Рефера т на тему: история развития учения об электромагнетизме

Вид материала

Исследование

Содержание 3.1 Открытие гальванического элемента 3.2 Опыты Эрстеда. Установление закона Ампера 3.3 Установление законов постоянного тока 3.4 Открытие электромагнитной индукции 3.5 Практическое применение открытий в области электродинамики

Подобный материал:

• Рефера т по географии на тему: Бутан, 323.06kb.
• Билет №23. Виды мотивов учения, их возрастная динамика, факторы развития, 385.97kb.
• Программа вступительного экзамена для поступления в магистратуру по профессионально-образовательной, 41.2kb.
• Курс: История политических и правовых учений Тема Политические и правовые учения, 857.03kb.
• Реферат на тему "История и логика развития естествознания", 330.02kb.
• Рефера т по "Таможенному праву" на тему "Таможенные режимы: таможенный склад, беспошлинной, 516.37kb.
• «История развития теории и практики менеджмента (отечественная история и история зарубежных, 322.85kb.
• Дисциплина : Дискурс рефера т на тему: «Когезия», 273.67kb.
• Рефера т на тему: Влияние физических упражнений на мышцы, 357.52kb.
• Агапова И. И. История экономических учений. Учебное пособие, 18.24kb.

3 Возникновение и развитие электродинамики


3.1 Открытие гальванического элемента


Первый этап развития учения об электричестве и магнетизме, охватывающий XVIII в., заключался в исследовании законов равновесия электрических зарядов и магнитов. Были установлены основные законы взаимодействия электрических зарядов и магнитов, а затем (в первой половине XIX в.) создан сооответствующий математический аппарат.

В конце XVIII в. начали изучать электрический ток, его действия. Возникает и развивается новая область учения об электричестве и магнетизме, названная электродинамикой.

Начало развития электродинамики связано с открытием первого источника постоянного тока, которое обязано исследованиям итальянского профессора медицины Луиджи Гальвани (1737 - 1798). В конце XVIII в., занимаясь физиологией и медициной, он интересовался физиологическим действием электрического тока и ролью электричества в процессах, происходящих в живом организме. В своих опытах Гальвани наблюдал сокращения мышц препарированной лягушки при прикосновении металлических предметов, когда вблизи в электрической машине проскакивали искры.

Результаты многочисленных опытов наталкивают его на мысль о существовании «животного» электричества, которое вырабатывается организмом лягушки. При замыкании нерва и мускула лягушки проводником образуется замкнутая цепь, «животное» электричество свободно протекает по этой цепи и вызывает сокращение мышцы, играющих роль регистратора.

Открытие Гальвани, опубликованная в 1791 г., вызвало большой интерес. Некоторые ученые повторили опыты Гальвани. Среди них был и Алессандро Вольта (1745 - 1827). Но Вольта подошел к объяснению наблюдаемого явления не как физиолог, а как физик. Вольта заметил, что сила сокращения мышц лягушки зависит от того, какие употребляются металлы, и что однородные металлы почти не оказывают действия. Он заключил, что источником электричества является не организм лягушки: оно возникает в результате соприкосновения разнородных металлов, лягушка же играет роль регистрирующего прибора. Он выдвинул гипотезу, согласно которой металлические тела обладают свойством действовать на заключенный в них электрический «флюид», отталкивая или притягивая его. Поскольку каждый металл обладает определенной силой действия на электрический флюид, то соприкосновение различных металлов приводит его в движение, возникает электрический ток, который и действует на нервы и мышцы лягушки. Высказав эту гипотезу, Вольта предложил изменить название «животное» электричество на «металлическое» электричество.

Вольта, обосновывая гипотезу «металлического электричества», шел по пути исключения из опыта живого организма. Он показал, что простое соприкосновение разнородных металлов приводит к их электризации. Это было открытие контактной разности потенциалов у металлов.

Вольта расположил металлы в ряд, причем каждый стоящий справа металл при соприкосновении со стоящим слева электризовался отрицательно. При этом, как он полагал, «способность приводить в движение электрический флюид» для металла, расположенного не рядом, равна сумме «способностей» всех промежуточных пар металлов. Подобные исследования привели Вольта к изобретению первого гальванического элемента, получившего название вольтова столба. Об этом изобретении он сообщил в 1800 г.

