Site Loader

Содержание

Теория электромагнетизма Максвелла. История лазера

Теория электромагнетизма Максвелла

Столетием позже, в 1864 г., Дж. К. Максвелл (1831-1879) открыл электромагнитную, а не упругую природу световых колебаний, обобщив это в знаменитых уравнениях, которые носят его имя и описывают различающиеся электрические и магнитные явления (электромагнетизм) в общей форме и из которых можно предсказать существование света. Электромагнитные волны получаются за счет колебаний в пространстве и во времени электрических и магнитных полей. Они распространяются с впечатляющей скоростью 300 000 км?с-1, т.е. с той же скоростью, с которой, согласно измерениям, сделанным уже в 1675 г. Рёмером и позднее с высокой точностью И. Л. Физо (1819—1896) в 1849 г., распространяется свет. Максвелл предложил способ искусственного получения этих волн, и в 1887 г. Г. Герц (1857—1894) действительно смог получить электромагнитные волны с длиной волны порядка метров.

Джеймс Клерк Максвелл рассматривается вместе с Ньютоном и Эйнштейном как один из трех величайших гениев физики. Не случайно у Эйнштейна в его кабинете в Принстоне висел портрет Максвелла.

Максвелл родился в Эдинбурге (Шотландия) в семье среднего достатка. Его отец, Джон Клерк, был юристом, который унаследовал имение Максвеллов в Шотландии и стал членом их семьи. Он построил дом вблизи Глейнэйра, куда семья переехала вскоре после рождения Джеймса. Когда ему исполнилось восемь лет, его мать (с которой он был очень близок) умерла, и он остался с любящим отцом, который так и не женился больше. Максвелл любил рисовать, сочинял стихи и любил животных. У него было слабое здоровье, и он часто болел. Еще в школьные годы он заинтересовался математикой и геометрией. Его преподаватель в Эдинбургском университете профессор Джеймс Д. Форбс (1809—1868), который в течение многих лет был его наставником, представил в Эдинбургское Королевское общество одну из первых математических работ Максвелла 1846 г., касающуюся описания некоторых кривых. С 1847 по 1850 г. он учился в местном университете. В 1849 г. его профессор по математике Келланд представил в Эдинбургское Королевское общество еще одну его работу по кривым, а в 1850 г. работу по равновесию упругих тел. В эти же годы Максвелл интересовался цветным зрением. Он в 1850 г. поступил в Кембриджский университет и в 1855 г. получил ученую степень. Здесь он стал членом престижного Клуба Апостолов и в нескольких выступлениях показал свою глубокую заинтересованность в этико-философских, религиозных, логических и методологических вопросах. При подготовке к экзаменам на степень он стал интересоваться электричеством и магнетизмом. В то же время он изучил рыбий глаз и, получив математическое описание его свойств, показал условия совершенного фокусирования.

Спустя примерно полвека, Р. К. Люнебург заново открыл это, рассматривая линзы, обладающие свойствами, указанными Максвеллом. После получения степени для Максвелла в Кембридже не нашлось места, и он возвратился в Шотландию. С 1856 по 1860 г. он был профессором натуральной философии в Маришаль колледже Абердина. Эта должность хоть и не давала большого дохода, зато летние каникулы предоставляли массу свободного времени. Максвелл мог проводить шесть месяцев в своем имении Глейнэйра. В это же время он женился. Один из его студентов в Абердине, Давид Гилл (1843—1914), который позднее стал пионером применения фотографии в астрономии и Королевским Астрономом, так описывает уроки Максвелла:

«В те дни профессор был немногим лучше школьного учителя, а Максвелл не был хорошим учителем. Лишь четверо или пятеро из нас в классе с семьюдесятью или с восьмьюдесятью учениками получали от него знания. Мы оставались с ним на пару часов после лекций, до тех пор, пока его ужасная жена не утаскивала его на скудный обед в 3 часа дня. Сам он был симпатичным и очаровательным — часто задумывающимся и внезапно пробуждающимся чтобы сказать, о чем он размышлял. Многое мы не могли понять в то время, но впоследствии вспоминали и осознавали».

Исследования стабильности колец Сатурна позволили ему в 1857 г. выиграть приз и утвердили его как одного из лучших математических физиков своего времени. Проанализировав эту проблему, он получил вывод, что кольца образованы многими частицами, что в настоящее время подтверждается более точными астрономическими наблюдениями. С 1860 г. до 1865 г. он работал в Королевском колледже в Лондоне, где тщательно разрабатывал свои принципиальные работы, там же он встретился и часто общался с Майклом Фарадеем (1791—1867), отцом учения об электричестве, к которому относился с восхищением и от которого он многому научился в области электричества и магнетизма.

В 1865 г. почувствовав усталость, он на шесть лет уединился в своем доме в Гленлэре. Покидал он его только для коротких путешествий, одно из которых было в Италию в 1867 г. В Гленлэре, он закончил свою кинетическую теорию газов и написал свой знаменитый труд Treatise on Electricity and Magnetism, который содержит полностью разработанную теорию электромагнитного поля. В отношении уравнений, которые являются квинтэссенцией всей его работы, Эйнштейн сказал: «Специальная теория относительности обязана своим происхождением уравнениям Максвелла электромагнитного поля», а Больцман вопрошал: «Разве это не Бог, кто написал эти символы?»

В 1871 г. Максвелл занял кафедру экспериментальной физики в Кембридже и стал директором Кэвендишской лаборатории. Эта лаборатория была организована, в октябре 1870 г., когда герцог Девонширский, декан Кембриджского университета, решил поддержать строительство физической лаборатории и обеспечить ее оборудованием. Лаборатория была названа именем одного из родственников герцога, Генри Кэвендиша (1731—1810), который посвятил свою жизнь химии и экспериментальной физике, особенно интересуясь электричеством. Максвелл, активно работая по организации лаборатории, находил время для своего труда, который он опубликовал двумя годами позднее (1873). Он умер в Кембридже 5 ноября 1879 г.

Благодаря ему, мы обладаем фундаментальными основами теории электромагнетизма, а также термодинамики и кинетической теории газов, в которой он является одним из основателей наряду с Людвигом Больцманом (1844—1906) и Джошуа Виллардом Гиббсом (1839—1903). Кинетическая теория рассматривает газ, состоящим из огромного числа атомов или молекул, которые свободно движутся в пространстве, соударяясь друг с другом и со стенками сосуда. С помощью этой модели теория позволяет нам интерпретировать макроскопические свойства газов. Джон Херапат (1790-1868) первым установил связь между температурой газа и скоростью его молекул, хотя соотношение, которое он нашел, было ошибочным. Это также исследовалось англичанином Джеймсом П. Джоулем (1818—1889) и немцами Рудольфом Клаузиусом (1822—1888) и Людвигом Больцманом. Максвелл вывел из теории конкретные свойства газов, установив закон распределения скоростей молекул, рассматривая молекулы как маленькие бильярдные шары. Он получил выражения для давления, вязкости, диффузии и др. Он вывел теорему равнораспределения энергии, о которой мы будем говорить в дальнейшем. Максвелл рассматривал два возможных способа описания газа. Один основан на законах динамики и описывает детерминистическое поведение индивидуальных составляющих газа. Это дает полное описание системы. Другой метод является статистическим по природе и не принимает во внимание знание поведения индивидуальной молекулы, а имеет дело с огромным числом молекул. Система рассматривается, используя законы статистики. Это позволяет получить величины, которые описывают глобальные свойства газа, такие, как давление, температура и др.

Максвелл также интересовался теорией цветов, он развил и дополнил теорию физика и врача Томаса Юнга, который утверждал, что цветовое зрение получается комбинацией трех изображений в основных цветах, для которых в человеческом глазу имеются три вида соответствующих рецепторов. Максвелл идентифицировал эти три первичных цвета, из которых можно получить все цвета, как красный, синий и зеленый, и указал, что случай цветовой слепоты обусловлен отсутствием в глазу одного из трех рецепторов. Он указал, что если сделать фотографию через фильтры этих цветов, а затем соединить изображения, то получится цветная фотография объекта. Он практически продемонстрировал это собранию Королевского Общества в 1861 г., сделав фотографию закрученной в узел ткани с шотландским национальным рисунком. Эта была первая цветная фотография, полученная методом, который в существенных чертах используется и в наше время.

Однако теория электромагнитного поля — наиболее важный результат, полученный Максвеллом, и это, без сомнения, одно из важнейших достижений науки, на котором основана современная наука и техника.

В середине XIX в. электромагнетизм включал огромное число экспериментальных результатов, в которые значительный вклад внес Фарадей, но ожидалась общая теория, которая могла бы эти результаты интерпретировать.

Майкл Фарадей (1791-1867) является исключительным примером новаторского исследователя. Он был сыном кузнеца и начал работать с 13 лет подмастерьем в переплетной мастерской. Здесь он читал книги по химии и электричеству и делал эксперименты с помощью самодельных устройств. В 1813 г. он познакомился с химиком Хемфри Дэви (1778—1829) и стал его ассистентом в Королевском институте. Он был очень искусным экспериментатором и открыл фундаментальные явления, которые послужили основой электромагнитной теории Максвелла. Он разработал метод визуализации силовых линий электрических и магнитных полей. В качестве ассистента Дэви он в 1813—1815 гг. путешествовал по Европе, где знакомился с работами самых выдающихся исследователей континента.

В 1821 г. он, продолжая эксперименты датского физика Г. К. Эрстеда (1777—1851), показал, что магниты оказывают механическое действие на проводники, по которым протекает электрический ток. Позже он изучал явления электролиза, выраженные в законах, носящих его имя. В 1830— 1831 гг. он открыл явление электромагнитной индукции. Среди его последующих открытий — действие магнитного поля на поляризованный свет (эффект Фарадея) и диамагнетизм. В 1862 г. он пытался изучить действие магнитного поля на спектры света, пионерские исследования, которые позднее с успехом были выполнены П. Зееманом.

Максвелл блестящим образом интерпретировал результаты Фарадея и других исследователей, показав, что явления электрических и магнитных явлений тесно связаны, и в некоторых случаях электромагнитное поле может распространяться в виде волны. Отсюда следует, что свет является волной такого вида. Электромагнитная теория Максвелла встретила сильное сопротивление. Даже сам Максвелл и его ученики долгое время старались описать электромагнитное поле с помощью механических моделей. Только после продолжительных попыток объяснить его уравнения на основе механических моделей была окончательно принята концепция, что электрические и магнитные поля являются реальностью.

Рис. 6. Синусоидальная волна, видимая в заданный момент времени, как функция положения

Волновая теория рассматривает свет как колебания эфира и замечательно объясняет отражение, преломление, дифракцию и интерференцию, а также другие явления. Свойство света восприниматься окрашенным укладывается в свойствах волны. Белый свет есть ни что иное, как смесь всех цветов (факт, который еще Ньютон экспериментально продемонстрировал). Определенный цвет определяется длиной волны излучения (рис. 6), т.е. расстоянием между двумя соседними пиками волны. В видимой области эта длина волны обычно измеряется в ангстремах (один ангстрем или А° равен 10-8 см) и видимая область простирается от ~3800 А° (фиолетовый свет) до 7000 А° (красный свет). Число пиков волны, проходящих в секунду через заданную точку, является частотой волны и измеряется в герцах (Гц). Произведение длины волны и частоты равно скорости распространения волны. Например, зеленый свет имеет в вакууме длину волны 5500 А°, распространяется со скоростью 300000 км с-1 и имеет частоту 545 000 млрд. Гц. Излучения с большими длинами волн последовательно заполняют инфракрасные, микроволновые и радиоволны, А излучение с укороченными длинами волн являются ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-лучами (рис. 7).

Рис. 7. Электромагнитный спектр. Слева обозначены частоты, а справа — соответствующие длины волны

Электромагнетизм

Теория электромагнетизма в ее классическом понимании сформировалась в XIX веке. Это фундаментальное учение о том, как устроен наш мир.

