Антон Павлович Благин "свет небес и земли" 86. 21 Б68 Благин Антон Павлович. Свет небес и земли. Часть I: Радиоволны и свет. Взгляд философа. Мурманск: Фонд культуры, 2002, с. 156. Эта книга

Вид материала

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 14

Рис. 19

Можно ли сделать так, чтобы оба полюса шара одновременно вращались, например, по часовой стрелке? Конечно же, нет. Кому же тогда пришла в голову мысль сначала искать то, чего нет в Природе - монополь, а потом, не найдя его, отрицать атомарную структуру магнитного поля? Здесь атомами я называю частицы не вещества, а эфира, тонкой протоматерии.

Получается, что магнетизм как-то связан с вращением? - мой новый вопрос.

- Самым непосредственным образом. Читаю Вам то, что написано в книге "Физика для любознательных" известного американского учёного Эрика Роджерса: "Пропуская пучки отдельных атомов через неоднородные магнитные поля, мы обнаруживаем, что некоторые атомы на самом деле представляют собой магниты. Мы умеем, кроме того, заставлять атомы, помещённые в сильные магнитные поля, испускать свет, исследуя который можно ещё больше узнать об их магнитных свойствах. Наконец мы убеждаемся, что электроны, некоторые атомные ядра и даже не обладающий электрическим зарядом нейтрон ведут себя как крошечные магнитики. Каждый из них создаёт вполне определённое магнитное поле, которое мы связываем с так называемым механическим "спином" - вращательным моментом, присущим частице"11.

Иначе говоря, всякая элементарная частица, обладающая вращением, представляет собой диполь - маленький магнит. Это утверждение справедливо и для частиц вещества, и для частиц протоматерии (от греческого protos - первый), которую по-другому издревле называют эфиром. Кстати, при движении протоматерии потому и образуются так называемые магнитные силовые линии, что немыслимо малого размера частицы эфира вращаются.

Будучи телами, обладающими вращением, частицы протоматерии при перемещении в пространстве в одном направлении имеют свойство выстраиваться в цепочки, полюс к полюсу. Это упорядоченное движение частиц протоматерии мы и называем магнитным полем. И величайшая заслуга профессора химии Ганса Эрстеда состоит в том, что он первым открыл связь между движением частиц, образующих в проводах электрический ток, и движением частиц светоносной материи. Причём, это открытие он сделал, не зная ничего ни о свойствах атомов протоматерии, ни об электронах. (Мысль о дискретности электричества впервые была высказана только в 1874 году Джорджом Стоней, а идентифицированы электроны как элементарные частицы были в 1899 году Джозефом Томсоном. До этого времени об электричестве говорили как о флюиде, воображаемой электрической жидкости, способной разбиваться на обладающие электрическим зарядом "капли"). Ампер, тоже не зная ничего об электронах и атомах протоматерии, умудрился объяснить магнетизм постоянных магнитов наличием в их теле замкнутых молекулярных электрических токов, создающих магнитное поле таким же самым образом, каким его создаёт одиночный виток проволоки с током (или многовитковая катушка с током). По мнению сегодняшних физиков, это было, что называется, попаданием в десятку при стрельбе с закрытыми глазами.

Магнит Электромагнит

Батарея - + ток

Рис. 20 Рис. 21

Внизу Вы видите картину молекулярных электрических токов в толще намагниченного железного бруска, какой её представлял себе Ампер.

Рис.22

Не удивительно, что в связи с таким гениальным объяснением происхождения естественного магнетизма (оно было сделано Ампером в конце 1820 года), очень многие учёные того времени стали думать, как им превратить естественный магнит в источник электрической энергии. Кому-то даже казалось, что с помощью магнита можно создать вечный двигатель. На протяжении десяти лет с момента открытий Эрстеда и Ампера лучшие умы бились над решением этой головоломки. Однако все их усилия оказывались безрезультатными. Но вот, в 1831 году член Лондонского Королевского общества Майкл Фарадей открывает, наконец, сначала магнитоэлектрическую индукцию, а затем и электромагнитную индукцию.

Двигала Фарадеем та же мысль, что и остальными учёными. Если электрический ток является источником магнитного поля, то не может ли магнитное поле быть источником тока?