Ученый исследовал соединения различных тел и пришел к выводу, что контактная разность потенциалов имеет место только между металлами и некоторыми другими «сухими» проводниками; между «сухими» и «влажными» проводниками она не возникает. Первые проводники Вольта назвал проводниками первого класса, вторые — второго класса. Отсюда следует возможность получения непрерывного электрического тока (если привести два разнородных металла в соприкосновение и соединить их с помощью проводника второго класса). Первый гальванический элемент - Вольтов столб - состоял из нескольких десятков наложенных друг на друга круглых пластинок из серебра и цинка или меди и олова, между которыми были проложены картонные прокладки, пропитанные соленой водой. В отличие от лейденской банки действие столба непрерывно.

Открытие гальванического элемента было важным этапом в развитии физики. С этого времени начинают изучать электрический ток и его действия. В первые два десятилетия XIX в. были получены результаты в изучении химического, теплового и светового действий тока, а также первые результаты в установлении законов постоянного тока. Так, используя гальваническую батарею, русский физик и химик Василий Петрову (1761 - 1834) впервые наблюдал электрическую дугу. Изучая химическое, тепловое и другие действия тока, Петров сделал некоторые выводы, относящиеся к законам постоянного тока. Он считал, что проводники обладают различной проводимостью и что свойства проводника определяют вместе с особенностями самой батареи действие тока в цепи. При этом он подчеркивал, что чем больше сечение проводника, тем сильнее действие «Гальвани - Вольтовской жидкости».


3.2 Опыты Эрстеда. Установление закона Ампера


В 1819 г. датский ученый Ханс Кристиан Эрстед (1777 - 1851) обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку. Открытие Эрстеда, опубликованное в 1820 г., заключалось в следующем: если возле магнитной стрелки поместить прямолинейный проводник, направление которого совпадает с направлением магнитного меридиана, и пропустить через него электрический ток, то магнитная стрелка отклоняется. Эрстед отметил, что угол, на который отклоняется стрелка под действием тока, зависит от также, говоря современным языком, от силы тока.

Полученный результат оказался неожиданным. Неожиданным был сам характер связи, а не факт ее существования. Уверенность в наличии связи между электрическими и магнитными явлениями была связана у ученого с его общими философскими взглядами на нообразие окружающих явлений, он полагал, что между ними имеются глубокие связи и единство.

Открытие Эрстеда вызвало большой интерес и послужило толчком к новым исследованиям. В том же 1820 г. были получены новые результаты. Араго показал, что проводник с током действует на железные предметы, которые при этом намагничиваются. Французские физики Био и Савар установили закон действия прямолинейного проводника с током на магнитную стрелку. Они установили, что сила, действующая на магнитный полюс со стороны прямолинейного проводника с током, направлена перпендикулярно проводнику и прямой, соединяющей проводник с полюсом, а ее величина обратно пропорциональна этому расстоянию. Этот результат был проанализирован, и после введения понятия элемента тока был установлен закон Био - Савара.

Также в 1820 г. был получен новый важный результат в области электромагнетизма французом Андре Мари Ампером (1775 - 1836). Ампер заинтересовался открытием Эрстеда. Оно натолкнуло его на мысль о возможности сведения магнитных явлений к электрическим и исключении представления о специальной магнитной жидкости. В кратком резюме своего первого доклада Ампер писал: «Я свел явления, наблюденные г. Эрстедом, к двум общим фактам, я показал, что ток, существующий в вольтовом столбе, действует на магнитную стрелку так же, как и ток соединительной проволоки. Я описал опыты, при помощи которых я установил притяжение или отталкивание всей магнитной стрелки под действием соединяющей проволоки. Я описал приборы, которые предполагал соорудить и, между прочим, гальванические винты и спирали. Я указал, что последние будут производить во всех случаях те же действия, что и магниты. Затем я коснулся некоторых подробностей относительно своего воззрения на магниты, согласно которому они обязаны своим свойствам единственно электрическим токам, расположенным в плоскостях, перпендикулярных их оси. Я коснулся также некоторых подробностей относительно подобных же токов, предполагаемых мною в земном шаре. Таким образом, все магнитные явления я свел к чисто электрическим действиям» [4, 276].