Значение электромагнетизма заключается в том, что:

  1. Философское и мировоззренческое значение данной теории придает описание электромагнитного поля, как особой формы существования материи.
  2. Электромагнетизм играл значимую роль в появлении и развитии теории относительности.
  3. Данный раздел физики играет большую роль в научно – техническом прогрессе.

Замечание 1

Курс «Электромагнетизма» длительное время остается консервативным. Причиной тому служит завершенность теории.

Определение 1

Электромагнетизмом называют раздел физики, который посвящен изучению законов и явлений, связанных с электрическими и магнитными полями, их связью и взаимозависимостью.

Фундаментальными понятиями теории электромагнетизма являются:

  • заряд;
  • электрическое поле;
  • потенциал;
  • энергия поля;
  • электромагнитное взаимодействие;
  • магнитное поле;
  • магнитная индукция;
  • электромагнитное поле и др.

К основным законам электромагнетизма можно отнести следующие:

  • закон Кулона;
  • закон Ампера;
  • закон Био-Савара-Лапласа;
  • закон Ома;
  • закон индукции Фарадея;
  • уравнения Максвелла.{-12}$ Ф/м – электрическая постоянная; $\vec F_{12 }$ — сила, действующая на заряд $q_2$ со стороны заряда $q_1$.

    Рисунок 1. Закон Кулона. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

    Готовые работы на аналогичную тему

    Замечание 2

    Одноименные заряды отталкиваются, противоположные притягиваются.

    Закон Кулона – это основной закон электростатики.

    Для вычисления сил взаимодействия заряженных тел произвольных форм и размеров используют принцип суперпозиции, который можно сформулировать следующим образом:

    Взаимодействие пары точечных зарядов не изменяется, если внести третий заряд. Он будет взаимодействовать с первыми двумя зарядами.

    Закон Ампера

    Датский физик Г. Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка, при нахождении рядом с проводом с током может поворачиваться. Данное открытие стало основанием для вывода о связи магнитных и электрических явлений. Основным в открытии Эрстеда было то, что магнит реагировал на перемещающийся электрический заряд.{2}}\sin {\alpha \, \left( 3\right),}$,

    где $Idl$ — элемент с током, который создает магнитное поле; $r$ — расстояние до точки в которой поле рассматривается поле; $\alpha$ — угол между векторами $d\vec l$ и $\vec r$.

    Полученный вектор индукции нормален к векторам $d\vec l$ и $\vec r$, его направление определяют при помощи правила буравчика:

    Если правый винт поворачивать по направлению тока, то вектор индукции в каждой точке параллелен направлению бесконечно малого перемещения конца рукоятки буравчика.

    Замечание 3

    Закон Био – Савара- Лапласа играет такую же роль в магнитостатике, как закон Кулона в электростатике.

    Закон Ома

    В начале XIX века Г. Ом рассматривая процессы течения электрического тока в цепи, имеющей источник установил, что:

    $I=\frac{Ɛ}{r+R}\left( 4 \right)$,

    где $I$ — сила тока в цепи; $Ɛ$ — электродвижущая сила источника тока; $r$ — внутреннее сопротивление источника; $R$ — сопротивление цепи (внешнее). Выражение (4) описывает ситуацию в замкнутой цепи.

    Если рассматривать участок цепи, по которому течет ток, то закон Ома представляется в виде:

    $I=\frac{U}{R}\left( 5 \right)$.

    где $U$ — напряжение участка; $R$ — сопротивление участка.

    Если участок цепи содержит источник, то закон Ома предстанет в виде:

    $IR=Ɛ-Ir$(6).

    Выражение (6) означает, что напряжение на нагрузке меньше ЭДС на величину, равную падению напряжения ($Ir$) на внутреннем сопротивлении источника.

    Закон Ома в виде (4-6) называют законом в интегральной форме.

    Закон Ома в дифференциальной форме можно записать как:

    $\vec{j}=\frac{1}{\rho }\vec{E}\left( 7 \right)$,

    где $\vec j$ — вектор плотности тока; ρ – удельное сопротивление проводника; $\vec E$ — вектор напряженности электрического поля.

    Закон индукции Фарадея

    Электромагнитная индукция была открыта Фарадеем в 1881 году.

    Фарадей понимал электромагнитную индукцию как возбуждение токов в проводниках под воздействием магнитного поля.

    Экспериментально доказано, что электродвижущая сила (ЭДС) ($Ɛ $) индукции в контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока сквозь рассматриваемый контур. В Международной системе единиц (СИ) данный результат выражен формулой:

    $Ɛ=-\frac{dФ}{dt}\left( 8 \right)$,

    где $Ф$ -переменный магнитный поток через замкнутый контур или его часть.

    В общем случае изменение магнитного потока сквозь плоский контур вызвано:

    • переменным во времени магнитным полем;
    • движением контура в поле и переменой его ориентации.

    Уравнения Максвелла

    Максвелл доказал, что сущностью электромагнитной индукции стало создание магнитным полем вихревого электрического поля. Индукционный ток является вторичным эффектом, который появляется в проводящих веществах. Трактовка электромагнитной индукции, которую дал Максвелл стала более общей.

    Уравнения Максвелла стали математическим основанием классического электромагнетизма.

    Запишем их в виде системы:

    $rot\, \vec{E}=-\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}\left( 9 \right)$,

    $rot\, \vec{H}=\vec{j}+\frac{\partial \vec{D}}{\partial t}\left( 10 \right)$,

    $div\, \vec{D}=\rho \left( 11 \right)$,

    $div\, \vec{B}=0\left( 12 \right)$.

    В выражениях (9)- (12) мы имеем: $\vec E$ и $\vec D$ — напряженность и индукция электрического поля;

    $\vec H$ и $\vec B$ — напряженность и магнитная индукции;

    $\rho$ — объемная плотность электрического заряда;

    $\vec j$ — плотность тока.

    Уравнения Максвелла у нас представлены в дифференциальной форме. Для однозначного описания электромагнитных полей уравнения Максвелла дополняют материальными уравнениями среды. В общем виде они записываются в виде функций:

    $\vec D=\vec D(\vec E)$; $\vec B=\vec B(\vec H)$; $\vec j=\vec j(\vec E)$.

    PIERS 2017: электромагнетизм притягивает в Петербург ученых со всего мира

    В течение четырех дней более 1300 ученых мирового уровня обсудят самые актуальные проблемы электромагнетизма и его место в повседневной жизни человека.

    Симпозиум PIERS — один из самых авторитетных международных форумов для обсуждения и пропаганды передовых достижений теоретической и прикладной электродинамики и ее приложений. Он проходит ежегодно в различных городах Европы, Азии или США. Симпозиум был организован в 1989 году Академией электромагнетизма (США).

    Симпозиум PIERS был организован в 1989 году Академией электромагнетизма (США) и уже в 38-й раз собирает самых видных деятелей в этой области. «Наша цель — продвижение и распространение знаний об электромагнетизме не только в научном сообществе, но и значительно шире. Помимо уравнения Максвелла мы обсудим широкий круг вопросов — от оптики и вычислительной математики до микроволнового излучения», — рассказал на пресс-конференции, посвященной открытию симпозиума, президент Академии электромагнетизма, председатель PIERS, профессор Мичиганского университета Лён Цан.

    С инициативой проведения PIERS 2017 в Северной столице выступил профессор СПбГУ Иван Андронов, который стал председателем организационного комитета симпозиума.

    Последняя крупная конференция, посвященная электромагнитной теории, прошла в СПбГУ в 1995 году в честь 100-летия радио.

    Профессор СПбГУ Иван Андронов

    Соорганизатором PIERS 2017 в Петербурге выступает СПбГУ — центр становления и развития петербургской физической школы. В Университете трудились многие выдающиеся физики: Э. Х. Ленц; О. Д. Хвольсон; основатель петербургской школы оптики Д. С. Рождественский, ставший учителем знаменитых ученых А. Н. Теренина, Е. Ф. Гросса и С. Э. Фриша. Три выпускника Университета — Н. Н. Семенов, Л. Д. Ландау, А. М. Прохоров — стали лауреатами Нобелевской премии. Неоценимый вклад в разработку теории электромагнетизма и его приложений внесли выдающиеся ученые Университета А. С. Попов и В. А. Фок.

    В современном мире результаты исследований в области электромагнетизма используются в самых разных областях: от энергетики и транспорта до медицины и дистанционного зондирования земли и атмосферы. «Благодаря специальным зондам, которые расположены на спутниках, у нас есть возможность изучать процессы, протекающие, как на поверхности земли, так и в толще океана, и в атмосфере. Это позволяет нам изучать климат и его изменение, а также проводить разведку минеральных ресурсов планеты. Например, при помощи микроволн мы можем проследить, как происходит таяние льда в Северном Ледовитом океане и ледниковых щитов в Антарктиде», — отметил профессор Лён Цан.

    Наиболее значительный экономический эффект уже сейчас приносят технологии, улучшающие скорость обмена информацией, — широкополосный Интернет, что стало возможным благодаря активному развитию оптоволокна. Другой важной областью применения знаний о свойствах электромагнитного поля является медицина. Так, неотъемлемой частью компьютерного томографа, без которого невозможна современная медицинская диагностика, является источник магнитного поля. По словам профессора Чешского технического университета Яна Врбы, важным дополнением современного курса химиотерапии при лечении раковых заболеваний является микроволновая гипертермия.

    Помимо научной проблематики в рамках симпозиума будут обсуждаться вопросы образования и преподавания отдельных направлений физической науки. Какие вызовы стоят перед современными университетами — участники симпозиума определят во время специальной сессии «Образование в электромагнетизме».

    Также в программу PIERS 2017 in St. Petersburg вошел конкурс докладов молодых ученых. На первом этапе среди большого числа поступивших заявок было отобрано 30 финалистов. Во время очного этапа эксперты оценят не только актуальность исследований, но и мастерство устной презентации, и определят пять победителей, которые получат денежные вознаграждения.

    Изящество электромагнетизма в новой форме — Энергетика и промышленность России — № 20 (184) октябрь 2011 года — WWW.EPRUSSIA.RU

    Газета «Энергетика и промышленность России» | № 20 (184) октябрь 2011 года

    На эту тему готов поспорить технический директор ООО «Волга Трансфо» (Чебоксары), д. т. н. Владимир Казаков. Он предлагает технологию, которая вполне может перевернуть если не весь мир, то сферы трансформаторостроения – точно. По словам господина Казакова, любые прикладные научные работы возможны только при наличии новой фундаментальной школы.

    – Теория пока нова, и думаю, что через десятки лет в мире появятся научные прикладные работы в нашем направлении, а пока приятно быть пионерами, – сказал Владимир Викторович.

    – В чем суть трансформатора нового поколения?

    – Это конструктивное решение электромагнитных трансформаторов, одно из практических воплощений нашей фундаментальной работы «Метод индивидуального рассмотрения поля движущихся электрически заряженных частиц». Благодаря этой теории стало понятно поведение магнитных потоков в электромагнитных устройствах, объясняющее ранее непонятные явления, например взаимодействие параллельных потоков, ответственное за гигантские магниторезистивности в ферромагнитных проводниках.

    Одиннадцать новых явлений использовано в новых трансформаторах типа MTS. Благодаря этому размеры и вес нового трансформатора по сравнению с лучшими аналогами снижены более чем в два раза. В отличие от обычных трансформаторов, новые трансформаторы не имеют бросков тока намагничивания сердечника, то есть более надежны, фазносимметричны, имеют высокую линейность характеристик. Естественная конструкция выводов обеспечивает слабое поперечное подмагничивание, то есть уменьшение гистерезиса сердечника, конструкция фольговых обмоток обеспечивает компенсацию эффекта Холла, то есть снижает межобмоточные наводки, новый эффект продольной гигантской отрицательной магниторезистивности уменьшает потери в обмотках, контейнерная конструкция изоляции обмоток обеспечивает высокоэффективное охлаждение и электрическую прочность.

