Рефера т на тему: история развития учения об электромагнетизме
| Вид материала | Исследование |
- 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.
Р Е Ф Е Р А Т
на тему:
«ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ УЧЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМЕ»
Курган 2007
Содержание
| | Введение | 3 |
| 1 | Исследование электрических и магнитных явлений в XVI – XVIII веках | 4 |
| 1.1 | Первые систематические исследования электричества и магнетизма | 4 |
| 1.2 | Изобретение лейденской банки | 6 |
| 1.3 | Создание «унитарной теории» Б. Франклина | 7 |
| 2 | Возникновение и развитие электростатики | 10 |
| 2.1 | Установление закона Кулона | 10 |
| 2.2 | Разработка математической теории электричества и магнетизма | 12 |
| 3 | Возникновение и развитие электродинамики | 14 |
| 3.1 | Открытие гальванического элемента | 14 |
| 3.2 | Опыты Эрстеда. Установление закона Ампера | 16 |
| 3.3 | Установление законов постоянного тока | 19 |
| 3.4 | Открытие электромагнитной индукции | 20 |
| 3.5 | Практическое применение открытий в области электродинамики | 24 |
| 3.6 | Теория электромагнитного поля Максвелла | 25 |
| 4 | Признание электромагнитного поля как самостоятельной физической реальности | 29 |
| | Заключение | 31 |
| | Список использованных источников | 33 |
Введение
Первые сведения об электрических и магнитных явлениях были известны уже в древности. Как правило, они были получены в результате хозяйственной деятельности человека, а также в результате случайных наблюдений. Так, древним ученым было известно свойство натертого янтаря притягивать легкие предметы (слово «электричество» происходит от греческого слова «электрон», что значит янтарь). Древние греки знали, что существует особый минерал - железная руда (магнитный железняк), способный притягивать железные предметы. А китайцам давно было известно свойство куска магнитного железняка ориентироваться в определенном направлении относительно частей света, что было использовано для устройства компаса.
Свойство магнита объясняли в организмическом духе: магнит уподоблялся живому существу. Говорили, что он имеет душу, которая и обусловливает свойство притягивать железо. Однако следует отметить, что уже в то время на Дальнем Востоке и Индии, в Древней Греции начинали делаться первые попытки объяснить происходящие явления на основе представлений о мире, которые отличались от мифологических и религиозных воззрений. Так атомисты объясняли магнитные явления материалистически.
С развитием мореплавания, к XII в., все большее внимание начинает уделяться изучению магнитного поля Земли, а вместе с этим и магнитным явлениям вообще (уже Колумб понял важность знания магнитного склонения).
Таким образом, развитие первых представлений об электромагнетизме стимулирует практическая деятельность человека в различных сферах жизни, но до возникновения первых научных теорий было еще далеко.
1 Исследование электрических и магнитных явлений в XVI – XVIII веках
1.1 Первые систематические исследования электричества и магнетизма
Систематические исследования электрических и магнитных явлений были начаты в конце XVI в. Уильямом Гильбертом (1544 - 1603) и явились первым существенным шагом в этой области. Далее они были продолжены такими учеными как О. Герике, Р. Гук, И. Ньютон, Р. Бойль.
В 1600 г. в своей книге «О магните, магнитных телах и великом магните Земли» Гильберт описывает уже известные факты из области магнетизма. В ней говорится о том, что магнитные свойства присущи только магнитной руде, железу и стали; что магнит всегда имеет два полюса и что одноименные полюса отталкиваются, а разноименные - притягиваются; описывается явление магнитной индукции.
Также он высказал гипотезу о земном магнетизме (Земля - большой шарообразный магнит, полюса которого расположены возле географических полюсов).
Уильям Гильберт уделил внимание исследованию электрических явлений. Электрические свойства в отличие от магнитных присущи многим веществам (янтарю, алмазу, хрусталю, стеклу, сере и многим другим).
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. Он также показал, что электрические явления следует отличать от магнитных.
В сочинении Гильберта много интересных наблюдений, но много и фантастики в духе средневековой алхимии. Однако после исследований Гильберта в течение более ста лет в учении об электричестве и магнетизме было получено мало новых результатов.
В начале XVIII в. опыты с электричеством становятся распространенным развлечением. Этому способствует появление многочисленных приборов и книг по электричеству. Теперь исследованиями электричества занимаются не только ученые, но и любители, причем исследователям-дилетантам принадлежит немалая роль в быстром развитии этой области знаний.
Известно, что Людовик XV и его двор забавлялись, пропуская через цепь солдат разряд электричества.
В 1700 г. доктор Уолл впервые увидел (и почувствовал) электрическую искру от большого наэлектризованного куска янтаря, - она проскочила ему в палец.
