Развитие классической физики в XIX веке развитие учения об электромагнитных явлениях

1. Аналитические теории электростатики и магнитостатики.

В развитии аналитической теории электростатики и магнитостатики первые шаги были сделаны французским математиком и физиком Симеоном Дени Пуассоном (1781-1840). При разработке аналитической теории электростатики Пуассон исходил из представления о существовании двух электрических жидкостей, частицы которых взаимодействуют на расстоянии с силами, обратно пропорциональными квадратам расстояния, причем с силами отталкивания для одноименных частиц и силами притяжения для разноименных частиц.

Распределение плотности электрических зарядов на поверхности проводников определяет потенциальную функцию, получившую название силовой функции, которая должна удовлетворять уравнению, известному как уравнение Пуассона.

При разработке аналитической теории магнетизма Пуассон полностью разделял взгляды Кулона. Намагниченное тело он представлял себе как тело, состоящее из элементарных магнитиков – диполей. Вводя магнитный момент для диполя, а затем для единицы объема магнетика, Пуассон определяет потенциал магнитного поля в какой-либо точке пространства. Зная потенциал как функцию координат, можно найти слагающие напряженности магнитного поля.

Аналитическая теория равновесия электрических зарядов и магнитов была разработана независимо друг от друга английским математиком Джорджем Грином (1793-1841) и немецким математиком Карлом Гауссом (1777-1855).

Грин разработал общий метод аналитической теории электричества и магнетизма, в основу которого положил принцип, согласно которому электрические и магнитные силы могут быть определены через некоторую функцию координат, так что слагающие этих сил равны частным производным от этой функции, взятыми с обратным знаком. Грин дал этой функции название потенциальной. Он показал, что значение потенциала внутри любой поверхности или вне ее выражается через значение потенциальной функции и ее нормальной производной на этой поверхности. Таким образом, задача равновесного распределения электричества получила аналитическое решение в трудах Грина.

Аналитическая теория электростатики и магнитостатики была развита также в работах Гаусса, который изложил общую теорию потенциала.

Гаусс доказал теорему, связывающую величину потока напряженности поля сил тяготения или электрического поля с общей массой или зарядом, находящимся внутри поверхности, через которую берется поток. Эта теорема в настоящее время носит название теоремы Гаусса-Остроградского.

Аналитические теории электростатики и магнитостатики Пуассона, Грина, Гаусса основаны на континуалистской концепции электричества и магнетизма и представлениях теории дальнодействия.

2. Изучение законов электрического тока.

Следующий этап в развитии науки об электричестве связан с изучением движения электричества – электрическим током. В первой половине XIX в. началось изучение электрического тока и его действий. Был создан источник постоянного электрического тока — гальванический элемент, исследовались химические, тепловые, магнитные действия тока. Возникла и начала развиваться новая область учения об электричестве и магнетизме, названная одним из ее основоположников Ампером электродинамикой.

Открытие итальянским врачом Гальвани так называемого «гальванизма» привело к изобретению гальванического элемента, что сделало возможным исследования действий электрического тока.

Луиджи Гальвани (1737 — 1798) был профессором медицины в Болонье. Занимаясь физиологией и медициной, Гальвани заинтересовался физиологическим действием электрического тока и ролью электричества в деятельности живого организма. Гальвани наблюдал сокращения мышц препарированной лягушки при прикосновении к ним металлических предметов, когда вблизи проскакивали искры от кондуктора электрической машины или от лейденской банки.

Этот факт Гальвани рассматривал как открытие «животного» электричества, вырабатываемого организмом лягушки и являющегося одновременно «нервным флюидом».

Открытие Гальвани и его теория животного электричества, опубликованная им в 1791 г., вызвали большой интерес ученых. Среди них был и итальянский физик Алессандро Вольта (1745—1827). Проводя целый ряд исследований, он пришел к иному выводу, чем Гальвани. Экспериментируя с различными металлами, он заметил, что сокращение мышц лягушки определяется главным образом тем, какие употребляются металлы, и что однородные металлы или не вызывают, или почти не вызывают реакции. Отсюда Вольта заключил, что источником электричества являются не процессы, происходящие в организме лягушки: оно возникает в результате соединения разнородных металлов, лягушка же в данном случае играет роль только регистрирующего прибора. Вольта показал, что простое соприкосновение разнородных металлов приводит к их электризации, как будто электричество под действием какой-то силы перегоняется из одного металла в другой, в результате чего один металл заряжается положительно, а другой — отрицательно. Это было не что иное, как открытие контактной разности потенциалов у металлов (этот термин Вольта не употреблял).