    Разные исполнения новых трансформаторов могут применяться в качестве измерительных трансформаторов тока и напряжения, силовых трансформаторов разных частот, напряжений и мощностей в электронике, электротехнике и электроэнергетике. Благодаря превосходящим характеристикам новых трансформаторов существенно улучшаются характеристики устройств с их использованием. Более компактными и надежными становятся источники питания компьютеров и ноутбуков, вместо масляных трансформаторов становится возможным применение новых сухих недорогих трансформаторов. Коммерчески привлекательно применение в сетях электротранспорта и электролизеров алюминиевой промышленности.

    – Откуда возникла идея трансформатора, какие результаты прошлых разработок вы использовали в создании нового продукта?

    – Когда у меня в 2004 году возникла эта идея, она была поддержана моим учителем Геннадием Александровичем Немцевым и моим сыном Олегом. Они помогли развеять мои классические сомнения экспериментами, например, были проведены точные калориметрические сравнительные исследования новых и классических трансформаторов. С этого момента мы приступили также и к теоретической работе, так как в новом изделии выявилось целое семейство новых эффектов, необъяснимых с точки зрения устаревшей теории электромагнетизма. Основная трудность была в рыночной дороговизне и низком качестве электролитического железа, которое используется взамен электротехнических сталей. Пришлось создать новую технологию для производства этого материала для наших трансформаторов. Фундаментальная теория неожиданно получилась легкой и изящной, из нее как частные случаи этой общей теории исходят известные уравнения, например уравнения Максвелла и т. д.

    – Известно, что данный трансформатор входит в список двенадцати открытий в сфере электромагнетизма. Какова суть остальных одиннадцати ваших проектов?

    – Новые законы и явления постепенно, но успешно публикуем, в том числе отражаем докладами на международных конференциях. Все они взаимосвязаны тематикой. Одиннадцатая и двенадцатая работы касаются спинтроники и диаграмм излучения спин-поляризованными электрическими токами, с вычислениями коэффициентов Лоренца в электромагнетизме и униполярными источниками электрических зарядов. Все наши работы патентуются, и по мере получения европатентов и появления товарной продукции с ними можно будет ознакомиться.

    – Говорят, ваша технология была оценена президентом Дмитрием Медведевым. По слухам, глава государства высказал готовность профинансировать серийный выпуск такой продукции. Так ли это? И когда начнется производство новых трансформаторов в России?

    – Первый раз об этом слышу. Мы не привыкли привлекать правительство к нашим вопросам, поскольку нами решено, что мы никогда не будем иметь проблем с рэкетом со стороны чиновников из региональных властей. Не дело властей заниматься промышленностью, они должны заниматься правильными законами, чтобы промышленность не только могла еле‑еле полувыживать, но и как‑то создаваться и развиваться. Смотрите прекрасную историю, например, о налоговых и других законах при Вильгельме в Германии. Я вел несколько лет научно-промышленный бизнес в Германии и прекрасно знаю отличия, сравнивая свой былой производственный российский бизнес. Я думаю многие бывшие местные чиновники, создавшие сегодня свой «ларечный» бизнес на ворованном имуществе (мои бывшие производственные предприятия «Бэла», «Аудиокристалл», «Сиэсс Электроникс») со стыдом, если способны, подтвердят это.

    Поэтому, кроме опытной партии, ничего никогда выпускать в России не планируем. Такой возможности я не вижу. При коррумпированной экономике сии потуги бесполезны. Мои заводы будут только в цивилизованных странах.

    – Как ваши зарубежные коллеги оценивают технологию? Не высказывались ли предложения о покупке лицензии для выпуска трансформаторов за рубежом?

    – Ученый мир воспринимает работы с большим интересом. Несколько патентов и лицензий на право производства в стадии продажи, остальное сохраняем у себя. Я думаю, что после выхода новой продукции на мировой рынок можно будет судить о ее достоинствах.

    Сейчас мы занимаемся только технологией, отработкой и испытаниями. К сожалению, говорить о будущем очень сложно, и мы ничего не планируем. Все должно идти чередом. Неосуществление одних событий не дает возможностей для появления других. Чудес не бывает. Нас это устраивает вполне.

    Классическая теория — электромагнетизм — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

    Классическая теория — электромагнетизм

    Cтраница 1

    Классическая теория электромагнетизма наряду с классической и квантовой механикой является в настоящее время одной из основных теоретических дисциплин при подготовке физиков.  [1]

    Классическая теория электромагнетизма имеет дело с электрическими зарядами, токами и их взаимодействиями в предположении, что все эти величины можно измерить независимо друг от друга, с неограниченной точностью. Здесь термин классическая означает просто не квантовая. Квантовые законы с их постоянной h игнорируются в классической теории электромагнетизма, так же как в обычной механике. Действительно, классическая теория была почти закончена до открытия Планка.  [2]

    Но классическая теория электромагнетизма не содержит ничего, что оправдывало бы, по существу, такое неравенство электричества и магнетизма.  [3]

    Из классической теории электромагнетизма следует, что это может произойти, если электроны вынуждены двигаться по спирали, причем проводник в виде правой спирали дает правое вращение. Модель Друде [7], однако, основывалась на взаимодействии вещества только с электрическим полем света и, как показали Борн [8] и Кун [9], оказалась ошибочной. Используемая в настоящей работе модель близка к модели Козмана [2], но не идентична ей; она была упрощена и приведена в соответствие с работой Козмана для удобства тех, кто желает более детально ознакомиться с математической стороной его теории. Как и Козман [2], мы используем простую классическую электромагнитную волновую модель света. Там, где он рассматривает движение двух электронов в двойной спирали, мы ( в согласии с Тиноко и Вуди [3]) рассматриваем простую спираль, имеющую свойства однородного макроскопического проводника.  [4]

    Рассеяние электромагнитного излучения веществом представляет собой важную часть общей классической теории электромагнетизма. Настоящая глава посвящена другой стороне проблемы: рассеянию света газами и жидкими растворами. Существенным обстоятельством является то, что интересующие нас рассеивающие частицы располагаются относительно друг друга случайным, образом, так что каждая из них представляет собой независимый источник рассеянного излучения. Недавний обзор Гейдушека и Хольтцера9 представляет собой обстоятельное описание применения рассеяния света к изучению свойств макромолекул.  [5]

    Разработка теории электромагнитных явлений Д. К. Максвеллом в Трактате об электричестве и магнетизме ( 1873 г.) завершает создание классической теории электромагнетизма.  [6]

    Эти две системы уравнений — ( 14) и ( 16) — кажутся совершенно различными. В классической теории электромагнетизма уравнения ( 14) описывают электромагнитное поле в координатах Минковского. Заряды и поля в теории Максвелла существуют и изменяются в плоском пространстве. В общей теории относительности гравитационное поле является свойством пространства и определяется геометрией этого пространства. На геометрию влияет присутствие масс. Движение бесспиновых частиц, испытывающих гравитационное взаимодействие, дается геодезическими линиями. Поэтому полагали, что общая теория относительности принципиально отличается от теории электромагнетизма.  [7]

    В физике существует значительное количество примеров успешного использования метода аналогий, и это является предпосылкой того, чтобы придать аналогии статус одного из основных методов научного познания. Максвелл [17] сопоставил созданную им классическую теорию электромагнетизма с гидродинамикой несжимаемых жидкостей и подчеркнул значение такого подхода в науке: Для составления физических представлений с ледует освоиться с существованием физических аналогий.  [8]

    Достигнутая в результате краткость изложения помогла решению второй задачи: охвату как можно более широкого круга электромагнитных явлений. При этом пришлось использовать понятия и результаты, не относящиеся непосредственно к классической теории электромагнетизма. В основном это касается электромагнитных явлений в веществе, связанных с атомной структурой материи. Притих рассмотрении используются представления квантовой теории, лежащей в основе динамики атома: о разделении фазового пространства на элементарные ячейки определенной величины, необходимом при построении квантовых статистик; о квантовании орбитального момента количества движения; о спиновом моменте. На основе этих представлений и принципа Паули излагаются электронная теория металла и теория пара — и ферромагнетизма.  [9]

    Черенков обнаружил, что направление испускания света сильно коррели-ровано с направлением падающего излучения. В 1937 г. Франк и Тамм) удачно объяснили эти результаты с помощью классической теории электромагнетизма.  [10]

    Конечно, классическая теория была основательно подкреплена экспериментом и поэтому ее можно было применять без малейшего опасения к таким объектам, как катушки, конденсаторы, переменные токи и, в конце концов, радио — и световые волны. Но даже столь большой успех не гарантирует ее справедливости в других областях, например, внутри молекулы. Сохранившееся в современной физике значение классической теории электромагнетизма объясняется двумя фактами. Во-первых, специальная теория относительности не требует пересмотра классического электромагнетизма.  [11]

    Классическая теория электромагнетизма имеет дело с электрическими зарядами, токами и их взаимодействиями в предположении, что все эти величины можно измерить независимо друг от друга, с неограниченной точностью. Здесь термин классическая означает просто не квантовая. Квантовые законы с их постоянной h игнорируются в классической теории электромагнетизма, так же как в обычной механике. Действительно, классическая теория была почти закончена до открытия Планка.  [12]

    Магнитные свойства, обусловленные электронами, имеют двоякое происхождение. Во-первых, каждый электрон сам по себе является магнитом. С точки зрения доквантовой механики электрон можно рассматривать как маленький шарик с отрицательным зарядом, вращающийся вокруг своей оси. В соответствии с классической теорией электромагнетизма вращение любого заряда вызывает появление магнитного момента. Во-вторых, электрон движется по замкнутому пути вокруг ядра и, опять-таки по классическим представлениям, при этом должен появиться такой же магнитный момент, как при протекании электрического тока по замкнутому проводнику. Разумеется, описанную физическую картину не следует понимать буквально, поскольку она не согласуется с квантовомеханическими представлениями и не может служить основой для строгих количественных расчетов. Такая схема полезна лишь для предварительного качественного списания.  [13]

    Первый из них состоит в следующем. Прежде всего заметим, что все известные силы имеют лишь несколько физических источников: либо они являются гравитационными, либо электромагнитными, либо, возможно, ядерными. Целью правильно построенной теории этих сил является дать для них соответствующие выражения, и если они будут даны в ковариантной форме, то тем самым станут ясными правила преобразования составляющих этих сил. К сожалению, однако, мы не имеем ковариантно построенных теорий для всех перечисленных сил, а что касается ядерных сил, то здесь мы вообще не имеем какой-либо теории, заслуживающей того, чтобы о ней говорить. И лишь только классическая теория электромагнетизма, можно надеяться, даст нам ковариантные выражения для сил, так как преобразования Лоренца были построены как раз так, чтобы сохранялась инвариантность электромагнитных процессов. Но этого для нас достаточно, так как правила преобразования должны быть, конечно, одинаковыми для сил любой природы. Если все силы преобразовываются по одному правилу, то утверждение точка находится в равновесии под действием двух сил должно быть справедливым во всех лоренцовых системах.  [14]

    Поскольку основные положения теории относительности известны из курса механики, можно при изложении электричества и магнетизма с самого начала опираться на релятивистскую природу магнитного поля и представить электрическое и магнитное поля в их взаимной связи и единстве. Поэтому изложение материала в данной книге начинается не с электростатики, а с анализа основных понятий, связанных с зарядами, силами и электромагнитным полем. При этом определенный запас сведений о законах электромагнитных явлений, имеющийся у студента из курса физики средней школы, преобразуется в современное научное знание, а обоснование теории анализируется в свете современного состояния экспериментальных основ электромагнетизма с учетом пределов применимости используемых понятий. Это приводит иногда к необходимости выхода за пределы теории электромагнетизма в строгом смысле этого слова. Например, вопрос об экспериментальном обосновании закона Кулона для больших расстояний не может быть изложен без упоминания о его связи с нулевой массой покоя фотонов. И хотя полностью и строго этот вопрос излагается в квантовой электродинамике, его основные общие черты целесообразно изложить в классической теории электромагнетизма. Это создает у студента общее представление о проблеме и о связи изучаемого материала с материалом будущих курсов. Последнее обстоятельство имеет немаловажное методическое значите.  [15]

