Уравнения Максвелла • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»
200 законов мироздания > Физика
Все электромагнитные явления описываются системой из четырех уравнений.
К середине XIX века ученые открыли целый ряд законов, описывающих электрические и магнитные явления и связи между ними. В частности, были известны:
- закон Кулона, описывающий силу взаимодействия между электрическими зарядами,
- теорема Гаусса, исключающая возможность существования в природе изолированных магнитных зарядов (магнитных монополей),
- закон Био—Савара, описывающий магнитные поля, возбуждаемые движущимися электрическими зарядами (см. также Закон Ампера и Открытие Эрстеда), и
- законы электромагнитной индукции Фарадея, согласно которым изменение магнитного потока порождает электрическое поле и индуцирует ток в проводниках (см. также Правило Ленца).
Эти четыре группы законов и были обобщены Джеймсом Клерком Максвеллом, которому удалось объединить их в стройную систему (получившую его имя), состоящую из четырех уравнений и исчерпывающим образом описывающую
Прежде всего, Максвеллу мы обязаны строгим математическим описанием всех известных законов электромагнетизма (Фарадей, например, вообще формулировал все открытые им законы исключительно в словесной форме). Во-вторых, в сформулированную им систему Максвелл внес немало принципиально новых идей, отсутствовавших в исходных законах. В-третьих, он придал всем электромагнитным явлениям строгое теоретическое обоснование. И, наконец, в-четвертых, на основе составленной им системы уравнений Максвелл сделал ряд важных предсказаний и открытий, включая предсказание существования спектра электромагнитного излучения.Давайте начнем со второго пункта. Согласно закону Био—Савара, электрический ток, проходящий по проводнику, возбуждает вокруг него магнитное поле. А что если электрический ток протекает не по проводнику, а через плоский конденсатор? Фактически, электроны не перескакивают с одной пластины на другую, однако ток всё равно проходит через конденсатор, поскольку электроны одной пластины взаимодействуют с электронами другой пластины, находясь в непосредственной близости друг от друга, и, в силу взаимного отталкивания, передают друг другу колебания (так называемые осцилляции) переменного тока, обеспечивая, тем самым, протекание тока через, казалось бы, очевидный разрыв в электрической цепи.
Максвелл понял, что закон Ампера в этой ситуации не объясняет прохождение тока. Он также понял, что, хотя заряды с пластины на пластину не переходят, электрическое поле (сила, которая возникла бы, если бы мы поместили между пластинами воображаемый электрический заряд) увеличивается. Исходя из этого он постулировал, что в мире электромагнитных явлений изменяющееся электрическое поле может играть ту же роль в порождении магнитного поля, что и электрический ток. Максвелл ввел принципиально новое понятие тока смещения
Внеся столь важное дополнение в первое из четырех уравнений, Максвелл на основании составленной им системы уравнений чисто математически вывел фантастическое по тем временам предсказание: в природе должны существовать электромагнитные волны, формирующиеся в результате колебательного взаимодействия электрических и магнитных полей, и скорость их распространения должна быть пропорциональна силе между зарядами или между магнитами.
См. также:
1621 | Закон Снеллиуса |
1864 | Спектр электромагнитного излучения |
1924 | Дисперсия: атомная теория |
Джеймс Клерк МАКСВЕЛЛ
James Clerk Maxwell, 1831–79
Шотландский физик, один из самых выдающихся теоретиков XIX столетия.
Родился в Эдинбурге, происходит из старинного дворянского рода. Учился в Эдинбургском и Кембриджском университетах. Первую научную статью (о методе начертания идеального овала) опубликовал в возрасте 14 лет. Максвелл занимал должность профессора кафедры экспериментальной физики Кембриджского университета, когда в 48 лет безвременно скончался от рака.
Первым большим теоретическим исследованием Клерка Максвелла, как его часто именуют, стала работа по теории цвета и цветного зрения. Он первым показал, что вся гамма видимых цветов может быть получена путем смешения трех основных цветов — красного, желтого и синего; объяснил природу дальтонизма (дефекта зрения, приводящего к нарушению восприятия цветовой гаммы) врожденным или приобретенным дефектом рецепторов сетчатки глаза. Он первым изобрел реально работающий цветной фотоаппарат (с использованием тартановой ленты в качестве светочувствительного материала) и продемонстрировал его работу на собрании Лондонского королевского общества в 1861 году.