Исследования Вольта гальванического электричества привели его к изобретению первого гальванического элемента, получившего название вольтова столба. В отличие от лейденской банки, действие столба непрерывно.

Таким образом, открытие гальванического элемента явилось важнейшим этапом в развитии учения об электричестве и магнетизме. С этого времени стало возможным исследование явлений, связанных с протеканием электрического тока.

Первые успехи в этом направлении были получены при исследовании химических действий тока (Гроттгус, Дэви, Паррот).

Борьба между приверженцами контактной и химической теорий длилась довольно долгое время и закончилась окончательно победой химической теории вместе с установлением закона сохранения и превращения энергии.

В первые два десятилетия XIX в. были получены также первые результаты в изучении тепловых и световых действий тока, а также результаты, относящиеся к законам постоянного тока.

Петров получил результаты, относящиеся к законам постоянного тока, что позволяет считать Петрова предшественником Ома, установившего законы постоянного тока.

Тепловое действие тока изучали независимо друг от друга Джоуль и Ленц и установили закон для количества тепла, выделяемого электрическим током.

Установление закона Джоуля-Ленца имело принципиальное значение и явилось одной из предпосылок к установлению закона сохранения и превращения энергии. Кроме того, закон Джоуля-Ленца устанавливал связь между тепловыми и электрическими явлениями.

Изучение магнитного действия тока связано с именем датского физика и химика Ханса Кристиана Эрстеда (1777—1851), который в 1819 г. открыл ориентирующее действие электрического тока на магнитную стрелку.

Открытие Эрстеда послужило толчком к изучению взаимодействия электрических токов, что привело у установлению новых открытий в области электромагнетизма. Так, Араго открыл в 1820 г., что проволочная спираль с током действует на железные опилки или иглу подобно магниту и способна их намагничивать. Подобного рода исследования привели к изобретению электромагнита. В 1825 г. англичанин Стерджен построил один из самых первых электромагнитов. К 30-м годам были построены довольно мощные электромагниты, способные поднимать большие грузы. Так, электромагнит американского физика Генри, построенный им в 1832 г., имел подъемную силу, равную двум тоннам.

В 1820 году немецкий физик Зеебек начал изучение «магнитной атмосферы» (то есть магнитного поля) вокруг различной формы проводников с током. Для этой цели Зеебек использовал магнитную стрелку и железные опилки. В результате своих исследований он получил картины силовых линий магнитного поля для различных случаев. В 1821 году Зеебек, изучая явление контакта двух разнородных металлов с разными температурами, включенных в электрическую цепь, открыл явление термоэлектричества.

Наконец, Био и Саваром был установлен количественный закон действия прямого тока на магнитную стрелку.

Гипотеза Ампера.

В 1820 г. электромагнитные явления начал изучать француз Андре Мари Ампер (1775—1836).

Он пытался искать в явлениях природы общие черты, общие закономерности, был противником концепции невесомых. В открытии Эрстеда Ампер увидел возможность отказаться от существования одной из таких материй. Следуя этой идее, Ампер выдвинул гипотезу об электрическом происхождении магнетизма. Он предположил, что все магнитные и электромагнитные взаимодействия, в конечном счете, сводятся к взаимодействиям между токами. Согласно его гипотезе, каждый магнит есть тело, в котором имеют место электрические токи (молекулярные токи). Взаимодействие магнитов обусловливается взаимодействием, которое всегда имеет место между токами.

Таким образом, Ампер все явления магнетизма свел к электродинамическим взаимодействиям, поэтому его считают создателем электродинамики. Однако, следует помнить, что электродинамика Ампера основывалась на теории дальнодействия, которая затем была отвергнута наукой, но тем не менее, идеи Ампера о сущности магнетизма вошли в теорию Максвелла.

Открытие Эрстеда положило начало количественным исследованиям электрического тока. Изобретение гальванометра позволило установить количественные законы постоянного тока. Как указывалось выше, Петровым было установлено, что действие гальванического элемента зависит от проводников, составляющих цепь, замыкающую этот элемент, и это действие тем больше, чем больше поперечное сечение проводников.