    Страницы:      1    2

    Теория электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла — первая теория объединения взаимодействий. Опыт Майкельсона

    Введение 3
    1. Теория электромагнетизма Максвелла 5
    1.1. Закон электромагнитной индукции 5
    1.2. Уравнения Максвелла 10
    1.3. Идея построения единой теории фундаментальных взаимодействий 12
    2. Опыт Майкельсона — Морли 14
    Заключение 16
    Список использованной литературы 17

    1. Баранов А. М., Овчинников С. Г., Золотов О. А., Паклин Н. Н., Титов Л. С. Теоретическая физика: Электродинамика. Электродинамика сплошных сред. Учебное пособие по курсу «Электродинамика и основы электродинамики сплошных сред» // СФУ, Красноярск, 2008. — 198 с.
    2. Беляев А. С. Теоретические основы взаимодействия вакуума с веществом. Монография. М.: Академия, 2011. — 384 с.
    3. Бондарев Б.В., Калашников Н.П., Спирин Г.Г. Курс общей физики: Электромагнетизм. Волновая оптика. Квантовая физика: Учебное пособие. М.: Высшая школа, 2008. — 438 с.
    4. Болибрух А. А. Уравнения Максвелла и дифференциальные формы, МЦНМО, 2002. — 318 с.
    5. Касаткина И. Л. Электромагнетизм, колебания и волны, оптика, элементы теории относительности, физика атома и атомного ядра. Ростов-на-Дону: Феникс, 2011. — 844 с.
    6. Леденев А.Н. Физика Учебное пособие ВУЗ. Электромагнетизм. М.: Физматлит, 2006. — 192 с.
    7. Хвольсон О. Д. Теория относительности А. Эйнштейна и новое миропонимание. М.: Либроком, 2009. — 136 с.

    Тема: Теория электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла — первая теория объединения взаимодействий. Опыт Майкельсона — Морли
    Артикул: 1700512
    Дата написания: 18.01.2012
    Тип работы: Контрольная работа
    Предмет: Естествознание
    Оригинальность: Антиплагиат.ВУЗ — 73%
    Количество страниц: 18

    200 лет назад был открыт электромагнетизм

    Природу одолеть превыше наших сил:
    Смиримся же пред ней, не умствуя нимало.
    «Зачем ты льнешь?» — Магнит Железу говорил.
    «Зачем влечешь меня?» — Железо отвечало.
    Иван Дмитриев, 1800 г.

    XIX век поставил перед миром много новых вопросов, на которые наука того времени успешно нашла ответы. Так, например, люди давно мечтали научиться управлять «магнитной силой», задавались вопросом: каким образом передается действие одного магнита на другой? Этот же вопрос касался и электрических зарядов, которые тоже влияют друг на друга на расстоянии. Для ответа была предложена идея поля Майкла Фарадея, работу над которой позже продолжил и Джеймс Максвелл. А объединить электрическое и магнитное взаимодействие в одно взаимодействие удалось благодаря опыту 1820 года в Дании.

    Ровно 200 лет назад, 15 февраля 1820 года, был открыт электромагнетизм. В этот день, в Университете Копенгагена во время лекции, профессор физики Ханс Кристиан Эрстед показал действие электрического тока на магнитную стрелку. В качестве источника тока физик использовал электрическую батарею. Он продемонстрировал, что под воздействием поднесенного на близкое расстояние проводника магнитная стрелка компаса отклоняется. Открытие датчанина привело к появлению новой области физики под названием электромагнетизм. 21 июля 1820 г. на латинском языке вышла брошюра Эрстеда «Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку». Ученый сам разослал свою работу во все научные учреждения и физические журналы, подчеркнув важность своего  открытия.

    «Основной вывод из этих опытов состоит в том, что магнитная стрелка отклоняется от своего положения равновесия под действием вольтаического аппарата и что этот эффект проявляется, когда контур замкнут, и он не проявляется, когда контур разомкнут. Именно потому, что контур оставался разомкнутым, не увенчались успехом попытки такого же рода, сделанные несколько лет тому назад известными физиками». Из брошюры

    Ханс Кристиан Эрстед. Фото: eduspb.com

    Работа Эрстеда была переведена на английский, немецкий, итальянский и другие языки, а сам он получил всемирное признание. Десять лет спустя, с 1830 году, Ханс Эрстед стал почетным членом Петербургской академии наук. Открытие Эрстеда вдохновило Андре-Мари Ампера — одного из основоположников электродинамики -, Ж.Био, Ф.Савара и многих других ученых.

    Датский физик также построил первый термоэлемент, занимался исследованиями свойств жидкостей и газов, акустическими опытами, был страстным поклонником философии и выдающимся популяризатором науки. Эрстед, как и Джеймс Максвелл, одним из первых высказал мысль о свете как об электромагнитном явлении. Самое главное научное достижение Максвелла — создание теории электромагнитного поля. Он считал свет одним из видов электромагнитного излучения, что нашло прекрасное экспериментальное подтверждение, а также теоретически рассчитал давление света. Максвелл оставил свой след во многих областях физики, сконструировал ряд важных приборов.

    Человек, как и всё живое на планете, подвержен действию электромагнетизма, а саму нашу Землю можно сравнить с большим магнитом. Наше геомагнитное поле существует не менее 3,5 млрд лет и за это время магнитные полюса тысячи раз обменивались местами. Эйнштейн называл земной магнетизм одной из пяти величайших загадок физики XX века. Именно благодаря магнетизму мы можем наблюдать захватывающее дух Полярное сияние. Мы видим его, когда альфа-частицы солнечного ветра как бы навиваются на магнитные поля Земли на полюсах и попадают в нашу атмосферу, вызывая ионизацию и возбуждение атомов газа в ней.

    ● В 1930 году Международной электротехнической комиссией введена единица измерения напряжённости магнитного поля в системе СГС » Эрстед» (русское обозначение Э, международное обозначение Oe). 1 эрстед равен напряжённости магнитного поля в вакууме при индукции 1 гаусс.

    ● Сказка Г.Х.Андерсена «Два брата» посвящена Хансу Эрстеду и его младшему брату Андеру.

    ● Ханс Кристиан Эрстед создал первую в Дании физическую лабораторию

    Материал подготовлен на основе информации из открытых источников.

    Электромагнитная теория — обзор

    Частицы в электромагнитных полях

    Мы изучаем нерелятивистское движение частицы в электромагнитном поле. Обсуждение деталей основы электромагнитной теории, актуальной для наших целей, представлено ниже. Поля механики и электродинамики связаны посредством силы Лоренца ,

    (1,70) F → = e (E → + x → ˙ × B →),

    , который выражает, как электромагнитные поля влияют на движение.В этом смысле он носит аксиоматический характер и был тщательно и с большой точностью подтвержден. Из теории электромагнитных полей нам нужны два дополнительных знания, а именно, что электрическое и магнитное поля E → и B → может быть получено из потенциалов ϕ (x →, t) и A → (x →, t) при

    E → = -∇ → ϕ-∂A → ∂t

    и

    B → = ∇ → × A →.

    Подробности того, почему это действительно так, можно найти ниже. Таким образом, через потенциалы ϕ и A →, сила Лоренца (ур.1.70) становится

    (1.71) F → = e (-∇ → ϕ-∂A → ∂t + x → ˙ × (∇ → × A →)).

    Таким образом, k -я составляющая силы равна

    (1.72) Fk = e (-∂ϕ∂xk-∂Ak∂t + (x → ˙ × (∇ → × A →)) k).

    Однако, используя общий антисимметричный тензор ε ijk и Kronecker δ ij , мы видим, что

    (1.73) (x → ˙ × (∇ → × A →)) k = Σijk, jɛix˙i (∇ → × A →) j = Σi, jɛijkx˙iΣl, mɛlmj∂Am∂xl = Σi, j, l, mɛkijɛlmjx˙i∂Am∂xl = Σi, j, l, m (ɛkij) 2 (δklδim-δkmδil) x˙i∂Am∂xl = Σi, j (ɛkij) 2 (x˙i∂Ai∂xk- x˙i∂Ak∂xi) = Σi (x˙i∂Ai∂xk-x˙i∂Ak∂xi) = ∂∂xk (x → ˙⋅A →) — (x → ˙⋅∇ →) Ак.

    С другой стороны, полная производная по времени A k равна

    (1.74) dAkdt = ∂Ak∂t + (x → ˙⋅∇ →) Ак.

    Таким образом, уравнение. (1.73) можно переписать как

    (1,75) (x → ˙ × (∇ → × A →)) k = ∂∂xk (x → ⋅⋅A →) -dAkdt + ∂Ak∂t.

    Подставляя уравнение. (1,75) в уравнении. (1.72) для k -й компоненты силы

    (1.76) Fk = e (-∂∂xk (ϕ-x → ˙⋅A →) -dAkdt).

    Хотя изначально это кажется более сложным, теперь на самом деле легче угадать лагранжиан; на самом деле частичный ∂ / ∂xk предполагает, что ϕ-x → ⋅A → — член, отвечающий за силу.Однако из-за зависимости от скорости также присутствует вклад от d / dt (∂ / ∂x˙k); это, к счастью, дает только необходимый срок dAk / dt в уравнении. (1,76). Условия м x → ⋅⋅ может производиться, как и раньше, и в целом мы приходим к

    (1.77) L (x →, x → ˙, t) = 12mx → ˙2-eϕ (x →, t) + eA → (x →, t) ⋅x → ˙.

    Действительно, d / dt (∂L / ∂x˙k) -∂L / ∂xk = 0 для всех k = 1,2,3 эквивалентно Fk = mx¨k для всех k = 1,2,3, и, следовательно, уравнения Лагранжа дают правильный закон силы Лоренца.

    Интересно посмотреть, что произойдет, если мы рассмотрим движение ансамбля нерелятивистских взаимодействующих частиц в электромагнитном поле, где силы взаимодействия F → ji, i ≠ j, выводятся из потенциалов Vji = Vji (| x → i-x → j |).Из предыдущих примеров мы должны попробовать

    (1.78) = Σi = 1N12mix → ˙i-Σi = 1Neiϕi (x → i, t) + Σi = 1NeiA → i (x → i, t) ⋅x → ˙i-12Σi ≠ j = 1NVji.

    Действительно, в данном случае d / dt (∂L / ∂x˙i, k) -∂L / ∂xi, k = 0 эквивалентно mix¨i, k = Fi, k + Σj ≠ iFji, k и, следовательно,

    (1.79) ddt∂L∂x˙i, k-∂L∂xi, k = 0 для всех k = 1,2,3

    эквивалентно

    (1.80) mix → ¨i = F → i + Σj ≠ iF → ji,

    , что снова дает правильные уравнения движения для i -й частицы.

    Теперь перейдем к релятивистскому движению .В этом случае мы ограничимся рассмотрением движения одиночной частицы. Ситуация для ансамбля намного сложнее по разным причинам. Во-первых, потенциалы взаимодействия должны включать эффекты запаздывания. Во-вторых, частицы, движущиеся релятивистски, также создают сложные магнитные поля; поэтому взаимодействие не просто выводится из скалярных потенциалов. На самом деле, вопрос настолько сложен, что до конца не изучен, и есть даже, казалось бы, парадоксальных ситуаций , в которых частицы, взаимодействуя релятивистски, продолжают ускоряться, безгранично набирая энергию (Parrott, 1987; Rohrlich, 1990).

    В качестве первого шага рассмотрим релятивистское движение частицы под действием сил, возникающих только из потенциалов. Уравнение движения задается формулой

    (1.81) F → = ddt (mx → ˙1-x → ˙2 / c2).