Максвелл внес важный вклад в развитие многих отраслей естествознания. Но, пожалуй, наиважнейшее его достижение состоит в развитии теории электромагнетизма и постановке ее на прочную математическую основу. Заниматься этим вопросом Максвелл начал в середине 1850-х годов. По иронии судьбы Максвелл твердо верил в существование светоносного эфира, и все свои уравнения выводил исходя из того, что эфир существует, и
Наконец, Максвелл внес огромный вклад в становление статистической механики, найдя распределение молекул газа по скоростям, ставшее краеугольным камнем молекулярно-кинетической теории. Наконец, сам же Максвелл и подметил несовершенство этой теории, сформулировав парадокс, позже получивший название демона Максвелла.
1
Показать комментарии (1)
Свернуть комментарии (1)
Написать комментарий
1785 | Закон Кулона |
1820 | Закон Био—Савара |
1831 | Законы электромагнитной индукции Фарадея |
1864 | Уравнения Максвелла |
1931 | Магнитные монополи |
1604, 1609
Уравнения равноускоренного движения
1926
Уравнение Шрёдингера
Новостная рассылка
«Элементы» в соцсетях:
Первая и единая теория поля
Окончание.
Начало – в №8 за этот год.
Электричество, магнетизм и электромагнетизм
Слово «электромагнитный» возникло в 1820 году, за десять лет до рождения Максвелла, когда датский физик Эрстед обнаружил связь между электрическими и магнитными явлениями. Делая опыт с электрическим током, он заметил, что магнитная стрелка – случайно оказавшаяся рядом, – слегка поворачивается при включении и выключении тока. То, что новое явление открыл именно Эрстед, было случайностью, но само открытие было долгожданным. Впрочем, не так уж и долго, – около трех десятилетий. А сами электрические и магнитные явления были известны уже более двух тысячелетий, и ничто не указывало на их связь. Они совершенно непохожи. Электричество возникало при натирании, например, янтаря мехом, а магнитным свойством обладали некоторые «камни».
За три десятилетия до открытия Эрстеда в изучении электричества и магнетизма произошло важное событие – появились количественные законы. Французский физик Кулон измерил силу, действующую между двумя электрическими зарядами, и силу, действующую между двумя магнитными зарядами-полюсами.
Оказалось, что два эти закона одинаково определяют притяжение и отталкивание соответствующих зарядов, что намекало и на какую-то общность двух разных явлений. Намек оправдался лишь в 1820 году. Действие электрического тока на магнит, открытое Эрстедом, было лишь новым явлением. Следовало найти закон, как это действие зависит от силы тока и от расположения магнита.
Следующий шаг сделал французский физик Ампер. Он обнаружил, что магнит действует на ток, а ток, идущий по проволочной спирали, действует как постоянный магнит. Отсюда он сделал вывод, что никакого магнетизма в сущности нет, что каждый магнит – это множество внутренних круговых токов, скажем, молекулярного масштаба. Приняв эту новейшую идею, знакомый уже нам философ Конт назвал «Электрологией» всю область электрических и магнитных явлений.
Придумать название области проще, чем открыть законы, управляющие ею. Закон взаимодействия двух токов удалось сформулировать, но был он гораздо сложнее закона Кулона и никак с ним не связан.
Получалось, что неподвижные заряды взаимодействуют по одному закону, а, начиная двигаться, – по другому.
Еще одна странность была в том, что закон Кулона в точности повторял закон всемирного тяготения с тем лишь отличием, что тяготение – всегда притяжение, а в электричестве и магнетизме бывает еще и отталкивание. Взаимодействие токов напоминало гравитацию своим действием на расстоянии. Иного и не допускали – под впечатлением великих успехов Ньютона.