Фарадей ставит опыт сначала с обыкновенным магнитом и получает неожиданный результат. Потом он усложняет опыт и заменяет магнит электромагнитом. По сути, Фарадей изготавливает для своего опыта первый трансформатор тока. Он берёт большой деревянный барабан (позже ему приходит на ум мысль заменить его железным кольцом), наматывает на него два куска изолированной медной проволоки одинаковой длины по 203 фута каждый (это почти 6 метров), концы одной проволоки подключает к гальванометру, а концы другой - к мощной гальванической батарее. (Здесь уместно сказать о том, что первый химический источник тока появился в 1799 году. Его создателем был итальянец Алессандро Вольта. Однако, так получилось, что физики долгое время называли и электрические батареи и приборы для измерения тока именем другого итальянца - Луиджи Гальвани, открывшего в 1786 году сам электрический ток).

В своём труде "Экспериментальные исследования по электричеству" Фарадей описал этот опыт так: "При замыкании контакта наблюдалось внезапное, но очень слабое действие на гальванометр, и подобное же слабое действие имело место при размыкании контакта с батареей... Результаты, которые к этому времени были мною получены с магнитами, привели меня к мысли, что ток от батареи при пропускании его через один проводник действительно индуцирует подобный же ток в другом проводнике, но этот ток длится всего один момент и по природе своей походит скорее на электрическую волну, возникающую при разряде обыкновенной лейденской банки"12. (Такое название получил первый электрический конденсатор, созданный в 1745 году в Лейденском университете двумя учёными Эльвальдом фон Клейстом и Питером ван Мушенбруком). При замене деревянного барабана железным кольцом Фарадей обнаруживает, что при тех же условиях эксперимента всплески индукционного тока во втором проводе стали многократно сильнее.

Хотелось бы узнать, какие всё-таки результаты Фарадей получил в первом опыте с обыкновенным магнитом, - говорю я Антону Павловичу.

- Этот опыт Фарадей проделал следующим образом. Он взял медную проволоку, скрутил её в спираль, концы проволоки подключил к гальванометру, а внутрь спирали резким движением внёс магнит. И магнит своим вихревым магнитным полем индуцировал в проволоке кратковременный электрический ток. Этот ток зафиксировала стрелка измерительного прибора. При резком извлечении магнита из центра проволочной спирали стрелка прибора сделала одиночное колебание в обратную сторону, что говорило о появлении импульса электрического тока обратного направления. Тогда Фарадей и догадался, почему десять лет никто не мог открыть то, что открыл он. Само по себе магнитное поле не создаёт в проводе электрический ток. Магнит может хоть сто лет лежать рядом с проводом, но ток в последнем не появится.

Для достижения искомого эффекта нужно, оказывается, во-первых, чтобы магнит был определённым образом ориентирован относительно провода, и, во-вторых, необходимо, чтобы магнитные силовые линии непрерывно пересекали провод (магнит должен двигаться относительно провода, или провод должен перемещаться относительно магнита). Только тогда между концами разомкнутого провода появится разность потенциалов (электрическое напряжение), а в замкнутом проводе появится электрический ток. А чтобы возникающая между концами разомкнутого провода разность потенциалов или сила тока в замкнутом проводе была максимальной, провод и магнитное поле должны быть ориентированы перпендикулярно друг другу (как показано на рисунке 23).

Вихревое поле магнита Провод пронизывают как бы сразу два

перпендикулярно проводу, магнит магнитных потока, движущихся

движется навстречу проводу. навстречу друг другу. В этом

Разность потенциалов на концах случае разность потенциалов

провода максимальная. на концах провода не возникает.

Рис. 23 + (возникает недостаток электронов) Рис. 24

Направление

смещения

электронов

в проводе Е

- (возникает избыток электронов)

В

В - индуцированное магнитное поле, возникающее вокруг провода,

при приближении к нему магнита;

Е - индуцированное электрическое поле в проводе.

Во втором опыте Фарадея с двумя проволочными катушками, одна из которых служила электромагнитом, выполнение всех перечисленных выше условий было обусловлено конструктивно. Фарадею достаточно было лишь пропускать по первой катушке электрический ток и периодически менять при этом его направление. Что он однажды и попытался сделать. Итог: электрический ток, протекающий по первой катушке, создавал вихревой магнитный поток, который пронизывал вторую катушку, вследствие чего на концах второй проволочной катушки возникала переменная разность потенциалов! А поскольку вторичная катушка была замкнута на гальванометр, то через его схему протекал ток. О силе этого тока Фарадей мог судить по отклонению стрелки гальванометра. Так и было открыто явление электромагнитной индукции.