    Пытаемся найти лагранжиан L (x →, x → ˙) такая, что ∂L / ∂x˙k дает mx → ˙k / 1-x → ˙2 / c2 и ∂L / ∂xk дает k -ю составляющую силы, F k , для K = 1,2,3. Позволять

    (1.82) L (x →, x → ˙, t) = — mc21-x → ˙2 / c2-V (x →, t).

    Дифференцируя L относительно x k , k = 1,2,3, получаем

    (1.83) ∂L∂xk = -∂V∂xk = Fk.

    Дифференциация L в отношении x˙k, k = 1,2,3, получаем

    (1.84) ∂L∂x˙k = -mc2 (12) (1-x → ⋅2c2) -1/2 (-2x˙kc2) = mx˙k1-x → ˙2 / c2

    Таким образом, Уравнения Лагранжа дают собственное уравнение движения.

    Далее мы изучаем релятивистское движение частицы в полном электромагнитном поле . Основываясь на предыдущем опыте, мы ожидаем, что нам просто нужно объединить члены, которые приводят к силе Лоренца, с теми, которые приводят к релятивистской версии члена ускорения Ньютона, и, следовательно, мы вынуждены попробовать

    (1.85) L = -mc21-x → ˙2 / c2 + ex → ˙⋅A → -eϕ,

    где ϕ — скалярный потенциал для электрического поля и A → — векторный потенциал магнитного поля. Поскольку последний член не способствует d / dt (∂L / ∂x˙k), проверка того, что лагранжиан действительно правильный, следует, как и в предыдущих примерах.

    Да будет свет! Празднование теории электромагнетизма

    Трудно представить жизнь без мобильных телефонов, радио и телевидения. Однако открытие электромагнитных волн, лежащих в основе таких технологий, выросло из абстрактной теории, которой уже 150 лет.

    Наши знания о существовании таких волн являются прямым результатом теории электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла, которая была впервые опубликована в январе 1865 года. Статуя Джеймса Кларка Максвелла в Эдинбурге, Шотландия. Flickr / оправданный грешник, CC BY-NC-SA

    Сам электромагнетизм был открыт физически, а не теоретически. Примерно в 1820 году датский физик Ганс Эрстед заметил, что, когда вы включаете электрический ток, ближайший магнит — например, стрелка компаса — фактически прыгает, как если бы изменяющийся электрический ток сам был магнитом.

    Затем, в 1831 году (год, когда Максвелл родился в Эдинбурге) английский физик и химик Майкл Фарадей обнаружил, что если вы проведете магнитом через катушку с проволокой, вы создадите электрический ток в проводе без помощи батарей или другого электричества. поставка.

    Фарадей был настолько заинтригован удивительной способностью движущихся магнитов создавать электричество, что создал крошечный прототип электрического генератора. Он также создал прототип электродвигателя, но потребовались десятилетия, прежде чем инженеры смогли разработать работающие двигатели и генераторы.

    Тем не менее, основные технологии начали развиваться почти сразу после открытия явления электромагнетизма: в частности, телеграф — первая высокоскоростная глобальная телекоммуникационная система.

    Электромагнетизм работает… но как?

    Без адекватного теоретического понимания электромагнетизма было трудно исправить такие технологические проблемы, как перегрев телеграфных проводов или искажение сигналов на больших расстояниях.

    Не то чтобы теория не развивалась: физики количественно определили ключевые аспекты поведения электрических зарядов и токов.Они даже начали процесс количественной оценки более сложных электрических и магнитных взаимодействий в электромагнетизме.

    Но никому не удалось разработать адекватную теорию, которая объединила бы все эти отдельные законы электричества и магнетизма в одно целое. Такая теория не только суммировала бы известные экспериментальные результаты, но также дала бы новое понимание того, как электричество и магнетизм объединились, чтобы произвести электромагнетизм.

    Одним из основных препятствий было то, что никто не знал, как электрические и магнитные силы передаются в космосе.

    Большинство физиков предполагали, что они действовали мгновенно: если вы поднесете магнит к железному гвоздю, кажется, что магнит сразу же потянет гвоздь. Вы не можете видеть, слышать или чувствовать что-либо в пространстве между магнитом и гвоздем, поэтому казалось, что магнитная сила должна действовать «на расстоянии».

    Он должен каким-то образом перепрыгивать прямо с магнита на гвоздь — точно так же, как гравитация, казалось, мгновенно перескакивала через бескрайние просторы космоса от Солнца к Земле.

    Успех ньютоновской гравитационной математики, казалось, подтвердил эту субъективную точку зрения.Например, чтобы показать, что гравитация вызывает движение планет, все, что требовалось, — это математические законы Исаака Ньютона, чтобы вывести форму планетных орбит и сравнить их с наблюдаемыми астрономами.

    Нет необходимости знать, как гравитация на самом деле передается от Солнца к планетам или от Земли к падающему объекту, потому что нет необходимости математически рассматривать, что происходит в пространстве между двумя взаимодействующими телами.

    Большинство учеников Ньютона понимали, что гравитационная сила не распространяется в пространстве и времени, а просто мгновенно перескакивает от Солнца к планете, от объекта к объекту.

    Сильная математическая связь между гравитацией, электричеством и магнетизмом укрепила идею электромагнитного воздействия на расстоянии.

    Фарадея это не убедило. Он был самоучкой, поэтому не понимал сложной математики, которую использовали обычные физики для описания электричества и магнетизма таким способом действия на расстоянии.

    Но как один из первооткрывателей электромагнетизма он имел близкое практическое чутье на предмет, и он полагал, что должно быть какое-то электромагнитное «поле», заполняющее пространство, окружающее электрические и магнитные объекты, и способствующее распространению этих сил.

    Немного исчисления

    Максвелл интуитивно согласился с ним и приступил к попыткам найти правильный математический язык для развития концепции поля Фарадея. Интегральное исчисление (особенно линейные и поверхностные интегралы, а также объемные интегралы по конечным пространствам) было основным инструментом теоретиков действия на расстоянии.

    Но Максвелл выбрал дифференциальное исчисление (в частности, уравнения в частных производных) как язык, лучше всего подходящий для описания того, что происходит в каждой точке пространства между взаимодействующими объектами.

    Одна из причин, по которой он считал, что что-то происходит в этом пространстве, иллюстрируется примером Фарадея, когда железные опилки разбросаны по листу бумаги, помещенному поверх магнита. Опилки выровняются по определенному узору вокруг магнита.

    Железные опилки показывают магнитное поле магнита под листом бумаги. Flickr / Винделл Оскей, CC BY

    Идея Фарадея заключалась в том, что сила магнита должна воздействовать на бумагу — и, следовательно, на пространство вокруг магнита — даже когда опилки не были там, чтобы показать это.Другими словами, магнит создавал «силовое поле», и это было все поле, которое позволяло магниту воздействовать на каждую опилку.

    Максвелл был одним из очень немногих физиков-математиков, которые обратили хоть какое-то внимание на полевую идею Фарадея. Это был смелый шаг для молодого ученого — принять проигравшую сторону в таких дебатах, но Максвелл видел, что никто на самом деле не понимал природу и распространение электромагнетизма.

    Загадка света

    В то время бушевал еще один спор относительно природы света.Было известно, что свет перемещается в пространстве с конечной скоростью, а не мгновенно прыгает от своего источника к нашим глазам.

    Но полтора века назад никто не знал, из чего на самом деле сделан свет.

    Большинство физиков согласились, что он путешествовал в космосе как волна, но они не знали, из чего сделаны эти световые волны, и не знали, как они попадали из одного места в другое. Максвелл собирался разгадать все эти загадки.

    Дифференцируя свои уравнения в частных производных, он получил математические волновые уравнения — а математические волновые уравнения предполагали физические волны, которые действовали во всем пространстве, а не только в двух заданных точках.

    Другими словами, Максвелл математически вывел, что электромагнитные сигналы не передаются мгновенно, а передаются через пространство в виде волн. И не только как волны в проводах, но и волны, которые могут распространяться по воздуху.

    Но было еще кое-что: эти математические беспроводные электромагнитные волны распространяются с той же скоростью, что и свет, однако расчеты Максвелла основывались исключительно на электромагнитных явлениях. Это вызвало его характерно скромное занижение:

    .

    […] кажется, у нас есть веские основания заключить, что сам свет (включая лучистое тепло и другие излучения, если они есть) является электромагнитным возмущением в форме волн, распространяющихся через электромагнитное поле в соответствии с электромагнитными законами.

    Одним смелым прыжком он объединил не только электричество и магнетизм, но также свет, тепло и «другие излучения, если они есть».

    Многие цвета видимого света — лишь часть более широкого спектра электромагнитных волн. Flickr / final gather, CC BY-ND

    В 1888 году, почти через 25 лет после публикации теории Максвелла, немецкому физику Генриху Герцу удалось создать беспроводные электромагнитные волны в лаборатории, тем самым подтвердив предсказание Максвелла и создав первые специально сконструированные радиоволны.

    Потребовалось еще два десятилетия, чтобы зародилось известное нам радио, но радиоволны Герца подтвердили существование Максвелла «других излучений, если таковые имеются». Эти излучения — включая ультрафиолетовое, микроволновое и радио — имеют длины волн, отличные от длин волн видимого света и инфракрасного излучения, которые являются единственными электромагнитными излучениями, которые мы видим или ощущаем напрямую.

    Просто часть диапазона и использование электромагнитных волн (в метрах). Designua

    Сегодня электромагнетизм лежит в основе нашего образа жизни и позволил нам разработать многие электрические устройства, которые мы принимаем как должное.Это позволило нам осветить темноту и общаться на расстоянии по телефону (мобильному и стационарному), по радио и телевидению.

    Это позволяет нам «видеть» внутри наших тел с помощью рентгеновских лучей и магнитно-резонансной томографии, а также наблюдать Вселенную через телескопы не только в видимом свете, но и на других длинах волн, включая радио. Сам Wi-Fi — это австралийское изобретение, возникшее в результате исследований в области радиоастрономии.

    Наше понимание электромагнитной природы света и всех этих излучений было углублено в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн открыл, что свет имеет как квантовый, так и волновой аспект.Все эти открытия привели к развитию таких важных технологий, что ООН провозгласила 2015 год Международным годом света и световых технологий.

    Но 150 лет назад теория Максвелла была совершенно революционной как по стилю, так и по содержанию. Эйнштейн был одним из первых сторонников этой теории, которая вдохновила его теорию относительности, и сегодня идея гравитационных и электромагнитных полей является фундаментальной в физике.

    Неудивительно, что Эйнштейн сказал: «Одна научная эра закончилась, а другая началась с Джеймса Клерка Максвелла.”

    Долгий путь к уравнениям Максвелла

    Иллюстрация: Лоренцо Петрантони

    Если вы хотите отдать дань уважения великому физику Джеймсу Клерку Максвеллу, у вас не будет недостатка в местах, где это можно сделать. В лондонском Вестминстерском аббатстве, недалеко от могилы Исаака Ньютона, есть памятный знак. Великолепная статуя была недавно установлена ​​в Эдинбурге, недалеко от места его рождения. Или вы можете отдать дань уважения в его последнем пристанище возле замка Дуглас на юго-западе Шотландии, недалеко от его любимого родового поместья.Они ставят памятники человеку, который разработал первую единую теорию физики, который показал, что электричество и магнетизм неразрывно связаны.

    Но эти вехи не отражают того факта, что на момент смерти Максвелла в 1879 году его электромагнитная теория, лежащая в основе столь значительной части нашего современного технологического мира, еще не имела прочной основы.

    Необычайный объем информации о мире — основные правила поведения света, протекания тока и функций магнетизма — можно свести к четырем элегантным уравнениям.Сегодня они известны под общим названием уравнения Максвелла, и их можно найти практически в каждом вводном учебнике по инженерии и физике.

    Можно утверждать, что эти уравнения появились 150 лет назад в этом месяце, когда Максвелл представил свою теорию объединения электричества и магнетизма Лондонскому королевскому обществу, опубликовав полный отчет в следующем году, в 1865 году. сцена для всех последующих великих достижений в области физики, телекоммуникаций и электротехники.

