке энергии (вектор Умова). Эти работы были сделаны для акустических волн. Затем Дж. Г. Пойнтинг выполнил то же самое для потока электромагнитной энергии (вектор Умова— Пойнтинга). Решающую роль в победе теории Дж. К. Максвелла сыграл не­мецкий физик Генрих Рудольф Герц. Г. Герц приводит описание своих опытов. Например, колебатель­ный контур, представляющий собой два проводника С и С", располо­женных на расстоянии около 3 м друг от друга, соединены мед­ной проволокой, в середине которой находился разрядник В ин­дукционной катушки. Приемник представлял собой контур acdb с размерами 80 х 120 см с искровым промежутком М в одной из коротких сторон. Детектирование определялось по наличию слабой искры в разряднике М. Проводники, с которыми эксперименти­ровал Герц, — это, говоря современным языком, антенна с детек­тором. Они теперь носят названия вибратора и резонатора Герца.

Суть полученных результатов состояла в том, что электриче­ская искра в разряднике В вызывала искру в разряднике М. Сна­чала Герц, объясняя опыты, говорит лишь о «взаимодействии проводников».

Затем ученый описывает явление, которое затем стало назы­ваться внешним фотоэффектом. Герц обнаружил, что ультрафио­летовое излучение, сопровождающее искру в разряднике генера­тора, облегчает электрический разряд в приемнике. Данный эф­фект затем систематически исследовал русский ученый Александр Григорьевич Столетов.Анализируя результаты экспериментов, Г. Герц приходит к выводу о существовании электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью. Герц получил экспериментально предсказанные теорией Дж. К. Макс­велла электромагнитные волны и доказал их тождество со светом. Для этого он провел эксперименты по распространению, отражению, преломлению, поляризации открытых им электромагнитных волн. Он построил зеркала для экспериментов с этими волнами (зеркала Герца), приз­му из асфальта, и т.п. Опыты показали полную тождественность наблюдавшихся эффектов с эффектами световых волн.Павел Николаевич Лебедев получил самые короткие на тот момент электромагнитные волны и про­делал с ними опыты по двойному лучепреломлению. В своей рабо­те П.Н.Лебедев поставил задачу постепенного уменьшения дли­ны волны электромагнитного излучения, с тем чтобы, в конце концов, сомкнуть их с длинными инфракрасными волнами. Само­му Лебедеву выполнить задачу не удалось, однако это осуществи­ли в 20-х гг. XX столетия русские ученые А. А. Глаголева-Аркадьева и М.А.Левицкая.Однако главная заслуга Лебедева перед физикой в том, что он экспериментально измерил световое давление. Опыты Г. Герца и П.Н.Лебедева окончательно подтвердили правильность теории Максвелла. Что касается применения законов электромагнетизма, то к началу XX в. человечество уже жило в мире, в котором электричество стало играть огромную роль. Одно из первых применений электромагнетизм нашел в тех­нике связи. Телеграф уже существовал, а американ­ский физик, изобретатель и предприниматель Александр Белл изобрел телефон, который затем был усовершен­ствован знаменитым американским изобретателем Томасом Альва Эдисоном. Принципы радиосвязи описал английский физик Уильям Крукс. Рус­ский физик Александр Степанович Попов и италь­янец Гульелъмо Маркони фактически одновременно осуществили ее на практике. Электричество пытались использовать для освещения — это была вольтова дуга. В дальнейшем этот прибор усо­вершенствовал Павел Николаевич Яблочков, который изобрел первый пригодный для практического примене­ния электрический источник света (свечу Яблочкова). Однако, Т.Эдисоном была создана лампа накаливания доста­точно долговечной конструкции и удобная для промышленного изготовления. Лампа накаливания была изобретена еще в 1872 г. русским электротехником Александром Николаевичем Лодыгиным.

Биографиикрупнейших ученых электромагнетизма

Генрих Рудольф Герц — немецкий физик. Родился в Гамбурге в семье адвоката. Учился в Мюнхенском универ­ситете, а затем — в Берлинском, у Гельмгольца, работал в Высшей технической школе в Карлсруэ, где откры­л электромагнитные волны. Однако, постепенно его ин­тересы сместились к механике.

Павел Николаевич Лебедев — русский физик, родился в Москве, закончил Страсбургский университет и в 1891 г. на­чал работать в Московском универ­ситете. П.Н.Лебедев вошел в историю физики как первоклассный экспериментатор и как основатель общепризнанной на­учной школы в Москве, откуда вышли известные русские ученые.

Николай Александрович Умов — рус­ский физик. Родился в г. Симбирске (ныне Ульяновск), окончил Московский университет. Преподавал в Новороссийском универ­ситете (г. Одесса), а затем в Московском, где возглавлял кафедру физики. Глав­ная работа Умова — создание учения о дви­жении энергии (вектор Умова).

Александр Степанович Попов — русский ученый, изобретатель радио. Родил­ся в с. Турьинские Рудники (Свердловской области), окончил Петербургский университет, преподавал в военных учебных заведениях Кронштадта, а затем в Петербургском электротех­ническом институте. Научные исследования Попова относятся к различным проблемам электротехники и радиотехники. Он продемонстрировал «грозоотметчик» — прибор для приема сигналов от грозовых разрядов и передал первую в мире радиограмму.

Гульельмо Маркони — итальянский радиотех­ник, родился в Болонье, получил домашнее образование. Оформил в Англии патент на применение электромагнитных волн для беспроволочной связи (А.С.Попов свое изобретение не па­тентовал). Г. Маркони добился быстрого и широкого применения нового способа связи. Так, он осуществил радиосвязь через Атлантический океан. Г. Маркони — лауреат Нобелевской премии 1909 г.