-

Рис. 25

+

_

+

Антон Павлович! Если я правильно понял суть этого явления, то выходит, что в трансформаторе энергия электрического тока, текущего по проводу, которым намотана первичная катушка, каждый раз преобразуется в энергию вихревого магнитного поля - внутри железного сердечника трансформатора раскручивается своего рода эфирный "маховик". Рабочее тело этого "маховика" пронизывает насквозь провод, которым намотана вторичная катушка. Во время нарастания или убывания силы вихревого магнитного потока вдоль провода вторичной катушки возникает перпендикулярная магнитному потоку сила электрического поля. Под действием этой силы в проводе, которым намотана вторичная катушка, происходит упорядоченное смещение электронов от одного конца провода к другому, иначе говоря, электрическое поле оказывает механическое воздействие на электроны и вынуждает их смещаться вдоль провода в каком-то одном направлении. В результате смещения электронов на одном конце провода их становится больше, на другом - меньше, и таким образом между концами этого провода возникает разность электрических потенциалов, или, иначе, электрическое напряжение, величина которого изменяется во времени по тому же закону, по которому изменяется сила тока, протекающего по первичной катушке. Если провод, которым намотана вторичная катушка, взять и нагрузить, например, лампочкой (то есть замкнуть вторичную цепь), через спираль лампы от бoльшего потенциала к меньшему потечёт электрический ток. Я прав?

- Андрей, Вы совершенно правы, хотя, вероятно, плохо представляете себе все процессы, происходящие в сердечнике трансформатора. На счёт эфирного "маховика" Вы тоже замечательно сказали. Проволочные катушки, порождающие тороидальное вихревое магнитное поле (в форме баранки или замкнутой в кольцо спиральной пружины), действительно играют в электрических цепях такую же роль, как и маховики в механических устройствах. Вот, смотрите, автор учебного пособия для абитуриентов и старшеклассников "ФИЗИКА ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И КВАНТОВАЯ ФИЗИКА" И. А. Соловейчик как раз с помощью такого образа и объясняет рассматриваемое нами явление: "Когда неподвижный маховик "подключают" к источнику энергии, например, когда рукой начинают разгонять маховик, то вначале рука расходует энергию не только на преодоление трения, но и на увеличение кинетической энергии маховика. За счёт накопленной энергии маховик может некоторое время вращаться "сам", отдавая накопленную энергию в виде топлива. Аналогично при нарастании тока [протекающего через катушку] часть энергии источника расходуется на создание магнитного поля катушки, а после выключения источника за счёт этой энергии может выделяться тепло" 13.

То, что заслуженный советский учитель И. А. Соловейчик применяет вышеприведенную аналогию для объяснения сути рассматриваемого нами явления, лишний раз заставляет подумать о том, что в случае с магнитным полем мы имеем дело с вихревым образованием, которое, естественно, может возникать только в упругой среде.

Окончательно прийти к выводу, что в любом трансформаторе в качестве промежуточного агента работает вихрь, в образовании которого участвуют (гораздо меньшие, чем электрон) материальные частицы, масса которых, разумеется, не равна нулю (иначе кинетическая энергия вихревого магнитного потока равнялась бы нулю), мы можем благодаря простому опыту с одной катушкой. Этот опыт описан в книге "Элементарный учебник ФИЗИКИ", том II, "Электричество и магнетизм". Учебник издан под редакцией академика Г. С. Ландсберга.

