Дослідження електромагнетизму (1831-1840)

У 1822 році в лабораторному щоденнику Фарадея з'явився запис: «Перетворити магнетизм в електрику». Міркування Фарадея були наступними: якщо в досліді Ерстеда електричний струм має магнітну силу, а, на переконання Фарадея, всі сили перетворюються одна в одну, то і рух магніту повинен збуджувати електричний струм.

Шлях до електрогенератора виявився нелегким - перші досліди були невдалі. Головною причиною невдач було незнання того факту, що електричний струм породжується тільки змінним магнітним полем, причому досить сильним (інакше струм буде занадто слабкий для реєстрації). Для посилення ефекту слід було магніт (або провідник) швидко рухати, а провідник згорнути в котушку. Тільки через десять років, в 1831 році, Фарадей знайшов, нарешті, вирішення проблеми, виявивши електромагнітну індукцію. З цього відкриття почався найбільш плідний період досліджень Фарадея (1831-1840), що дав науковому світу його знамениту серію статей «Експериментальні дослідження з електрики» (всього він опублікував у «Philosophical Transactions» 30 випусків, що виходили з 1831 по 1835 рік). Вже в 1832 році Фарадей за відкриття індукції був нагороджений медаллю Коплі.

Повідомлення про досліди Фарадея негайно викликало сенсацію в науковому світі Європи. Якщо відкриття електродвигуна показало, як можна використовувати електрику, то досліди по індукції вказували, як створити потужне його джерело (електрогенератор). З цього моменту труднощі на шляху широкого впровадження електроенергії стали чисто технічними. Фізики та інженери активно зайнялися дослідженням індукційних струмів і конструюванням все більш досконалих електротехнічних пристроїв; перші промислові моделі з'явилися ще за життя Фарадея (генератор змінного струму Іполіта Піксі, 1839).

У1832 році Фарадей досліджував ще одну важливу в ті роки проблему. На той момент були відомі кілька джерел електрики: тертя, вольтів стовп, деякі тварини (наприклад, електричний скат), фарадеєвська індукція, термоелемент (відкритий в 1821 році, ефект Зеєбека). Окремі вчені висловлювали сумнів у тому, що всі ці ефекти мають єдину природу, і навіть використовували різні терміни: «гальванізм» , «тваринна електрика»

іт.п. Фарадей провів сотні дослідів і закрив проблему, показавши, що всі прояви електрики (теплові, світлові, хімічні, фізіологічні, магнітні і механічні) абсолютно однакові, незалежно від джерела її отримання.

У1845 році Фарадей ненадовго повернувся до активної роботи і зробив кілька видатних відкриттів, у тому числі: поворот площини поляризації світла в магнітному полі (ефект Фарадея) і діамагнетизм.

Час від часу стан здоров'я дозволяв Фарадею ненадовго повертатися до активної діяльності. У 1862 році він висунув гіпотезу, що магнітне поле може зміщувати спектральні лінії. Однак устаткування тих років було недостатньо чутливим, щоб виявити цей ефект. Тільки в 1897 році Пітер Зеєман підтвердив гіпотезу Фарадея (пославшись на нього як на автора) і отримав в 1902 році за це відкриття Нобелівську премію.

Електрохімія і магнітохімія

Фарадей вірив у єдність усіх сил в природі, тому природно було очікувати, що хімічні властивості і закони пов'язані з електричними. Підтвердження цьому припущенню він отримав в 1832 році, відкривши фундаментальні закони електролізу. Ці закони лягли в основу нового розділу науки - електрохімії, що має сьогодні величезну кількість технологічних застосувань. Вигляд законів Фарадея наводив на думку про існування «електричних атомів» з найменшим можливим зарядом; дійсно, на рубежі XIX -XX століть ця частинка (електрон) була виявлена, і закони Фарадея допомогли оцінити її заряд. Запропоновані Фарадеєм терміни іон, катод, анод, електроліт вкоренилися в науці.

Досліди з електрохімії дали ще один доказ близькодії електромагнетизму . Багато вчених вважали, що електроліз викликається тяжінням на відстані (іонів до електродів). Фарадей провів простий дослід: відділив електроди від змоченого соляним розчином паперу двома повітряними проміжками, після чого зазначив, що іскровий розряд викликав розкладання розчину. Звідси випливало, що електроліз викликається не дальнім тяжінням, а місцевим струмом, і відбувається він тільки в місцях проходження струму. Рух іонів до електродів відбувається вже після (і внаслідок) розкладання молекул.