Френсис Гауксби, демонстратор Лондонского королевского общества, в 1706 г. сконструировал первую стеклянную электрическую машину. Он же обнаружил отталкивание наэлектризованных предметов.
Член Лондонского королевского общества Стефан Грей (1666 - 1736) в 1729 г. 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, а затем поставив на смоляной диск. Он же первым разделил все тела на проводники и непроводники электричества.
Французский естествоиспытатель Шарль Франсуа Дюфэ (1698 - 1739) в 1734 г. установил существование двух родов электричества. Он писал, что открыл принцип, «проливающий новый свет на электрическую материю. Этот принцип заключается в том, что существует два рода электричества, одно из которых я называю стеклянным электричеством, другое - смоляным электричеством. Первое имеет место в стекле, горном хрустале, драгоценных камнях, волосах, шерсти и во многих других телах. Второе - в янтаре, в камеди, шелке, нити, бумаге и в большом количестве других веществ. Характерным для этих двух электричеств является способность отталкивать и притягивать одно другое. Так, если тело обладает стеклянным электричеством, оно отталкивает тела, содержащие такое же электричество, и, наоборот, притягивает все то, что имеет смоляное электричество. Соответственно смоляное электричество отталкивает смоляное и притягивает стеклянное». То есть им были установлены два типа зарядов - положительные и отрицательные. Он впервые высказал мысль об электрической природе молнии и грома.
1.2 Изобретение лейденской банки
Существенным шагом в изучении электрических явлений явилось изобретение лейденской банки (стеклянного конденсатора) в 1745 -1746 гг., которое было сделано почти одновременно немецкими учеными Клейстом и Мушенбруком (1692 - 1761). Название связано с городом Лейденом, где Мушенбрук проделал первые опыты с лейденской банкой. Важность этого изобретения заключалась в том, что теперь физики могли получать значительные электрические заряды и экспериментировать с ними. Кстати, после этого изобретения опыты с электричеством стали опасными.
С изобретением лейденской банки ряд ученых обращает внимание на физиологическое действие электричества. Уже Мушенбрук писал: «Хочу сообщить... новый, но ужасный опыт, который не советую Вам повторять. Я занимался изучением электрической силы. Для этого я подвесил на двух шелковых голубых нитях железный ствол, получающий электричество от стеклянного шара, который быстро вращался вокруг оси и натирался руками. На другом конце висела медная проволока, конец которой был погружен в стеклянный круглый сосуд, заполненный наполовину водой, который я держал в правой руке; левой же рукой я пытался извлекать из электрического ствола искры. Вдруг моя правая рука была поражена ударом с такой силой, что все тело содрогнулось, как от удара молнии. Несмотря на то, что сосуд, сделанный из тонкого стекла, не разбивается и кисть руки обычно не смещается при таком потрясении, тем не менее локоть и все тело поражаются столь страшным образом, что я не могу выразить словами. Я думал, что все кончено» [4, 171].
У врачей и физиологов появляется мысль, что электричество играет важную роль в жизнедеятельности живого организма. Писались трактаты об «электричестве человеческого тела», об «электрической лечебной материи» и т. п. Хотя электричество в лечебных целях начали использовать гораздо позже, тем не менее, поиски способов такого применения уже в XVIII в. сыграли стимулирующую роль в развитии исследований электрических явлений.
1.3 Создание «унитарной теории» Б. Франклина
В связи с открытием электрической природы молнии исследование электричества приобретает практическое значение. Мысль об электрической природе молнии высказывалась и до изобретения лейденской банки. Однако только после того, как стало возможным искусственно получать большие заряды, она получила достаточное основание.
Известный американский ученый и общественный деятель Бенджамин Франклин (1706 - 1790) много занимался исследованием электрических явлений. Результаты своих работ в период с 1747 по 1754 г. он отправлял члену Королевского общества Коллинсону. «Письма» Франклина оказались необычайно популярными и были изданы отдельной книгой, а затем переведены на многие европейские языки.
В одном из своих писем Франклин изложил гипотезу об электрической природе молнии и предложил экспериментальный метод проверки этой гипотезы.
Следует отметить, что в середине XVIII в. Франклин дает очень важное теоретическое осмысление многочисленных опытов по электричеству. В его работах начинают формироваться понятия электрического заряда и закона его сохранения. Он делает попытку разработать «унитарную теорию». До Франклина же взгляды на природу электричества были примитивными и основывались на представлении о существовании «электрических атмосфер», «вихревой электрической материи» и т. д.