В последующих 10 докладах 1820 – 1821 годов Ампер сообщал как о своих экспериментальных исследованиях, так и о теоретических соображениях. Он показал на опыте взаимодействие двух прямолинейных проводников с током, взаимодействие двух замкнутых токов, демонстрировал взаимодействие соленоида и магнита; эквивалентное поведение соленоида и магнитной стрелки в поле земного магнетизма и ряд других опытов.

Свойства магнита Ампер объяснял наличием в нем токов, а взаимодействие магнитов - взаимодействием этих токов. Сначала он считал эти токи макроскопическими, а несколько позже пришел к гипотезе молекулярных токов. Соответствующую точку зрения Ампер развивает и по вопросу о земном магнетизме, полагая, что внутри Земли протекают токи, которые обусловливают ее магнитное поле.

Открыв взаимодействие токов, эквивалентность магнита и соленоида, выдвинув ряд гипотез, Ампер поставил перед собой задачу установить количественные законы этого взаимодействия. Ампер поступает следующим образом. На основании известных опытных данных он выдвигает гипотезу о том, что сила взаимодействия между элементами проводников с током такова:

,

где и - сила токов, и - элементы проводников, - расстояние между элементами, n - некоторое (пока неизвестное) число, - еще не известная функция углов, определяющих взаимное расположение элементов проводников.

В 1826 г. был издан основной труд Ампера «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». В этой книге Ампер систематически изложил свои исследования по электродинамике и, в частности, привел вывод закона взаимодействия элементов токов. Следует отметить, что он использовал понятие и термин «сила тока», а также понятие «напряжение», хотя и не приводил ясной и четкой формулировки этих понятий. Амперу также принадлежит идея создания прибора для измерения силы тока (амперметра). Наконец, следует указать, что Ампер высказал идею электромагнитного телеграфа, которая затем была реализована на практике.


3.3 Установление законов постоянного тока


Также важным достижением электродинамики первой половины XIX в. было установление законов цепи постоянного тока. В середине 20-х годов исследованием цепи постоянного электрического тока занялся немецкий физик Георг Ом (1787 - 1854). Ом экспериментально установил, что величина электрического тока зависит от длины проводников, их сечения и от числа гальванических элементов, включенных в цепь.

Для силы тока Х в проводнике он записал соотношение:

,

где - коэффициент проводимости проводника, - поперечное сечение, а - длина проводника, - электрическое напряжение на его концах.

Также Ом исследовал распределение электрического потенциала «электроскопической силы» вдоль однородного проводника с током.

Закон, открытый Омом и носящий его имя, далеко не сразу получил признание. Еще в 30-х годах по его поводу высказывали сомнения и отмечали ограниченность его применения. Однако в ряде работ различных физиков, применивших более совершенные методы измерения, выводы Ома были подтверждены и его закон получил всеобщее признание. При этом были также исправлены ошибочные представления Ома.

Кирхгоф в работах, относящихся к 1845 - 1848 гг., уточнил понятие «электроскопической силы». Он установил тождественность понятия этой величины и понятия потенциала в электростатике. Кирхгоф также установил общеизвестные правила для электрических цепей.

Спустя более чем 15 лет после открытия закона Ома был установлен закон, определяющий количество теплоты, выделяемой электрическим током в цепи; он был установлен экспериментально англичанином Джоулем (1843) и независимо от него петербургским академиком Э. X. Ленцем (1844). В настоящее время его называют законом Джоуля - Ленца.


3.4 Открытие электромагнитной индукции


Важнейшим открытием в области электродинамики стало открытие явления электромагнитной индукции. В 1824 г. Араго, в опытах с магнитной стрелкой обнаружил, что немагнитные вещества тормозят колебательное движение подвешенной магнитной стрелки. Затем он установил, что при вращении медной пластинки возле подвижного магнита последний стремится вращаться в том же направлении, и, наоборот, если вращать магнит, то пластинка в свою очередь стремится следовать за ним. Объяснить это явление смог Фарадей, открывший явление электромагнитной индукции в 1831 г.