"Возьмём катушку J с несколькими сотнями витков, надетую на замкнутый железный сердечник. К зажимам а - а присоединена шестивольтовая лампочка L. Катушку можно с помощью ключа K присоединить к аккумулятору В с напряжением 1,5 - 2 вольта. Таким образом, когда ключ K замкнут, то к аккумулятору присоединены параллельно катушка и лампочка. Когда же ключ разомкнут, то мы имеем только одну замкнутую цепь, состоящую из витков катушки и лампочки. Так как наша лампочка рассчитана на напряжение, значительно большее, чем напряжение, даваемое аккумулятором, то пока ключ замкнут, она горит очень слабо, тёмно-красным накалом. В момент же размыкания ключа K она на мгновение вспыхивает очень ярким белым светом. Почему это происходит? ...Откуда берётся энергия, поглощаемая лампочкой в момент её вспышки и превращаемая в ней в тепло и свет? Ведь вспышка происходит тогда, когда ключ K уже разомкнут. Следовательно, энергия не может браться от аккумулятора. Вспышка лампочки происходит при исчезновении тока в катушке, т.е. при исчезновении магнитного поля этой катушки. Мы приходим, таким образом, к заключению, что энергия, поглощаемая лампочкой в момент размыкания тока, была раньше запасена в виде энергии магнитного поля. Когда мы подключали катушку к аккумулятору, мы создавали магнитное поле, на что тратился определённый запас энергии, заимствовавшийся от аккумулятора. Когда мы выключаем ток, магнитное поле исчезает, и запасённая в нём энергия ...превращается в энергию электрического тока в лампочке"14.

Превращение энергии вихревого магнитного поля обратно в энергию электрического тока, протекающего по той же самой катушке, которая породила этот вихрь, стали называть самоиндукцией. Замечу, что Майкл Фарадей, желая быть правильно понятым другими учёными, препроводил термин индукция в своей работе "Экспериментальные исследования по электричеству" таким объясняющим природу этого явления комментарием. "...Присущее [статическому] электричеству свойство создавать вблизи себя противоположное электрическое состояние получило общее название индукции. Поскольку оно вошло в научный язык, названием этим можно с полным основанием пользоваться в таком же общем смысле и в том случае, если бы электрические токи оказались способными переводить находящуюся в непосредственной близости от них материю в некоторое особое состояние [вихревое магнитное поле], которое до этого было безразличным[, и через воздействие этой находящейся в особом состоянии материи создавать в проводниках индуцированные электрические токи]. В этом именно смысле я и предполагаю употребить этот термин в настоящем докладе"15.

Думаю, по индукции мысли, Вам не трудно догадаться, что далее Майкл Фарадей привёл в своём докладе доказательства того, что электрические токи в одном проводнике действительно могут индуцировать токи в другом проводнике.

В 1845 году Майкл Фарадей осуществил опыт, в ходе которого он открыл, цитирую, вращение плоскости поляризации света в прозрачном теле, помещённом в вихревое магнитное поле электромагнита! ("эффект Фарадея"), чем обнаружил связь между магнетизмом и светом, предсказанную Эрстедом.

"Я полагаю, - написал Фарадей в своей новой работе "О намагничивании света и об освещении магнитных силовых линий", - что в опытах, описываемых мною в настоящей статье, свет испытал на себе магнитное действие, то есть магнитному действию подвергалось то, что является магнитным в силах материи, а последнее, в свою очередь, воздействовало на то, что является подлинно магнитным в силе света"16.

Фантастика, - говорю я Антону Павловичу, не зная как выразить своё восхищение умом замечательного экспериментатора, жившего в позапрошлом веке.

- Теперь, Андрей, я расскажу Вам про самого знаменитого теоретика той же эпохи. Так вот, Джеймс Клерк Максвелл, когда ему было чуть больше тридцати лет (шёл 1862 год), изучил эти пять упомянутых выше открытий и пришёл к такой мысли: если вихревое магнитное поле перемещаемого (рукой) стержневого магнита наводит в неподвижном проводе переменный электрический ток (первый опыт Фарадея), то, по всей вероятности, переменный электрический ток должен порождать в пространстве перемещающееся относительно проводника вихревое магнитное поле!

Чтобы проверить догадку, Максвелл сделал опыт, получил некоторые результаты и на математической основе определил, что скорость перемещения в пространстве вихревого магнитного возмущения, порождаемого электрическим током нарастающей или убывающей силы, равна скорости света. Уместно сказать, что скорость света с весьма высокой степенью точности измерил в 1849 году с помощью вращающегося зубчатого колеса французский физик Ипполит Физо, реализовавший известную идею17 Галилея и получивший значение скорости 313274,3 км/сек. В 1850 году скорость света в воздухе и воде замерил с помощью вращающегося зеркала другой французский физик Леон Фуко. Скорость света в воздухе по данным Фуко составила 298000 км/сек. Скорость света в воде составила 3/4 от скорости света в воздухе.