    Но между презентацией и использованием был большой разрыв. Математические и концептуальные основы теории Максвелла были настолько сложными и противоречивыми, что его теорией в значительной степени пренебрегли после того, как она была впервые представлена.

    Потребовалось почти 25 лет небольшой группе физиков, одержимых загадками электричества и магнетизма, чтобы поставить теорию Максвелла на прочную основу. Именно они собрали экспериментальные данные, необходимые для подтверждения того, что свет состоит из электромагнитных волн.И именно они придали его уравнениям их нынешнюю форму. Без титанических усилий этой группы «максвеллианцев», названной так историком Брюсом Дж. Хантом из Техасского университета в Остине, потребовались бы десятилетия, прежде чем наша современная концепция электричества и магнетизма получила бы широкое распространение. И это задержало бы всю последующую невероятную науку и технологии.

    Сегодня мы узнаем на раннем этапе, что видимый свет — это всего лишь часть широкого электромагнитного спектра, излучение которого состоит из колеблющихся электрических и магнитных полей.И мы узнаем, что электричество и магнетизм неразрывно связаны; изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, а ток и изменяющиеся электрические поля порождают магнитные поля.

    Мы должны поблагодарить Максвелла за эти основные идеи. Но они не пришли ему в голову внезапно и ниоткуда. Доказательства, в которых он нуждался, поступали по частям в течение более чем 50 лет.

    Вы могли запустить часы в 1800 году, когда физик Алессандро Вольта сообщил об изобретении батареи, которая позволила экспериментаторам начать работу с непрерывным постоянным током.Примерно 20 лет спустя Ганс Кристиан Эрстед получил первое свидетельство связи между электричеством и магнетизмом, продемонстрировав, что стрелка компаса будет двигаться, когда ее поднесут к проводу с током. Вскоре после этого Андре-Мари Ампер показал, что два параллельных токоведущих провода можно заставить проявлять взаимное притяжение или отталкивание в зависимости от относительного направления токов. К началу 1830-х годов Майкл Фарадей показал, что точно так же, как электричество может влиять на поведение магнита, магнит может влиять на электричество, когда он показал, что протягивание магнита через проволочную петлю может генерировать ток.

    Эти наблюдения были частичным свидетельством поведения, которое никто не понимал систематически или всесторонне. Что такое электрический ток на самом деле? Как провод с током протянул руку и скрутил магнит? А как движущийся магнит создавал ток?

    Большое семя было посеяно Фарадеем, который вообразил загадочное невидимое «электротоническое состояние», окружающее магнит — то, что мы сегодня назвали бы полем. Он утверждал, что изменения в этом электротоническом состоянии являются причиной электромагнитных явлений.И Фарадей выдвинул гипотезу, что свет сам по себе является электромагнитной волной. Но превратить эти идеи в законченную теорию было выше его математических способностей. Так было, когда на сцене появился Максвелл.

    В 1850-х годах, после окончания Кембриджского университета в Англии, Максвелл попытался математически осмыслить наблюдения и теории Фарадея. В своей первоначальной попытке, в статье 1855 года под названием «О силовых линиях Фарадея» Максвелл разработал модель по аналогии, показав, что уравнения, описывающие течение несжимаемой жидкости, также могут использоваться для решения задач с неизменными электрическими или магнитными полями.

    Его работа была прервана потоком отвлекающих факторов. В 1856 году он устроился на работу в колледж Маришаль в Абердине, Шотландия; посвятил несколько лет математическому изучению устойчивости колец Сатурна; был уволен в результате слияния колледжей в 1860 году; он заболел оспой и чуть не умер, прежде чем, наконец, устроился на новую работу профессором Королевского колледжа Лондона.

    Каким-то образом Максвелл нашел время конкретизировать теорию поля Фарадея. Хотя это еще не полная теория электромагнетизма, статья, которую он опубликовал в нескольких частях в 1861 и 1862 годах, оказалась важной ступенькой.

    Опираясь на предыдущие идеи, Максвелл представил своего рода молекулярную среду, в которой магнитные поля представляют собой массивы вращающихся вихрей. Каждый из этих вихрей окружен маленькими частицами той или иной формы, которые помогают переносить спин от одного вихря к другому. Хотя позже он отложил это в сторону, Максвелл обнаружил, что это механическое видение помогает описать ряд электромагнитных явлений. Возможно, что наиболее важно, это заложило основу для новой физической концепции: тока смещения.

    Смещение тока на самом деле не актуально.Это способ описания того, как изменение электрического поля, проходящего через определенную область, может вызвать магнитное поле, как это делает ток. В модели Максвелла ток смещения возникает, когда изменение электрического поля вызывает мгновенное изменение положения частиц в вихревой среде. Движение этих частиц порождает ток.

    Одно из самых ярких проявлений тока смещения — это конденсатор, где в некоторых цепях энергия, запасенная между двумя пластинами в конденсаторе, колеблется между высокими и низкими значениями.В этой системе довольно легко представить себе, как будет работать механическая модель Максвелла. Если конденсатор содержит изолирующий диэлектрический материал, вы можете представить себе ток смещения как результат движения электронов, связанных с ядрами атомов. Они качаются из стороны в сторону, как если бы они были прикреплены к натянутым резиновым лентам. Но ток смещения Максвелла более фундаментален. Он может возникнуть в любой среде, включая космический вакуум, где нет электронов, способных создать ток.И точно так же, как настоящий ток, он порождает магнитное поле.

    С добавлением этой концепции Максвелл получил основные элементы, необходимые для связи измеряемых свойств схемы с двумя, в настоящее время не используемыми, константами, которые выражают, насколько легко электрические и магнитные поля образуются в ответ на напряжение или ток. (В настоящее время мы формулируем эти фундаментальные константы по-другому, как диэлектрическую проницаемость и проницаемость свободного пространства.)

    Подобно тому, как жесткость пружины определяет, насколько быстро пружина отскакивает после ее растяжения или сжатия, эти постоянные можно комбинировать, чтобы определить, насколько быстро электромагнитная волна распространяется в свободном пространстве.После того, как другие определили их значения с помощью экспериментов с конденсаторами и индукторами, Максвелл смог оценить скорость электромагнитной волны в вакууме. Когда он сравнил это значение с существующими оценками скорости света, он пришел к выводу из их почти равенства, что свет должен быть электромагнитной волной.

    Максвелл завершил последние ключевые части своей электромагнитной теории в 1864 году, когда ему было 33 года (хотя он сделал некоторые упрощения в более поздних работах). В своем выступлении 1864 года и в последующей статье он отказался от механической модели, но сохранил концепцию тока смещения.Сосредоточившись на математике, он описал, как электричество и магнетизм связаны и как, будучи правильно сгенерированными, они движутся вместе, образуя электромагнитную волну.

    Эта работа является основой нашего современного понимания электромагнетизма и предоставляет физикам и инженерам все инструменты, необходимые для расчета взаимосвязей между зарядами, электрическими полями, токами и магнитными полями.

    Но то, что должно было стать переворотом, на самом деле было встречено крайним скептицизмом даже со стороны ближайших коллег Максвелла.Одним из самых громких скептиков был сэр Уильям Томсон (позже лорд Кельвин). Будучи в то время лидером британского научного сообщества, Томсон просто не верил, что может существовать такая вещь, как ток смещения.

    Его возражение было естественным. Одно дело думать о токе смещения в диэлектрике, заполненном атомами. Другое дело — представить, как он формируется в небытии вакуума. Без механической модели, описывающей эту среду, и без реальных движущихся электрических зарядов было неясно, что такое ток смещения и как он может возникнуть.Отсутствие физического механизма было неприятно многим физикам викторианской эпохи. Сегодня, конечно, мы готовы принять физические теории, такие как квантовая механика, которые бросают вызов нашей повседневной физической интуиции, если они математически точны и обладают большой предсказательной силой.

    Современники Максвелла видели и другие большие недостатки в его теории. Например, Максвелл постулировал, что колеблющиеся электрическое и магнитное поля вместе образуют волны, но не описал, как они движутся в пространстве.Все волны, известные в то время, требовали среды для перемещения. Звуковые волны распространяются в воздухе и воде. Итак, если электромагнитные волны существуют, рассуждали физики того времени, должна быть среда, которая их переносит, даже если эту среду нельзя увидеть, попробовать или потрогать.

    Максвелл тоже верил в такую ​​среду, или эфир. Он ожидал, что он заполнил все пространство и что электромагнитное поведение было результатом напряжений, деформаций и движений в этом эфире. Но в 1865 году и в своем более позднем двухтомном трактате «Трактат об электричестве и магнетизме » Максвелл представил свои уравнения без какой-либо механической модели, чтобы обосновать, как и почему эти мистические электромагнитные волны могут распространяться.Многим его современникам из-за отсутствия модели теория Максвелла казалась до прискорбной неполной.

    Возможно, что наиболее важно, собственное описание Максвелла своей теории было потрясающе сложным. Студенты колледжа могут с ужасом встретить четыре уравнения Максвелла, но формулировка Максвелла была гораздо более запутанной. Чтобы писать уравнения экономично, нам нужна математика, которая еще не была полностью зрелой, когда Максвелл проводил свою работу. В частности, нам нужно векторное исчисление, способ компактной кодификации дифференциальных уравнений векторов в трех измерениях.

    Теорию Максвелла сегодня можно описать четырьмя уравнениями. Но его формулировка приняла форму 20 одновременных уравнений с 20 переменными. Компоненты размерности его уравнений (направления x, y и z) должны были быть описаны отдельно. И он использовал некоторые противоречащие интуиции переменные. Сегодня мы привыкли думать и работать с электрическими и магнитными полями. Но Максвелл работал в первую очередь с другим видом поля, величиной, которую он назвал электромагнитным импульсом, на основе которой он затем вычислял электрические и магнитные поля, которые впервые представил Фарадей.Максвелл, возможно, выбрал это название для поля — сегодня известного как магнитный векторный потенциал — потому что его производная по времени дает электрическую силу. Но этот потенциал не приносит нам пользы, когда дело доходит до расчета множества простых электромагнитных поведений на границах, например того, как электромагнитные волны отражаются от проводящей поверхности.

    Конечный результат всей этой сложности состоит в том, что, когда теория Максвелла дебютировала, почти никто не обратил на нее внимания.

    Но несколько человек были. И одним из них был Оливер Хевисайд. Когда-то друг описал его как «первоклассную диковинку», Хевисайд, выросший в крайней бедности и частично глухой, никогда не учился в университете. Вместо этого он изучал передовые науки и математику.

    Хевисайду было около 20 лет, и он работал телеграфистом в Ньюкасле, на северо-востоке Англии, когда он получил трактат Максвелла 1873 года. «Я увидел, что это было великим, великим и величайшим», — писал он позже. «Я был полон решимости освоить книгу и принялся за работу.В следующем году он оставил работу и переехал к родителям, чтобы изучать Максвелла.

    Именно Хевисайд, работая в основном в уединении, придал уравнениям Максвелла их нынешнюю форму. Летом 1884 года Хевисайд исследовал, как энергия перемещается с места на место в электрической цепи. Он задавался вопросом, переносится ли эта энергия током в проводе или в окружающем его электромагнитном поле?

    Хевисайд в конечном итоге воспроизвел результат, который уже был опубликован другим британским физиком, Джоном Генри Пойнтингом.Но он продолжал двигаться дальше, и в процессе работы со сложным векторным исчислением он нашел способ переформулировать счет уравнений Максвелла в четыре, которые мы используем сегодня.

    Ключом было устранение странного магнитного векторного потенциала Максвелла. «Я никогда не добивался никакого прогресса, пока не выбросил все возможности за борт», — сказал позже Хевисайд. Вместо этого в новой формулировке электрическое и магнитное поля располагались спереди и по центру.