Вообще взгляды Фарадея на материю, движение, на метод исследования в области физики были оригинальны. Он руководствовался идеей единства природы и всеобщей связи ее вещей и явлений. Конкретным воплощением этой идеи было его мнение о единстве и превращаемости «сил природы».

Руководствуясь идеей о взаимопревращаемости сил, Фарадей в течение длительного периода работал над проблемой «превращения магнетизма в электричество», в результате чего он и пришел к открытию явления электромагнитной индукции. Уже в своих первых сообщениях Фарадей пытается представить теорию открытого им явления, основываясь на принципе близкодействия. Он высказывает предположение об особом состоянии, в котором находится материя вокруг магнита или проводника с током, называя это состояние «электротоническим», т. е. электровозбужденным. Это состояние обнаруживается в проводнике только в случае его изменения, в последнем возникают электрические индукционные токи. Если, например, проводник приближать или удалять от магнита, то при этом «электротоническое» состояние усиливается или ослабляется, «а такое изменение его сопровождается соответствующим появлением электричества». В случае же непроводников это состояние и его изменение не проявляются.

В своих работах Фарадей некоторое время не упоминает об «электротоническом» состоянии, а разрабатывает более наглядную идею о силовых линиях. Однако в более позднее время он вновь возвращается к представлению об «электротоническом» состоянии и связывает его с концепцией силовых линий. Постепенно у Фарадея складывается представление о силовых линиях электрического и магнитного полей как о чем-то реальном. Сначала он говорит о магнитных силовых линиях лишь как об удобном средстве для наглядного представления распределения магнитных сил, действующих в пространстве вокруг магнита или тока. Наряду с этим он начинает использовать и понятия электрических силовых линий или линий индукции, которые также пока рассматривает как воображаемые. По мере продвижения вперед в изучении электрических и магнитных явлений, делая новые открытия, которые касались главным образом роли среды в этих явлениях, у Фарадея постепенно растет убеждение в их физической реальности, как линий, действительно представляющих структуру электрического и магнитного полей.

Помимо открытия электромагнитной индукции с именем фарадея связан ряд других важных открытий. К ним относятся открытие явления вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея) и открытие диамагнетизма в 1845 г. Кроме этого, еще в 1832 г. году в своем письме в Королевское общество Фарадей выдвигает гипотезу об электромагнитной природе света.

Экспериментальные открытия Фарадея были хорошо известны и еще при жизни принесли огромный авторитет и славу автору. Однако основные теоретические представления Фарадея не были восприняты его современниками; первым обратил на них серьезное внимание Максвелл. Он воспринял эти представления, развил их и построил теорию электромагнитного поля.

Эмилием Христиановичем Ленцем (1804 - 1865) - петербургским академиком - был сделан первый существенный шаг в направлении детального количественного изучения явления электромагнитной индукции. Ленц изучал, как зависит индукционный ток в проволочной катушке от ее параметров, используя баллистический гальванометр. При этом он получил ряд новых результатов. В частности, установил, что э.д.с, индуцируемая в катушке, пропорциональна числу витков и не зависит от их диаметра и т. д.

Самый важный результат, полученный Ленцем, - установление правила, или закона, носящего его имя. Фарадей, открыв явление электромагнитной индукции, в первых своих работах не привел общее правило для определения направления индукционного тока. Исследуя явление электромагнитной индукции, Ленц установил это правило. Сам ученый формулирует его так: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении» [4, 284].

Закон Ленца послужил одним из источников построения математической теории электромагнитной индукции. Впервые математическую теорию электромагнитной индукции начал разрабатывать Ф. Нейман (1798 - 1895) в работах, относящихся к 1845 - 1847 гг. При определении величины электродвижущейся силы индукционного тока Нейман использовал две основные гипотезы. Согласно первой гипотезе, которая следует из экспериментальных данных, полученных Фарадеем, электродвижущая сила индукции dφ, возникающая в элементе линейного проводника dl в результате его движения относительно контура с постоянным током i или магнита, пропорциональна скорости этого движения υ. Вторая гипотеза, возникшая под влиянием закона Ленца заключается в том, что электродвижущая сила индукции в проводнике пропорциональна проекции на направление его движения силы F_υdl (F - сила на единицу длины проводника), которая действует на него со стороны контура с током или магнита, когда по нему протекает индукционный ток, равный единице.