У 1846 році Фарадей відкрив діамагнетизм - ефект намагнічування деяких речовин (наприклад, кварцу, вісмуту, срібла) протилежно напрямку діючого на нього зовнішнього магнітного поля, тобто відштовхування їх від обох полюсів магніту. Ці та інші досліди Фарадея заклали основу магнітохіміі.

Джееймс Клерк М аексвелл (13 червня 1831, Единбург, Шотландія — 5 листопада 1879, Кембридж, Англія) — шотландський вчений, який створив теорію електромагнітного поля і на підставі її зробив висновок, що змінні електричне і магнітне поля тісно пов'язані одне з одним, утворюючи єдине електромагнітне поле, яке поширюється у вигляді електромагнітних хвиль зі швидкістю світла. Ґрунтуючись на зв'язку електричних, магнітних та світлових явищ, Максвелл розробив теорію світла і тим об'єднав в одне ціле раніше розрізнені галузі електрики, магнетизму і оптики. Крім цього, Максвеллу належать великі відкриття і в інших галузях фізики, зокрема молекулярної кінетичної теорії газів.

Максвелл перевірив багато старих і вивів нові закономірності теорії пружності. Всього він вирішив 14 завдань про напруження всередині порожнистих циліндрів, стрижнів, круглих дисків, порожніх сфер, плоских трикутників, зробивши, таким чином, істотний внесок у розвиток методу фотопружності. Ці результати також представляли значний інтерес для будівельної механіки.

Гельмгольца. У експериментах зі змішування кольорів Максвелл застосував особливу дзиґу, диск якої був розділений на сектори, забарвлені в різні кольори (диск Максвелла). При швидкому обертанні дзиги кольори зливалися: якщо диск був зафарбований так, як розташовані кольори спектру, він здавався білим; якщо

Динамічна теорія газів

В 1859 році Максвелл виступив на зборах Британської Асоціації з доповіддю «Про динамічну теорію газів», в якій навів розподіл молекул за швидкостями (максвеллівський розподіл). Цей документ поклав початок багаторічним та плідним дослідженням Максвелла в області кінетичної теорії газів і статистичної фізики. Максвелл виходив з уявлення про газ як про ансамбль безлічі ідеально пружних кульок, хаотично рухомих у замкнутому просторі. Кульки (молекули) можна розділити на групи за швидкостями, при цьому в стаціонарному стані число молекул у кожній групі залишається постійним, хоча вони можуть виходити з груп і входити до них. З такого розгляду випливало, що «частки розподіляються за швидкостями за таким же законом, за яким розподіляються помилки спостережень у теорії методу найменших квадратів», тобто відповідно до статистики Гауса. У рамках своєї теорії Максвелл пояснив закон Авогадро, дифузію, теплопровідність, внутрішнє тертя (теорія перенесення). У 1867 показав статистичну природу другого закону термодинаміки («демон Максвелла»).

У1873 році вийшов капітальна двотомна праця Максвелла «Трактат про електрику і магнетизм» (A Treatise on Electricity and Magnetism), що містив відомості про існуючі раніше теорії електрики, методах вимірювання та особливості експериментальної апаратури, але основна увага була приділена трактуванні електромагнетизму з єдиних, фарадеєвскогох позицій. При цьому виклад матеріалу було побудовано навіть на шкоду власним ідеям Максвелла.

У«Трактаті» містилися основні рівняння електромагнітного поля, відомі нині як рівняння Максвелла. Втім, вони були представлені в не надто зручній формі (через скалярний і векторний потенціали), і їх було досить багато - дванадцять. Згодом Генріх Герц і Олівер Хевісайд переписали їх через вектори електричного і магнітного поля, отримавши у результаті чотири рівняння в сучасній формі. Хевісайд також вперше зазначив симетрію рівнянь Максвелла. Безпосереднім наслідком цих рівнянь стало передбачення існування електромагнітних хвиль, експериментально відкритих Герцем в 1887-1888 роках. Іншими найважливішими результатами, викладеними в «Трактаті», стали доказ електромагнітної природи світла і пророцтво ефекту тиску світла (як результату пондеромоторної дії електромагнітних хвиль), виявленого багато пізніше в знаменитих дослідах Петра Лебедєва. На основі своєї теорії Максвелл також дав пояснення впливу магнітного поля на поширення світла (ефект Фарадея). Ще один доказ справедливості теорії Максвелла - квадратичний зв'язок між оптичними (показник заломлення) і електричними (діелектрична проникність) характеристиками середовища - було опубліковано Людвігом Больцманом незабаром після виходу «Трактату».

Геенріх Рудольф Герц (22 лютого 1857 року, Гамбург, Німеччина

— 1 січня 1894 року, Бонн, Німеччина) —німецький вчений. Закінчив Берлінський університет, де його вчителями були Герман фон Гельмгольц і Густав Кірхгоф. З 1885 по 1889 рр.. був професором фізики Університету в Карлсруе. З 1889 року - професор фізики університету в Бонні.

Основне досягнення - експериментальне підтвердження електромагнітної теорії світла Джеймса Максвелла. Герц довів існування електромагнітних хвиль. Він докладно дослідив відбиття, інтерференцію, дифракцію і поляризацію електромагнітних хвиль, довів, що швидкість їх поширення збігається зі швидкістю поширення світла, і що світло являє собою не що інше, як різновид електромагнітних хвиль. Він побудував електродинаміку рухомих тіл, виходячи з гіпотези про те, що ефір захоплюється рухомими тілами. Проте його теорія електродинаміки не підтвердилася дослідами і пізніше поступилася місцем електронної теорії Хендріка Лоренца. Результати, отримані Герцем, лягли в основу розвитку радіо.

У 1886-87 рр.. Герц вперше спостерігав і дав опис зовнішнього фотоефекту. Герц розробляв теорію резонансного контуру , вивчав властивості катодних променів, досліджував вплив ультрафіолетових променів на електричний розряд. У ряді робіт з механіки дав теорію удару пружних куль, розрахував час зіткнення і т.п. У книзі «Принципи механіки» (1894 р.) дав висновок загальних теорем механіки та її математичного апарату, виходячи з єдиного принципу (принцип Герца) .

Іменем Герца з 1933 року називається одиниця вимірювання частоти Герц, яка входить в міжнародну метричну систему одиниць СІ .

З 1885 по 1889 роки Герц працював професором фізики технічного університету в Карлсруе. Саме в ці роки він провів свої знамениті досліди з розповсюдження електричної сили, які довели реальність електромагнітних хвиль. Апаратура, якою користувався Герц, може здатися тепер більш ніж простою, але тим цінніші отримані ним результати. Джерелами електромагнітного випромінювання у нього були іскри в розрядниках. Електромагнітні хвилі від розрядників викликали іскрові розряди між кульками в «приймачах» - розташованих в декількох метрах контурах, налаштованих в резонанс. Герцу вдалося не тільки виявити хвилі, в тому числі, і стоячі, а й дослідити швидкість їх поширення, відбиття, заломлення і навіть поляризацію. Все це дуже нагадувало оптику, з тією тільки відмінністю, що довжини хвиль були майже в мільярд разів більше.

Радіопередавач Герца на основі котушки Румкорфа ( з ударним збудженням коливального контуру ключовим переривачем ) .

Постійний струм від джерела, проходячи через котушку намагнічує її залізний сердечник, він притягує рухомий контакт і ланцюг розривається, коли магнітне поле зникає контакт замикається знову.

Експериментальний апарат Герца 1887 р.

Для проведення дослідів Герц придумав і сконструював свій знаменитий випромінювач електромагнітних хвиль, названий згодом «вібратором Герца». Вібратор представляв собою два мідних прутка з насадженими на кінцях латунними кульками і по одній великій цинкової сфері або квадратної пластині, що грає роль конденсатора. Між кульками залишався зазор - іскровий проміжок. До мідних стрижнів були прикріплені кінці вторинної обмотки котушки Румкорфа - перетворювача постійного струму низької напруги в змінний струм високої напруги. При імпульсах змінного струму між кульками проскакували іскри і в навколишній простір випромінювалися електромагнітні хвилі. Переміщенням сфер або пластин уздовж стрижнів регулювалися індуктивність і ємність ланцюга, що визначають довжину хвилі.