В основе «унитарной теории» лежало существование некой жидкой «электрической субстанции», состоящей из очень малых частиц и способной проникать внутрь материи, не встречая сопротивления. Между частицами электрической субстанции действуют силы отталкивания, а между этими частицами и частицами обычной материи - силы притяжения. Обычная материя впитывает частицы электрической субстанции подобно губке. Для каждого тела, считает Франклин, существует определенное количество электрической субстанции, вместив которое, тело полностью им наполняется и при этом оказывается электрически нейтральным. Если же сверх этого количества добавить телу еще некоторое количество электрической субстанции, то эта материя образует вокруг него электрическую атмосферу, тело будет наэлектризовано положительно. Если же у тела отнять некоторое количество электрической субстанции, то оно наэлектризуется отрицательно. По Франклину, при электризации никакая электрическая материя не создается, она только перераспределяется. И если одно из тех электризуется положительно, то другие тела должны электризоваться отрицательно. При этом количество положительного электричества равно образовавшемуся отрицательному электричеству.
Теоретические воззрения Бенджамина Франклина нашли понимание в тогдашнем научном сообществе. Однако были и несогласные. Аббат Нолле и некоторые другие ученые видели причину данного явления в процессах, происходящих не внутри электризуемых тел, а вне их, в пространстве. Оппозиция, особенно во Франции, был столь сильна, что Леминье, составлявший в 1752 г. статью «Электричество» для «Энциклопедии» Дидро, вообще обошел молчанием теорию Франклина.
Идея Франклина была развита петербургским академиком Францем Эпинусом (1724 - 1802). Эпинус также предполагал существование электрической жидкости, между частицами которой действуют силы отталкивания, а между ними и частицами обычных тел - силы притяжения.
Эпинус четко формулирует закон сохранения электрического заряда, ссылаясь на ряд своих опытов. Он пишет: «...ясно, что нельзя создать один вид электричества без того, чтобы не создать другого. Иными словами, если я хочу в каком-либо теле увеличить количество электрической материи, я должен неизбежно взять ее вне его и, следовательно, уменьшить ее в каком-либо другом теле. По этой же причине я не смогу где-либо уменьшить электрическую материю без того, чтобы не передать ее в другое тело и там ее не увеличить. Таким образом, едва возникает электричество положительное, как отрицательное возникает одновременно с ним и одно не может быть получено без другого» [4, 174].
Эпинусу принадлежит открытие явления индукции, которое подтверждает закон сохранения электрического заряда. Он также предполагал существование магнитной материи, частицы которой отталкиваются друг от друга и притягиваются частичками магнитных материалов.
Эпинус развивает представления об электрических взаимодействиях. Он считал, что электрическая материя собирается внутри наэлектризованного тела. Взаимодействие же наэлектризованных тел объясняется силами, действующими между частицами электрической материи, обычной материи и взаимодействием частиц той и другой между собой. Точно так же представляет Эпинус магнитную силу. При этом силы взаимодействия являются центральными и дальнедействующими. Они, подобно силам тяготения, действуют на расстоянии.
В своем главном сочинении «Опыт теории электричества и магнетизма», вышедшем в 1759 г., Эпинус, рассматривая вопрос о величине сил, действующих между электрическими зарядами и магнитами, высказывает предположение, что они, подобно силам тяготения, должны быть обратно пропорциональны квадрату расстояния.
Важно то, что теория Эпинуса явилась началом развития одного из основных направлений физики электрических и магнитных явлений, основанного на принципе дальнодействия. Если у Франклина еще нет определенного представления о природе электрических сил, то Эпинус совершенно определенно высказывается за принцип дальнодействия для электрических и магнитных взаимодействий.
2 Возникновение и развитие электростатики
2.1 Установление закона Кулона
Новый этап в истории учения об электричестве и магнетизме наступил тогда, когда начались исследования сил, действующих между наэлектризованными телами; при этом макроскопические явления в расчет не принимались. То есть новый этап связан непосредственно с установлением закона Кулона.
Следует отметить, что у Кулона было много предшественников. Гипотезу о том, что сила взаимодействия между магнитами и электрическими зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, была высказана Эпинусом. Ранее (в 1750 г.) гипотезу о силах, действующих между магнитами, высказал Майчелл, Д. Бернулли (в 1760 г.).
Фактически этот закон можно было установить уже из экспериментов Франклина. Джозеф Пристли (1733 - 1804), автор «Истории электричества» повторил опыты Бенджамина Франклина и высказал предположение: «Не следует ли из этого эксперимента, что сила притяжения электричества подчиняется тому же самому закону, что и тяготение, т. е. закону квадратов расстояния; так как показано, что если бы Земля имела форму скорлупы, то помешенное внутри ее тело не испытывало бы большего притяжения с одной стороны, нежели чем с другой».
Интересно отметить, что предшественники Кулона нередко предполагали существование аналогии между силами электрического или магнитного происхождения и силами тяготения.