Новые соображения по поводу закона электромагнитной индукции были высказаны в 1845 г. немецким ученым Фехнером, который объяснял явление электромагнитной индукции, исходя из представления о силах, действующих между движущимися зарядами. Он предполагал, что электрический ток есть одновременное движение по проводнику положительных и отрицательных электрических частиц в противоположных направлениях с одинаковыми по абсолютной величине скоростями. При этом он считал, что электрические частицы взаимодействуют между собой по закону Кулона, только если они находятся в покое. Если же они движутся, то силы, действующие, между ними, иные, зависящие от скоростей и направления движения. Это следует, по его мнению, из закона Ампера, из которого можно определить и зависимость таких сил от скорости и направления движения. По Фехнеру, если два одноименных заряда движутся в одном направлении, сближаясь, то они должны притягиваться. Должны притягиваться и два разноименных заряда, если они движутся в противоположных направлениях. В противном случае действуют силы отталкивания.

Идеи Фехнера были положены в основу теории электромагнитных явлений, развитой в 1846г. В. Вебером (1804 - 1891). Он также исходит из представления, что электрический ток представляет собой движение положительных и отрицательных электрических зарядов в противоположные стороны. Между зарядами действуют силы притяжения и отталкивания, зависящие от расстояния, а также от их относительной скорости и ускорений.

Для того чтобы установить выражение для силы, действующей между электрическими зарядами, Вебер обращается к закону Ампера. Учитывая, что сила тока пропорциональна величине движущихся зарядов и их скорости, а также принимая во внимание закон Кулона, Вебер определяет, что сила, действующая между двумя электрическими зарядами и , такова:



Здесь - постоянная, - расстояние между зарядами, а сила направлена по прямой, соединяющей заряды.

Закон Вебера имел общий характер. Для случая неподвижных зарядов из этого закона непосредственно следовал закон Кулона. Из закона Вебера можно вывести закон Ампера. Также этот закон можно было использовать для количественной теории электромагнитной индукции, получив те же результаты, что и Нейман. Таким образом, теория Вебера объединила основные известные тогда законы электрических и магнитных явлений. Она являлась в известном смысле вершиной в развитии домаксвелловской электродинамики (электродинамики, основанной на принципе дальнодействия).


3.5 Практическое применение открытий в области электродинамики


Первое практическое применение открытия в электродинамике нашли в технике связи.

В 30-е годы Шиллингом, в 1832 г. - Гауссом и в 1833 г. – Вебером была воплощена в жизнь идея ампера о возможности использования открытия Эрстеда для построения телеграфа. Телеграф Шиллинга был применен для связи между Зимним дворцом и зданием Министерства путей сообщения в Петербурге. Через год Гаусс и Вебер построили электромагнитный телеграф другой конструкции, соединявший астрономическую обсерваторию и физическую лабораторию в Геттингене.

Американский физик Генри построил телеграф, который действовал на территории Принстонского университета. Для приема сигналов в нем использовался электромагнит, который при пропускании электрического тока притягивал специальный рычажок. Этим же принципом приема воспользовался Морзе, который после нескольких лет работы предложил в 1837 г. первую практически удачную конструкцию телеграфа.

Первая половина XIX в. отмечается также первыми попытками практического применения электричества в качестве движущей силы. В 1822 г. англичанин Барлоу построил прототип электродвигателя - «звездное колесо». Прибор Барлоу состоял из звездообразного колеса, помещенного между полюсами магнита. Колесо вращалось при пропускании тока.

Одновременно с появлением электродвигателя возникает задача конструирования электромагнитных генераторов электрического тока. Прототип генератора электрического тока, основанного на принципе электромагнитной индукции, был построен и описан Фарадеем вместе с первыми опытами по электричеству.

К успехам электродинамики XIX в. также следует отнести открытие термоэлектричества, которое было сделано немецким физиком Зеебеком в 1821 г.