Справка: Ипполит Физо смонтировал установку, в которой луч света проходил через щель между соседними зубцами колеса, вращающегося с большой скоростью, и попадал по нормали на плоское зеркало, находящееся на расстоянии 8633 метра. Отражённый от плоского зеркала луч шёл обратно по направлению падающего луча.

Рис. 27

Если зубчатка была неподвижна, то отражённый луч проходил обратно через ту же щель, через которую он прошёл в прямом направлении, и наблюдателю зеркало представлялось освещённым. Если же зубчатка достаточно быстро вращалась, то за время, необходимое свету для прохождения от зубчатки до зеркала и обратно, на место щели перемещался зубец, преграждавший путь отражённому лучу, так что поле зрения казалось наблюдателю тёмным. Если скорость вращения зубчатки ещё больше возрастала, так что отражённый луч попадал уже в следующую щель, то поле зрения вновь становилось светлым. Чтобы вычислить скорость света, Физо достаточно было лишь определить время, за которое свет успевал дважды пройти отмеренную дистанцию, а колесо успевало провернуться на один зубец. Из расчёта И. Физо скорость света составила 313274,3 км/сек. В 1873 году другой учёный Альфред Коню вывел из 1000 таких опытов значение скорости света 298400 км/сек с возможной ошибкой в 1/300. Таким образом он приблизился к значению скорости света, которое получил Леон Фуко.

В своём фундаментальном труде "Электромагнитная теория света" (издан в 1865 году) Максвелл написал: "Значение ? (скорости убегания вихревого магнитного возмущения от провода) было определено путём измерения электродвижущей силы, используемой для зарядки конденсатора известной ёмкости, который затем разряжается через гальванометр, чтобы выразить количество электричества в нём в электромагнитных единицах. Совпадение результатов, по-видимому, показывает, что свет и магнетизм являются проявлениями свойств одной и той же субстанции и, что свет является электромагнитным возмущением, распространяющимся через поле в соответствии с законами электромагнетизма"18.

Этот результат, подкреплённый многочисленными математическими расчетами и уравнениями, и дал Максвеллу основание выдвинуть концепцию об электромагнитной природе света и предсказать существование в пространстве вихревой магнитной волны, порождаемой текущим вперёд-назад по проводнику переменным электрическим током.

"Другие уравнения, - написал Максвелл в той же работе, - дадут то же самое значение скорости, так что волна будет распространяться в любом направлении со скоростью света.

Эта волна состоит полностью из магнитных возмущений, причём направление намагничения находится в плоскости волны. Никакое магнитное возмущение, направление намагничения которого не находится в плоскости волны, вообще не может распространяться как плоская волна. Отсюда магнитные возмущения ... сходятся со светом в том отношении, что возмущения в любой точке

п о п е р е ч н ы к направлению распространения и такие волны могут обладать всеми свойствами поляризованного света"19.

Комментарий к рисунку 16. Изогнутые стрелки указывают направление "намагничения" волны (выражение Максвелла), иначе говоря, направление вращения вихревого магнитного поля. При изменении направления тока в проводе, направление "намагничения" волны меняется на противоположное - в пространстве возникает новое магнитное возмущение с другим направлением вращения, которое расходится во все стороны от провода, поспешая за первым возмущением. Сплошные прямые стрелки на рисунке указывают направление переноса вихревым магнитным полем механического импульса, скорость распространения которого в пространстве никак не связана с угловой скоростью вращения вихревого магнитного поля. Импульс всегда распространяется в свободном эфирном пространстве со скоростью близкой к 300000 км/сек. Угловая же скорость вращения магнитного поля, порождённого электрическим током нарастающей или убывающей силы, является величиной изменяющейся. С нею определённым соотношением связана величина переносимого магнитной волной механического импульса. На очень большом расстоянии от провода угловая скорость вращения вихревого магнитного поля, а, следовательно, и величина переносимого магнитной волной механического импульса может иметь значение, практически неотличимое от нуля.

Таким образом, Максвелл смог развить идею Эрстеда и подвести прочный теоретический фундамент под его слова: "я убеждён, что в этих движениях будет найдено объяснение явлений, известных под названием поляризации света".

Blog