    Одним из следствий этой работы было то, что она раскрыла красивую симметрию уравнений Максвелла.Одно из четырех уравнений описывает, как изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле (открытие Фарадея), а другое описывает, как изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле (знаменитый ток смещения, добавленный Максвеллом).

    Эта формулировка также раскрыла тайну. Электрические заряды, такие как электроны и ионы, имеют вокруг себя линии электрического поля, исходящие от заряда. Но здесь нет источника силовых линий магнитного поля: в известной нам Вселенной силовые линии магнитного поля всегда представляют собой непрерывные петли без начала и конца.

    Эта асимметрия обеспокоила Хевисайда, поэтому он добавил термин, представляющий магнитный «заряд», предполагая, что он просто еще не был обнаружен. И на самом деле это все еще не так. С тех пор физики провели обширные поиски таких магнитных зарядов, также называемых магнитными монополями. Но их так и не нашли.

    Тем не менее, магнитный ток является полезным уловкой для решения электромагнитных проблем с некоторыми видами геометрии, такими как поведение излучения, проходящего через щель в проводящем листе.

    Если Хевисайд модифицировал уравнения Максвелла до такой степени, почему бы нам не назвать их уравнениями Хевисайда? Хевисайд сам ответил на этот вопрос в 1893 году в предисловии к первому тому своей трехтомной публикации « Электромагнитная теория ». Он писал, что если у нас есть веские основания «полагать, что он [Максвелл] признал бы необходимость изменения, когда ему указали на это, то я думаю, что получившаяся модифицированная теория вполне может быть названа Максвелловской».

    Математическая элегантность — это одно.Но найти экспериментальные доказательства теории Максвелла — это совсем другое. Когда Максвелл скончался в 1879 году в возрасте 48 лет, его теория все еще считалась неполной. Не было эмпирических доказательств того, что свет состоит из электромагнитных волн, за исключением того факта, что скорость видимого света и скорость электромагнитного излучения, казалось, совпадали. Кроме того, Максвелл специально не рассматривал многие из качеств, которыми должно обладать электромагнитное излучение, если оно составляет свет, а именно такие свойства, как отражение и преломление.

    Физики Джордж Фрэнсис Фицджеральд и Оливер Лодж работали над укреплением связи со светом. Сторонники «Трактата » 1873 года Максвелла, пара встретилась за год до смерти Максвелла на собрании Британской ассоциации содействия развитию науки в Дублине, и они начали сотрудничать, в основном путем обмена письмами. Их переписка друг с другом и с Хевисайдом помогла продвинуть теоретическое понимание теории Максвелла.

    Как описывает историк Хант в своей книге « Максвеллианцы», Лодж и Фитцджеральд также надеялись найти экспериментальные доказательства, подтверждающие идею о том, что свет — это электромагнитная волна.Но здесь у них не получилось. В конце 1870-х годов Лодж разработал некоторую схему, которая, как он надеялся, будет способна преобразовывать низкочастотное электричество в более высокочастотный свет, но усилия провалились, когда Лодж и Фитцджеральд поняли, что их схемы будут создавать излучение слишком низкой частоты, чтобы его можно было обнаружить. глаз.

    Почти десять лет спустя Лодж проводил эксперименты по защите от молний, ​​когда заметил, что разряд конденсаторов вдоль проводов вызывает дуги. Из любопытства он изменил длину проводов и обнаружил, что может создавать впечатляющие искры.Он правильно сделал вывод, что это было действие электромагнитной волны в резонансе. Он обнаружил, что при достаточной мощности он действительно мог видеть ионизацию воздуха вокруг проводов, что является яркой иллюстрацией стоячей волны.

    Теперь, будучи уверенным в том, что он генерирует и обнаруживает электромагнитные волны, Лодж планировал сообщить о своих поразительных результатах на собрании Британской ассоциации сразу после того, как он вернулся из отпуска в Альпах. Но, читая дневник в поезде из Ливерпуля, он обнаружил, что его вытащили.В июльском 1888 году номере журнала Annalen der Physik он нашел статью под названием «Über elektrodynamische Wellen im Luftraum und deren Reflexion» («О электродинамических волнах в воздухе и их отражении»), написанную малоизвестным немецким исследователем Генрихом Герцем. .

    Экспериментальная работа Герца по этому вопросу началась в Technische Hochschule (ныне Технологический институт Карлсруэ) в Карлсруэ, Германия, в 1886 году. Он заметил, что произошло нечто любопытное, когда он разрядил конденсатор через петлю из провода.В идентичной петле на небольшом расстоянии образовывались дуги на неподключенных терминалах. Герц обнаружил, что искры в неподключенном контуре были вызваны приемом электромагнитных волн, которые генерировались контуром с разряжающимся конденсатором.

    Вдохновленный, Герц использовал искры в таких петлях для обнаружения невидимых радиоволн. Он продолжал проводить эксперименты, чтобы убедиться, что электромагнитные волны проявляют светоподобное поведение отражения, преломления, дифракции и поляризации.Он провел множество экспериментов как в открытом космосе, так и по проводам. Он слепил призму метровой длины из асфальта, прозрачного для радиоволн, и использовал ее, чтобы наблюдать относительно крупномасштабные примеры отражения и преломления. Он направил радиоволны на сетку параллельных проводов и показал, что они будут отражаться или проходить через сетку в зависимости от ее ориентации. Это продемонстрировало, что электромагнитные волны были поперечными: они колеблются, как и свет, в направлении, перпендикулярном направлению их распространения.Герц также отражал радиоволны от большого листа цинка, измеряя расстояние между нейтрализованными нулями в результирующих стоячих волнах, чтобы определить их длины волн.

    С этими данными, а также с частотой излучения, которую он вычислил путем измерения емкости и индуктивности своей схемотехнической передающей антенны, Герц смог вычислить скорость его невидимых волн, которая была довольно близка к известной скорости для видимого света. .

    Radio Magic: Генрих Герц использовал катушку (слева) и антенны (справа) для создания и обнаружения электромагнитного излучения за пределами видимого диапазона. Фото: Архив Технологического института Карлсруэ

    Максвелл предположил, что свет представляет собой электромагнитную волну. Герц показал, что, вероятно, существовала целая вселенная невидимых электромагнитных волн, которые ведут себя так же, как видимый свет, и движутся в пространстве с той же скоростью. Этого откровения было достаточно, чтобы многие согласились с тем, что свет сам по себе является электромагнитной волной.

    Разочарование

    Лоджа по поводу того, что его обошли стороной, было более чем компенсировано красотой и полнотой работы Герца.Лодж и Фитцджеральд работали над популяризацией открытий Герца, представив их Британской ассоциации. Практически сразу же работа Герца стала основой для развития беспроводного телеграфирования. В самых ранних воплощениях технологии использовались передатчики, очень похожие на устройства с широкополосным искровым разрядником, которые использовал Герц.

    В конце концов ученые согласились с тем, что волны вообще не могут проходить сквозь ничто. И концепция поля, поначалу неприятная из-за отсутствия каких-либо механических частей, заставляющих его работать, стала центральной для большей части современной физики.

    Впереди еще много всего. Но даже до конца XIX века, благодаря упорным усилиям нескольких преданных энтузиастов, наследие Максвелла было в безопасности.

    Об авторе

    Джеймс К. Раутио — основатель Sonnet Software.

    Discovery может повлиять на изучение рождения Вселенной — ScienceDaily

    Радиоволны, микроволны и даже сам свет состоят из электрических и магнитных полей. Классическая теория электромагнетизма была завершена в 1860-х годах Джеймсом Клерком Максвеллом.В то время теория Максвелла была революционной и обеспечивала единую основу для понимания электричества, магнетизма и оптики. Новое исследование, проведенное доцентом кафедры физики и астрономии ЛГУ Иваном Агулло, совместно с коллегами из Университета Валенсии, Испания, углубляет знания этой теории. Их недавние открытия были опубликованы в журнале Physical Review Letters .

    Теория Максвелла демонстрирует замечательную особенность: она остается неизменной при смене электрического и магнитного полей, когда отсутствуют заряды и токи.Эта симметрия называется электромагнетизмом.

    Однако, хотя электрические заряды существуют, магнитные заряды никогда не наблюдались в природе. Если магнитных зарядов нет, симметрия также не может существовать. Эта загадка побудила физиков искать магнитные заряды или магнитные монополи. Однако ни у кого не получилось. Возможно, Агулло и его коллеги поняли, почему.

    «Гравитация портит симметрию независимо от того, существуют магнитные монополи или нет.Это шокирует. Суть в том, что симметрия не может существовать в нашей Вселенной на фундаментальном уровне, потому что гравитация присутствует повсюду », — сказал Агулло.

    Гравитация вместе с квантовыми эффектами нарушает электромагнитную дуальность или симметрию электромагнитного поля.

    Агулло и его коллеги обнаружили это, изучив предыдущие теории, которые иллюстрируют это явление среди других типов частиц во Вселенной, называемых фермионами, и применили его к фотонам в электромагнитных полях.

    «Мы смогли написать теорию электромагнитного поля способом, очень напоминающим теорию фермионов, и доказать это отсутствие симметрии, используя мощные методы, разработанные для фермионов», — сказал он.

    Это новое открытие ставит под сомнение предположения, которые могут повлиять на другие исследования, включая изучение рождения Вселенной.

    Большой взрыв

    Спутники собирают данные из излучения, испускаемого в результате Большого взрыва, которое называется космическим микроволновым фоном или реликтовым излучением.Это излучение содержит ценную информацию об истории Вселенной.

    «Измеряя реликтовое излучение, мы получаем точную информацию о том, как произошел Большой взрыв», — сказал Агулло.

    Ученые, анализирующие эти данные, предположили, что на поляризацию фотонов в CMB не влияет гравитационное поле во Вселенной, что верно только при наличии электромагнитной симметрии. Однако, поскольку это новое открытие предполагает, что симметрия не существует на фундаментальном уровне, поляризация реликтового излучения может изменяться на протяжении всей космической эволюции.Ученым может потребоваться принять это во внимание при анализе данных. Текущее исследование Агулло сосредоточено на том, насколько велик этот новый эффект.

    История Источник:

    Материалы предоставлены Университетом штата Луизиана . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

    Джеймс Клерк Максвелл — MagLab

    Джеймс Клерк Максвелл был одним из самых влиятельных ученых девятнадцатого века.

    Его теоретические работы по электромагнетизму и свету во многом определили направление, в котором будет развиваться физика в начале 20 века. Действительно, согласно Альберту Эйнштейну, «Одна научная эпоха закончилась, а другая началась с Джеймсом Клерком Максвеллом».

    Когда он родился 13 июня 1831 года в Эдинбурге, Шотландия, будущий ученый был известен только как Джеймс Клерк, но фамилия Максвелл была добавлена ​​к его названию, когда его отец, поверенный, унаследовал поместье от предков. с этим именем.Максвелл был единственным ребенком в семье, и его мать умерла от рака, когда ему было 8 лет. Сначала был нанят наставник, чтобы обучать его, но затем, в 1841 году, он был зачислен в Эдинбургскую академию. Его интересы были широкими, и в 14 лет была опубликована его первая статья. Предметом была геометрия, и его навыки в этой и других математических областях помогли ему в его многочисленных научных начинаниях. Максвелл начал учиться в Эдинбургском университете в 1847 году и опубликовал еще две статьи, еще будучи подростком.

    Максвелл перевелся в 1850 году в Кембриджский университет, где он был примерным студентом и получил различные награды, в том числе премию Смита. Он окончил университет в 1854 году и получил стипендию Тринити-колледжа. Как научный сотрудник Максвелл начал исследования двух тем, которые он будет исследовать на протяжении всей своей жизни: цвета и магнетизма. Результатом этой работы стала публикация двух статей в 1855 году: «Эксперименты с цветом, воспринимаемым глазом, с замечаниями о дальтонизме», и «На линиях силы Фарадея. В том же году Максвелл был избран членом Королевского общества Эдинбурга, а в следующем году он получил назначение профессором естественной философии в Маришальском колледже Абердинского университета. Его отец, с которым он был очень близок, умер незадолго до назначения, и Максвелл унаследовал семейное поместье. В 1858 году он женился на Кэтрин Мэри Дьюар, с которой познакомился через коллегу по колледжу.