После Петрова на зависимость величины электрического тока от проводников обратил внимание Дэви. Он установил, что химическое действие тока тем значительнее, чем короче соединительные проводники и чем больше их поперечное сечение, а также зависит от свойств самого материала проводника.

В 1825г. немецкий физик Георг Ом (1787—1854) занялся экспериментальными исследованиями законов цепи постоянного тока.

Для количественной характеристики электрического тока Ом воспользовался его магнитным действием, построив для этой цели специальный гальванометр, который состоял из крутильных весов, на нити которых была подвешена магнитная стрелка. Пользуясь указанной установкой, Ом установил, что сила тока пропорциональна произведению поперечного сечения проводника и электрического напряжения на концах проводника, и обратно пропорциональна длине проводника. Коэффициент пропорциональности зависел от проводимости проводника. Эта формула называется теперь законом Ома.

В 1827 г. Ом дал теоретическое обоснование обнаруженным им закономерностям. Он исходил из представления об электрическом токе как о течении электрической жидкости вдоль проводника. При этом он основывался на аналогии с теплопроводностью и в своих теоретических построениях следовал Фурье. Подобно теплоте, электричество передается от одного элемента тела к другому — близлежащему, и количество передаваемого электричества пропорционально разности «электрических сил», которыми обладают эти два элемента, так же как передаваемое количество теплоты пропорционально разности температур.

Ошибочные взгляды Ома на «электроскопическую силу» были исправлены немецким физиком Кирхгофом. Кирхгоф в ряде работ, относящихся к 1845—1849 гг., устранил допущенную Омом ошибку в понимании электрического потенциала в цепи и, воспользовавшись теорией потенциала, разработанной в электростатике, сформулировал в общей форме закон Ома. Кроме того, Кирхгоф установил известные правила для электрической цепи, носящие его имя.

Третьим шагом в развитии электродинамики было открытие Фарадеем электромагнитной индукции.

В 1825г. Араго, 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, следует за его движением.

Араго не сумел объяснить открытое им явление, и некоторое время оно не получало объяснения. И только в 1831г. Фарадей, открыв явление электромагнитной индукции, объяснил опыт Араго.

Так же как Эрстед руководствовался идеей о связи между электричеством и магнетизмом, так и Фарадей руководствовался идеей о взаимной превращаемости «сил природы». Поэтому после открытия Эрстеда и Ампера, у Фарадея возникла мысль, что если электрический ток способен вызывать магнитные действия, то и обратно — магнетизм должен вызывать электрические явления. В 1823г. Фарадей поставил себе цель: «Обратить магнетизм в электричество, которую решил через 8 лет.

После открытия Фарадеем электромагнитной индукции встала задача количественного изучения этого явления. Это задача была решена петербургским академиком Эмилием Христиановичем Ленцем (1804—1865).

Исследуя явления электромагнитной индукции, Ленц дал общее правило для определения направления индукционного тока.

Первую математическую теорию электромагнитной индукции дал немецкий ученый Ф. Нейман в работах 1845 и 1847 гг., придерживаясь теории дальнодействия.

Другая теория электромагнитной индукции была развита немецким ученым Фехнером. Он объяснял электромагнитную индукцию исходя из сил взаимодействия между движущимися зарядами.

Подход Фехнера к построению теории электромагнитной индукции предвосхищает последующее объяснение этого явления с точки зрения электронной теории, исходя из сил, действующих между движущимися электрическими зарядами.

Идеи Фехнера были развиты Вебером, который построил общую теорию электромагнитных явлений. В основу этой теории Вебер положил предложенный им элементарный закон взаимодействия для движущихся электрических зарядов. Вебер исходил из предположения, что должен существовать единый закон взаимодействия электрических зарядов, применимый как для случая их покоя, так и для случая их движения.

Теория Вебера объединила все известные тогда электрические и магнитные явления и явилась вершиной учения об электричестве и магнетизме, основанного на представлении о дальнодействии. В дальнейшем эта теория начала испытывать затруднения.

Попытки как-то разрешить возникшие трудности или построить новую теорию, основанную на принципе дальнодействия, не привели к положительным результатам, и в развитии электродинамики возник кризис, который можно было разрешить, отказавшись от представления о дальнодействии. Новая теория электромагнитных явлений, основанная на представлении близкодействия, была развита Максвеллом, который разработал полевую концепцию, предложенную Фарадеем.