В 70-х годах Генри Кавендиш (1731 - 1810) провел эксперимент, который имел цель установить закон взаимодействия между электрическими зарядами. Суть эксперимента в следующем: в полый металлический шар из двух половинок помещался другой шар, меньшего диаметра, покрытый фольгой, который был изолирован от внешнего шара. В маленькое отверстие, сделанное во внешнем шаре, вставлялась проволока, которая соединяла внутренний шар и металлические полушария, после чего полушария были заряжены электричеством и убраны. После этого исследовалось, какой электрический заряд оставался на внутреннем шаре. Этот заряд оказался равным нулю. Из проведенного опыта Кавендиш сделал следующий вывод: «электрическое притяжение и отталкивание должны быть обратно пропорциональны квадрату расстояния». Этот вывод следовал из теоретических расчетов. Однако, открытие Кавендиша не стало достоянием науки в силу скрытности его характера. О том, что Кавендиш открыл закон взаимодействия электрических зарядов еще в 1771 г., становится известно после того, как Максвелл в 1879 г. опубликовал его работы.
В 80-х годах французский военный инженер Шарль Огюстен Кулон (1796 - 1806) непосредственно измерил силы, действующие между электрическими зарядами. Долгое время он занимался исследованиями кручения нитей и установил соотношение
,где
- угол закручивания, p – закручивающая сила, l – длина нити, r – ее радиус. Для своего опыта Кулон сконструировал крутильные весы. При этом он использовал открытый им ранее закон пропорциональности между углом закручивания упругой нити и моментом силы. Крутильные весы Кулона представляли 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 в каждом эксперименте обеспечивал равенство взаимодействующих зарядов. Для этого шарики сначала приводились в соприкосновение, а затем разводились. При этом первоначальный заряд делился между ними поровну.
Результаты опытов были опубликованы в семи мемуарах, которые вышли в 1782 – 1785 гг. В первом из своих мемуаров 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.
Также Кулон исследовал вопрос о распределении зарядов по проводнику. Он показал, что весь заряд распределяется на поверхности. Рассматривая распределение электрического заряда по поверхности проводника, он на опыте показал, что «электрическая сила» (напряженность электрического поля) в каждой точке проводника пропорциональна плотности электрического заряда в этой точке.
Открытие закона Кулона завершает длительный процесс становления электростатики.
2.2 Разработка математической теории электричества и магнетизма
Развитие электростатики и магнетизма неразрывно связано с именами таких ученых как Пуассон, Грин, Гаусс.
Семеон Дени Пуассон (1781 - 1840) вводит принцип, который дает возможность определять поверхностную плотность электрического заряда во всех точках поверхности проводника, если известна его форма, решает задачи о распределении заряда на поверхности проводящего эллипсоида, а также двух заряженных проводящих сфер.
В 20-х годах Пуассон обратился к теории магнетизма. Развивая теорию магнетизма, Пуассон вводит понятие магнитного момента единицы объема, использует понятие потенциала.
В 1828 г. Георг Грин (1793 - 1841) в работе «Исследование математической теории электричества и магнетизма» указывает, что, несмотря на успехи в развитии общей аналитической теории электричества и магнетизма, общий метод решения задач еще не выработан и что он ставит перед собой такую задачу. В основу аналитической теории электричества Грин положил принцип, согласно которому электрические силы можно определить через некоторую функцию координат, так что слагающие этих сил по координатным осям равны частным производным от этих функций по соответствующим переменным, взятым с обратным знаком. Эта функция играет в теории Грина первостепенное значение. Он называет ее потенциальной функцией. Потенциальная функция определяется распределением зарядов. Ее значение в какой-либо точке равно сумме (или интегралу) всех элементарных зарядов, деленных на расстояние их до этой точки. Зная же значение потенциальной функции, можно простым дифференцированием найти значение электрических сил во всем пространстве.
Более трудной является задача, когда, говоря современным языком, заданы форма и расположение проводников в пространстве, их общие заряды и требуется определить распределение зарядов на этих проводниках. Эту задачу исследует Грин и разрабатывает для ее решения аналитический аппарат. Грин получил ряд новых математических результатов, в том числе и так называемую формулу Грина.
Важную роль в развитии аналитической теории электростатики и магнитостатики сыграли работы Гаусса (1777 - 1855). В 1839 г. было опубликовано его сочинение «Общая теория сил притяжения и отталкивания, действующих обратно пропорционально квадрату расстояния», в котором разработана общая теория потенциала. Гаусс доказал и известную теорему, связывающую величину потока напряженности поля сил тяготения или электрического поля через поверхность с общей массой или зарядом, находящимся внутри этой поверхности. Эту теорему в настоящее время иногда называют теоремой Гаусса – Остроградского.