    В течение своих лет в Абердине Максвелл проводил исследования в ряде областей, но особенно заинтересовался природой колец Сатурна, предметом премии Адамса 1857 года.Решив побороться за приз, он потратил два года, пытаясь найти способ точно определить состав колец. В конце концов он предположил, используя чисто математические рассуждения, что кольца не могли бы быть стабильными, если бы они состояли из однородного твердого тела, что привело его к выводу, что кольца должны состоять из неизвестного числа несвязанных частиц. Теория Максвелла, окончательно доказанная столетием спустя, когда к Сатурну были отправлены космические зонды «Вояджер», принесла ему престижную премию.Это исследование привело к более общим исследованиям тепла и кинетики газов. В 1859 году Максвелл разработал статистическое описание распределения скоростей между молекулами, составляющими газ, которое в конечном итоге будет расширено до закона распределения Максвелла-Больцмана .

    Максвелл принял должность профессора в Королевском колледже в Лондоне в 1860 году. Пять лет, которые он проработал в этом учреждении, обычно считаются его наиболее прибыльными с научной точки зрения. В это время он применил свои ранние исследования цветового зрения и оптики к фотографии, создав первую в мире цветную фотографию в 1861 году.Для этого он разработал трехцветный процесс, в котором один и тот же объект был сфотографирован через красный, синий и зеленый светофильтры, и три полученных изображения были объединены в одно. Также во время учебы в Королевском колледже Максвелл продолжил свою работу с газами, кульминацией которой стал его важный трактат «О динамической теории газов» в 1867 году, и добился революционных успехов в области электромагнетизма.

    Именно за его электромагнитную теорию Максвелл чаще всего приписывают фундаментальное изменение курса физики.Чтобы прийти к своей теории, Максвелл позаимствовал и расширил идеи, ранее разработанные несколькими другими учеными, включая Майкла Фарадея, Уильяма Томсона (лорд Кельвин) и Карла Фридриха Гаусса, среди других. Из своей попытки перевести экспериментальные открытия Фарадея на язык математики Максвелл пришел к набору уравнений, которые всесторонне описывают производство и взаимосвязь между электрическими полями и магнитными полями. Основываясь на уравнениях, известных сегодня просто как уравнения Максвелла , он смог предсказать, что волны колеблющихся электрических и магнитных полей движутся в пространстве с определенной скоростью, которая, по его расчетам, была примерно эквивалентна скорости света (позже, более точные средства измерения подтвердили точную эквивалентность).Впоследствии Максвелл предположил, что свет был лишь одним из многих возможных типов электромагнитного излучения. Уравнения Максвелла впервые появились в 1864 году в статье под названием «Динамическая теория электромагнитного поля», , но более полно были рассмотрены в его Трактате об электричестве и магнетизме , опубликованном в 1873 году.

    Согласно теории Максвелла (которая, делая упор на поля, явно противоречила теории действия на расстоянии, которая была популярна в то время), электромагнитные волны должны иметь возможность генерироваться и изучаться в лаборатории.Фактически, как инфракрасное, так и ультрафиолетовое излучение, которые находятся за пределами видимого электромагнитного спектра, уже были обнаружены и исследованы. Однако только после того, как Уильям Генрих Герц открыл радиоволны в 1887 году, было доказано, что существует дополнительное электромагнитное излучение, выходящее за пределы видимого спектра. Теория Максвелла не только предвосхитила это открытие, но и сильно повлияла на общепринятое понимание физического мира и помогла привести к специальной теории относительности Альберта Эйнштейна и квантовой теории Макса Планка.

    Максвелл ушел из Королевского колледжа в 1865 году и переехал в дом в Шотландии, который оставил ему его отец. Однако он оставался активным в лондонских академических кругах, возвращаясь в Англию по крайней мере раз каждую весну и продолжая участвовать в математических экзаменах Кембриджского университета. Более того, Максвелл продолжал свою научную работу дома, за это время завершив большую часть своего Трактата и написав работы по газам, топологии и теории тепла. Он стал более тесно связан с Кембриджем в 1871 году, когда он был назначен первым Кавендишским профессором физики в этом учреждении.В его обязанности на новой должности входило наблюдение за созданием Кавендишской лаборатории и редактирование исследовательских работ Генри Кавендиша. Максвелл проработал в Кавендишской лаборатории до 1879 года, когда из-за приступа рака брюшной полости, той же болезни, которая ускорила смерть его матери, он слишком заболел, чтобы продолжать его существование. Он умер 5 ноября того же года и был похоронен в своей родной Шотландии.

    Максвелл и классический электромагнетизм — изучение — ScienceFlip

    Максвелл и классический электромагнетизм — Изучение


    Объединяющая теория Максвелла для электромагнетизма

    Джеймс Клерк Максвелл известен разработкой своих уравнений, объясняющих связь между электричеством, магнетизмом и светом.Его Теория электромагнетизма предоставила объединяющую теорию, согласно которой связывает всю работу, которая ранее была сделана в области электричества и магнетизма. Некоторые из этих работ включены:

    • Датский физик Ханс Орстед наблюдал, как намагниченная стрелка компаса отклонялась от ее совмещения с магнитным полем Земли, когда соседняя электрическая цепь включалась и выключалась. Это показало, что провод, по которому проходит электрический ток, генерирует магнитное поле, и выявило первое свидетельство связи между электричеством и магнетизмом.
    • Английский физик Майкл Фарадей продемонстрировал в 1830-х годах, что изменение магнитных полей создает электрические поля.

    Работа Максвелла количественно оценила эти отношения посредством точного математического исследования электрических и магнитных эффектов. Его работа, известная как уравнения Максвелла, показывает, что электрические и магнитные поля движутся со скоростью, которая близко соответствует экспериментальным оценкам скорости света. Максвелл разработал всеобъемлющую теорию электромагнетизма, в которой объяснялось, что свет — это форма электромагнитного излучения (ЭМИ).Он также предсказал, что широкий диапазон частот возможен для различных форм ЭМИ за пределами видимого спектра.


    Уравнения Максвелла

    Уравнения, которые Максвелл разработал в своей теории электромагнетизма, основаны на векторном исчислении, которое выходит за рамки этого курса и не будет здесь анализироваться количественно. Уравнения названы в честь физиков, сыгравших значительную роль в работе, которая привела к разработке Максвеллом его теории.Законы:

    • Закон 1 — Закон Гаусса: Этот закон описывает электрический поток, создаваемый электрическими зарядами.
    • Закон 2 — Закон Гаусса для магнитных полей: Этот второй закон очень похож на первый, но применяется к магнитным, а не электрическим полям.
    • Закон 3 — Закон Фарадея: Он описывает электрическое поле, индуцированное изменяющимся магнитным полем.
    • Закон 4 — Закон Ампера-Максвелла: немного похож на закон Фарадея, но он касается изменения электрического потока.

    Прогноз электромагнитных волн

    Теория электромагнетизма Максвелла объединила всю теорию и наблюдения, которые были разработаны в отношении электрической и магнитной физики, и суммировала это с помощью четырех уравнений. Он также математически продемонстрировал, что электромагнитная волна ожидалась. Качественно уравнения Максвелла суммируют взаимодействия между электрическим и магнитным полями, и это привело к предсказанию электромагнитной волны, которая может распространяться в пространстве.

    Он считал, что если изменяющееся электрическое поле создается движением заряженной частицы вперед и назад, то это изменяющееся электрическое поле будет создавать магнитное поле, перпендикулярное исходному электрическому полю. В этом случае изменяющееся магнитное поле также будет создавать изменяющееся электрическое поле, и этот цикл может повторяться бесконечно. Результатом этого были бы два взаимно распространяющихся поля. Электромагнитное излучение будет самораспространяться и распространяться в космос в виде электромагнитной волны фиксированной частоты.Кроме того, электрическое и магнитное поля обязательно будут колебаться с одной и той же частотой. На схеме ниже показано электрическое поле, перпендикулярное магнитному полю, распространяющееся в пространстве в виде электромагнитной волны. Поля перпендикулярны направлению распространения.

    Любой заряд, подвергшийся воздействию электромагнитного излучения, будет реагировать на электрическое поле излучения и ускоряться согласно F = qE. Кроме того, на любой заряд будет действовать сила F от магнитного поля согласно F = qvBsinθ.В результате электромагнитное излучение может быть преобразовано в кинетическую энергию.


    Прогноз скорости

    Расчеты Максвелла дали теоретическое значение скорости, с которой электромагнитная волна должна распространяться в пространстве. Эта скорость настолько близко соответствовала экспериментальным значениям скорости света, что привела физиков к мысли, что свет является формой электромагнитного излучения. Скорость света принята равной 299792458 м / с.В расчетах скорость света c часто принимается равной 3 × 10 8 м / с.

    Для ЭМИ существует специальный вариант волнового уравнения (v = fλ), который связывает скорость ЭМИ / света с частотой и длиной волны любой электромагнитной волны: c = fλ.


    Пример:

    Какова частота красного света с длиной волны 620 нм?

    Ответ:

    Использование:

    Электромагнетизм | New Scientist

    Если спросить, что делает электромагнетизм, одна из четырех известных фундаментальных сил природы, возможно, сначала будет легче сказать, чего он не делает.Он не удерживает наши ноги на земле, Землю, вращающуюся вокруг Солнца, или звезды и галактики во Вселенной, движущиеся в больших масштабах: это область гравитации. Он не связывает элементарные частицы вместе в атомном ядре и не определяет их распад: это делают сильные и слабые ядерные взаимодействия.

    Но практически любое другое явление, которое происходит в масштабах между этими двумя, зависит от электромагнетизма. Наиболее очевидны два, от которых сила получила свое название: электричество и магнетизм.Они были предметом многочисленных исследований и экспериментов физиков XIX века, таких как Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл. Именно Максвелл в 1860-х годах показал, что электричество и магнетизм на самом деле являются двумя аспектами одного единого явления: движущиеся электрические токи вызывают магнитные поля, а магнитные поля индуцируют электрические токи. Максвелл также показал в своей классической теории электромагнетизма, что электрическое и магнитное поля всегда распространяются с одной и той же постоянной скоростью: скорость света c.

    Это подводит нас к сути того, что квантовая теория поля показала в XX веке электромагнетизм. Это фундаментальная сила, которая действует между всеми частицами, обладающими электрическим зарядом, положительным и отрицательным: одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные — притягиваются. (Нечто подобное верно и для северного и южного магнитных полюсов, с той странной и необъяснимой разницей, что они всегда идут парами: нет магнитных «монополей», которые могли бы двигаться независимо друг от друга.)

    Согласно квантовой электродинамике или КЭД В квантовой теории поля, которая теперь объясняет электромагнетизм, его несущая силу частица — его «бозон», которым обмениваются все заряженные частицы, — это фотон, квант света.Фотоны разной энергии связаны с волнами разной частоты, а электромагнитный спектр — это название, данное всей гамме, от низкочастотных радиоволн, прошедших через видимый свет, до высокочастотных гамма-лучей.

    Таким образом, электромагнетизм отвечает за гораздо больше, чем просто электричество и магнетизм. Это сила, которая связывает отрицательно заряженные электроны с положительно заряженными атомными ядрами, обеспечивая возможность образования стабильных атомов и возможность возникновения химии, включая химию жизни.Он также отвечает за всевозможные повседневные силы, такие как трение, которые в конечном итоге возникают в результате взаимодействия электронов на атомном уровне.

    Изучение квантовой электродинамики тоже обнаружило всевозможные сюрпризы. Когда физик Поль Дирак в конце 1920-х годов возился с ранней версией теории, он предположил, что существует положительно заряженная версия электрона — портал в совершенно новый мир «антивещества», который отражает все обычные частицы с одними из них.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *