Поле и его свойства

• Для описания электромагнитных явлении англ. Физик - самоучка Майкл Фарадей (1791 - 1867) в 30-е годы XIX века впервые ввел понятие поля.

• Наука о свойствах и закономерностях поведения электромагнитного поля называется электродинамикой. Среди всех фундаментальных взаимодействии - электромагнитное взаимодействие занимает первое место по широте и разнообразию проявлении (упругость, трение, свет, жизнь, химическая связь, различная форма тел).

К созданию электромагнитной теории поля привела цепь случайных открытий и кропотливых исследований:

1. обнаружения способности янтаря, потертого о шелк, притягивать легкие предметы;

2. обнаружение связи между электричестом и магнетзмом.

3. предложение англ. ученого Джеймса Клерка Максвелла идей о порождении магнитного поля переменным электрическим полем;

4. демонстрация «беспроволочного» распространения электромагнитных волн в 1886 году немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем.

5. открытие радио русским физиком А.С.Поповым.

* При разработке электромагнитной теории поля впервые научные исследования предшествовали техническим применениям. Если паровая машина была построена задолго до создания теории тепловых процессов, то сконструировать электродвигатель, радиоприемник оказалось возможным только после открытия и изучения законов электродинамики.

* Первоначально, выдвигалась механическая интерпретация поля как упругих напряжений гипотетической среды - «эфира». На представлениях ученых сказывались аналогии с волнами в жидких средах.

*В современной теории на роль «эфира» претендует физический вакуум. Первые представления о нем дал англ. физик П.Дирак- «море Дирака». За 300 лет эта абстракция представлялась ученым следующими категориями:

*Эфир Ньютона;

*Абсолютное пространство Ньютона;

*Светоносный эфир Гюйгенса;

*Гравитационный эфир Эйнштейна;

*Физический вакуум Дирака.

* Зная об открытом в 1820 г. Эрстедом магнитном действии тока, Фарадей поставил себе целью решить обратную задачу - превратить магнетизм в электричество.

* Значительным его успехом явилось открытие электромагнитной индукции.

* М.Фарадей опытным путем показал, что между магнетизмом и электричеством существует прямая динамическая, а не статическая связь.

* Фарадей и Максвелл признавали существование эфира: наэлектризованное тело создает особое состояние окружающей среды, вследствие чего действие этого наэлектризованного тела передается на другие тела.

*Электрические и магнитные поля – это особое состояние эфира, пронизанного силовыми линиями.

*Максвелл проявил большой интерес к силовым линиям Фарадея и в 1855 г. опубликовал первую статью «О Фарадеевских линиях силы"

* Основной работой Максвелла ( математическая теория электромагнитного поля) был 2-х томный «Трактат об электричестве и магнетизме» опубликованный в 1873 году. В нем содержались: уравнения, отображающие законы электромагнитного поля, методы измерения, описание измерительной техники, обзор теории электричества и магнетизма, подробное обоснование полученных уравнении поля ).

*Поле - особая форма материи: электромагнитное, гравитационное поля, поле ядерных сил, волновое (квантовое) поле элементарных частиц.

*Математически поле определяется тем, что в каждой точке пространства, где оно имеется, задается некоторая пространственная функция (скалярная, векторная, тензорная или др.), которая в общем случае может изменяться со временем.

*Созданием теории поля было показано, что в мире существует не только

вещество в виде тел, но и разнообразные физические поля.

Объектом изучения физиков наряду с веществом стали разнообразные поля картина мира приобрела более сложный характер.

*Из теории Максвелла следовало, что электромагнитные волны производят давление. Этот вывод был подтвержден русским физиком П.Лебедевым в 1899 году.

*Электромагнитное поле обладает, как и отдельные частицы, энергией,

количеством движения (импульсом), моментом количества движения, которыми оно может обмениваться с частицами, механическими системами, макротелами.

*Из теории электромагнитного поля Максвелла следует связь оптических, электрических и магнитных постоянных:

*Электромагнитное поле распространяется с конечной скоростью в пространстве v.

*Дальнейшее развитие теории электромагнитного поля нашло в работах Лоренца, в частности исследовалось явление дисперсии

*В отличии от механических волн, которые распространяются в веществе ( газе, жидкости твердом теле), электромагнитные волны распространяются и в вакууме.

*К электромагнитному полю применим принцип относительности Эйнштейна, т.к. электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью света во всех системах отсчета. Уравнения Максвелла инвариантны относительно преобразования Лоренца.

*ПО: Механические, оптические и электромагнитные явления во всех ИСО протекают одинаково.

*В середине XX века было открыто еще одно интересное свойство

электромагнитного поля: поле способно превращаться в обычное вещество

с образованием электронных пар, или с образованием протонных, мезонных и некоторых других пар.

*Было открыто и обратное явление - превращение вещества в поле, происходящее в результате аннигиляции пары частиц (электрон - позитрон).

*Поле обладает следующими свойствами:

1. непрерывности;

2. занимает большую часть пространства;

3. имеет бесконечное число степеней свободы;

4. не имеет массы.

*Для электромагнитных волн характерны следующие свойства:

1. амплитуда колебания;

2. частота;

3. фаза;

4. энергия.

Уравнения Максвелла.

1. Из первого уравнения Максвелла следует, что электрическое поле образуется зарядами, а его силовые линии имеют начало и конец в зарядах: « Теорема Гаусса»

2. Второе уравнение Максвелла показывает, что силовые линии магнитного поля всегда замкнуты на себя, а поле не имеет магнитных зарядов: « Теорема

отсутствия магнитных зарядов»

3. Третье уравнение свидетельствует о том, что электрический ток и переменное электрическое поле (ток смещения) создают магнитное поле: « Модифицированный закон Ампера»

*Магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (электрическим током), либо переменным электрическим полем.

4.уравнение представляет собой уравнение электромагнитной индукции, открытое Фарадеем. Из него следует, что изменение магнитного поля приводит к возникновению электрического поля:«Закон Фарадея»

* Источником электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющееся во времени магнитное поле.

* В стационарном случае: источником

эл.поля являются эл.заряды, а источником магнитного поля являются только токи проводимости.

* Электрическое и магнитное поля независимы.

* Упругая поперечная волна - электромагнитная волна.

Корпускулярно-волновые свойства света.

* Электромагнитная природа света – это лишь одна разновидность проявления света.

* Другая разновидность характеризуется его квантовой природой. Такое двойственное представление природы света сложилось в результате длительного развития теории света.

В конце 17 века одновременно возникли 2 теории света:

1. Ньютон предположил корпускулярную теория света.

2. Х.Гюйгенс (1629-1695) выдвинул волновую теория света.

В течение ста с лишним лет корпускулярная теория имела гораздо больше приверженцев, чем волновая.

В начале XIX века французскому физику О.Ж. Френелю (1788-1827) удалось на основе волновых представлений объяснить все известные оптические явления. В результате волновая теория света получила всеобщее признание, а корпускулярная теория была забыта почти на столетие. В 1851 году французский ученный Ж.Б.Л.Фуко (1819-1868) измерив, скорость света в воде еще сильнее укрепил волновую теорию света.

*Ряд новых опытов в конце XIX - начале XX века заставил вернуться к представлениям об особых световых частицах - фотонах.

*В одних явлениях: интерференция, дифракция, поляризация свет ведет себя как волна.

*В других (фотоэффект, эффект Комптона) как поток частиц - фотонов

*Ни электромагнитная теория Максвелла, ни электронная теория Лоренца не смогли объяснить ряд явлений ( испускание и поглощение света, фотоэлектрический эффект, комптоновское рассеяние, распределение энергии по длинам волн при тепловом излучении абсолютно черного тела).

*Количественные закономерности фотоэффекта были установлены в 1888-89 гг. русским физиком А.Г.Столетовым:

1. сила тока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, падающего на поверхность тела;

2. максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности светового излучения;

3. если частота света меньше некоторой для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффект не наблюдается.

Перечисленные противоречия были преодолены квантовой теорией М.Планка в 1900 году:

*Излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. определенными квантами, энергия которых определяется частотой

*В 1905 г. А.Эйнштейн создал квантовую теорию света, с помощью которой объяснил фотоэффект:

*Ни только излучение, но и распространение света происходит в виде потока световых квантов - фотонов, энергия которых определяется:

*Свет это единство дискретности и непрерывности, это и волна и корпускула. В этом состоит дуализм света.

• Майкл Фарадей ( 1791 - 1867 ) - англ физик, химик, член корол Лондонского общества, иностранный почетный член Петербургской Академии наук, ученик англ. физика Гэмфри Деви самоучка

1. Получение бензола.

2. Сжижение газов.

3. Электролиз воды.

4. Электролиз глинозема.

5. Никелирование.

6. Открытие электромагнитной индукции.

• Джеймс Клерк Максвелл (1831 - 1879)- англ. физик, член Лондон Королевского общества, организатор и первый директор Кавендишской лаборатории.

1. Работы в области молекулярно-кинетической теории газов.

2. Механика

3. Теория упругости.

4. Оптика.

5. Создал электродинамику.

6. Доказал пылевой состав колец Сатурна.