Сам-то Ньютон, размышляя над движением планет, принял дальнодействие отнюдь не с легким сердцем. Не зря с этой идеей конкурировала очень наглядная вихревая гипотеза, – идея близкодействия. Видя на ровной поверхности реки крутящуюся щепку, резонно думать, что в данном месте водоворот, который и движет щепку. Аналогично, видя вращение планет, предполагали, что в пространстве вокруг Солнца вихри чего-то невидимого несут с собой все планеты. На роль источника такого небесного вихря претендовало Солнце, вращение которого обнаружил еще Галилей.
А саму невидимую материю называли «эфир» – аристотелевское слово для небесного материала. Оставалось выяснить законы эфирного движения. Главным автором вихревой идеи был Рене Декарт – великий французский математик, физик и философ.
Несколько десятилетий Британию и континент разделяло, помимо пролива Ламанш, еще и различие в представлениях о причинах планетного движения. Наука Британии приняла ненаглядный, но точный закон всемирного тяготения, а наука континентальной Европы надеялась найти наглядное вихревое объяснение. Бесплодность этих надежд и плодотворность ненаглядного закона сделали свое дело, отправив невидимые вихри в архив истории.
Полтора века спустя, ко времени Максвелла, континентальные физики стали большими ньютонианцами, чем сам Ньютон, и думали о законах электричества и магнетизма только в ньютоновых пределах. Они готовы были как угодно усложнять законы, лишь бы не выйти за эти проверенные рамки.
Самой впечатляющей проверкой стало открытие планеты Нептун в 1846 году – открытие почти чисто теоретическое; как говорилось, на кончике пера.
«Почти», потому что началось открытие с малых нестыковок наблюдений и теории. Планета Уран двигалась не совсем так, как ей полагалось. Тогда предположили, что причина нестыковок – неизвестная планета, своим притяжением сбивающая Уран с «пути истинного». За дело взялись астрономы-теоретики и, пользуясь лишь законами Ньютона, вычислили, куда надо направить телескоп, чтобы увидеть новую планету. Астрономы-наблюдатели направили и увидели!
Этот триумф ньютонианства еще более упрочил рамки дальнодействия. Конечно, электричество – не гравитация, но и в «электрологии» закон Кулона и закон Ампера были законами дальнодействия.
Лишь среди соотечественников Ньютона нашлись такие, для которых наблюдаемые явления были важнее унаследованных рамок. Ключевым стало новое электромагнитное явление, открытое в год рождения Максвелла. Открытие сделал Майкл Фарадей.
От силовых линий Фарадея до поля Максвелла
Талантливому человеку сделать великое открытие иногда помогает даже его недостаток.
Фарадею недоставало университетского образования. Сын кузнеца, ученик переплетчика, он был самоучкой, но своим интересом к науке и способностями обратил на себя внимание видного британского физика и химика Г. Дэви. Начав работать его ассистентом в лаборатории Британского королевского института, через 12 лет – в 1825 году – Фарадей стал ее директором. Самоучку продвинули успехи его экспериментальных исследований.
Электромагнитные открытия 1820 года сразу притянули Фарадея, и уже в следующем году он написал исторический обзор электромагнетизма, повторив все важнейшие опыты. А попутно придумал, как сделать, чтобы провод с током вращался вокруг магнита.
Его главное открытие не было случайным, – с 1824 года он пытался получить электрический ток в проводе при помощи магнита или тока в другом проводе. В 1831 году 40-летний экспериментатор обнаружил, что движение магнита порождает ток в проводнике. Он не просто открыл новое явление экспериментально, но и выяснил закон этого явления – закон электромагнитной индукции.
Помог ему недостаток знаний математики и тогдашней теоретической «электрологии», держащей себя в рамках дальнодействия. Для формулировки закона Фарадей придумал свой собственный язык, где главным стало понятие «силовых линий». Эти линии он видел своими глазами. И каждый может увидеть, если насыпет железные опилки на лист картона, а снизу поднесет магнит. Линии, вдоль которых опилки выстраиваются и которые Фарадей назвал силовыми, показывают направление магнитной силы, а густота линий – величину этой силы. После трехмесячных исследований он пришел к выводу, что в замкнутом проводнике ток пропорционален изменению числа силовых линий, проходящих через контур проводника в единицу времени.
Опыт Фарадея немедленно повторили физики разных стран и убедились, что он действительно открыл новое явление. Но его самодельный язык не приняли и стали искать «более научный». По словам Максвелла, полвека спустя, «теоретики, забраковав фарадеевский язык, так и не придумали никакой иной, чтобы описать явление, не вводя гипотезы о вещах не существующих, как, например, токи, которые вытекают из ничего, затем текут по проводу и утекают опять в ничто».
В таком состоянии была наука об электромагнетизме, когда за нее взялся 24-летний Максвелл. В самодельных понятиях Фарадея он увидел больше, чем в изощренных математических построениях континентальных теоретиков: «Введенные Фарадеем понятия «силовое поле», «силовые линии», «индукция» выражают его подход к науке: тщательное наблюдение избранных явлений, исследование полученных представлений и, наконец, изобретение понятий, приспособленных для обсуждения этих явлений. Огромная роль Фарадея в науке об электромагнетизме может вызвать сомнение, поскольку эта наука приняла математическую форму еще до Фарадея, который вовсе не был математиком. В его описаниях не найти дифференциальных и интегральных уравнений, которые многим кажутся сутью точной науки. В трудах Пуассона и Ампера, вышедших до Фарадея, или Вебера и Неймана – после него, каждая страница пестрит формулами, ни одну из которых Фарадей не понял бы».
Максвелл, однако, прекрасно понимал, что все эти формулы лишь развивали методы Ньютона и вовсе не исчерпывали возможности математического языка, на котором написана книга Природы: «То, как Фарадей с помощью своей идеи силовых линий описал явление электромагнитной индукции, доказывает, что он был мощным теоретиком, у которого можно черпать плодотворные методы».
Первая работа Максвелла по электромагнетизму «О силовых линиях Фарадея» начинается так: «Нынешнее состояние науки об электричестве кажется особенно неблагоприятным для теории». Действительно, законы некоторых электрических и магнитных явлений, выведенные из экспериментов, были выражены математически, но не связаны между собой, хотя в поведении зарядов, токов и магнитов взаимосвязь проявлялась. «Чтобы овладеть этой наукой, – пишет Максвелл, – надо узнать такой объем сложнейшей математики, что простое удержание его в памяти существенно мешает продвижению. Первым делом поэтому надо упростить результаты предыдущих исследований и свести их к форме, которую можно охватить».
Максвелл, очевидно, верил в выполнимость этой задачи, но одной лишь веры для успеха мало. Почему путеводную идею Максвелл усмотрел в подходе Фарадея, логически не объяснить: подобный выбор пути обычно делает интуиция. Можно лишь указать факторы, которые помогали Максвеллу.
Прежде всего он слишком хорошо понимал ньютонову физику и область ее применимости, чтобы надеяться на ее всемогущество.
Фарадеевское понятие силовой линии не только позволило описать явление электромагнитной индукции, оно указывало на новый характер взаимодействия. Силовые линии, увиденные Фарадеем с помощью железных опилок, не зависели от размера опилок. Мысленно уменьшая этот размер до нуля, получим свойство в данной точке пространства в данный момент времени. Но свойство чего?
Десять лет спустя Максвелл, как и нынешние физики, сказал бы: «Свойство электромагнитного поля». Десять лет ему понадобились, чтобы выработать точный – научный – смысл этого понятия, использованного в заглавии его работы 1865 года «Динамическая теория электромагнитного поля».
О «магнитном поле» говорил еще Фарадей, но у него «поле» – слово обыденного, ненаучного, языка – синоним понятий «область», «сфера» (чего-либо). Выражение Фарадея означало просто «область пространства, где действуют магнитные силы». Так в русском языке говорят о «поле зрения» и «поле действия». В английском – «поле» применяется еще шире; скажем, «область физики» переводится с участием слова field – поле.
Максвелл также начинал с обыденного смысла этого слова. Он искал закон взаимосвязи электрических и магнитных свойств в каждой точке «поля действия электромагнетизма», – искал закон, переходящий в частных случаях в известные законы Кулона, Ампера, Фарадея. Максвелл не знал, что не хватает еще одного закона, который ему предстоит открыть.
Свойств в каждой точке четыре: электрическая и магнитная силы, заряд и ток. Столько же должно было быть и взаимосвязей, или, на математическом языке, уравнений. Тот, кто видел четыре лаконичные уравнения Максвелла в нынешних учебниках, очень удивится, заглянув в статьи Максвелла 1855, 1861 и 1865 годов, в которых тот прошел путь к своим уравнениям. В каждой статье более полусотни страниц. И удивительное различие материала. В первой статье механизм поведения силовых линий представлен движением невесомой и несжимаемой жидкости. Во второй – появляются в огромном количестве некие «молекулярные вихри» и две «эфирные среды», в которых происходят электромагнитные и световые явления.
В третьей статье уже никаких вихрей, два эфира совпадают, и свет назван электромагнитным явлением.
Непоследовательность? Максвелл объяснил свой метод исследования в самом начале поиска – в статье 1855 года. Выбрав отправной точкой идеи Фарадея, Максвелл сравнил два метода – «чисто математическое формулирование или физическая гипотеза»: в первом случае теряется физическая природа явления, во втором – явление рассматривается через узкий окуляр избранной гипотезы. И Максвелл избрал третий путь – «офизичить» математическое описания с помощью подходящих физических аналогий, делая математический язык более наглядным, но не привязывая себя к этим аналогиям намертво и сохраняя свободу в поиске адекватного описания. Речь шла об иллюстрациях, помогающих воображению без претензий на раскрытие сути явления. Такой метод позволял переходить с одного уровня описания на другой без необходимости объяснять все причины перехода. Ведь кроме объективно-уважительных причин действуют субъективно-интуитивные, которые и самому исследователю не всегда понятны.
По словам Эйнштейна, «понятия никогда нельзя вывести из опыта логически безупречным образом», как «невозможно построить дом без использования лесов, которые сами вовсе не являются частями здания».
Такими лесами у Максвелла были потоки несжимаемой жидкости, силовые линии, молекулярные вихри, две эфирные среды. Построив здание теории электромагнитного поля, или электродинамики, леса он удалил. Почти все. Осталась единая эфирная среда, еще несколько десятилетий помогая воображению физиков, хоть в уравнениях Максвелла никакие ее свойства не участвовали.
Возможно, кто-то настороженно ждет, не связано ли это – одно из величайших в истории физики – достижение с чем-нибудь библейским. Спешу успокоить, никаких свидетельств такого рода Максвелл не оставил. И предлагаю читателям самим решить, можно ли подобным свидетельством посчитать отношение к уравнениям Максвелла его младшего современника и сподвижника в статистической физике – Больцмана, который свои чувства по поводу уравнений Максвелла выражал строками «Фауста»:
Не Бог ли эти знаки начертал?
Таинственен их скрытый дар!
Они природы силы раскрывают
И сердце нам блаженством наполняют.
Атеист Больцман, похоже, мог поблагодарить Всевышнего за помощь Максвеллу в изобретении понятия поля и в открытии с помощью этого понятия (разумеется, с Божьей помощью) системы законов электромагнетизма.
Не менее сильные чувства испытывали фундаментальные физики следующего поколения. Макс Планк причислил успех Максвелла к «величайшим триумфам человеческого стремления к познанию», к «наиболее удивительным свершениям человеческого духа» и к проявлениям того, «что между законами природы и законами духа имеются какие-то очень тесные связи».
Эйнштейн подытожил проще, но не менее сильно: «Одна научная эпоха закончилась и другая началась».
В эпоху Максвелла и при его прямом участии произошло объединение физики, до того состоявшей из весьма автономных частей: механика, теплота и оптика. Статистическое объяснение теплоты объединило ее с механикой, а оптика оказалась проявлением электромагнитных сил. Но подлинно эпохальную роль Максвелл сыграл в том, что фундамент физики был впервые капитально перестроен.
Величественное здание, заложенное Галилеем и возведенное Ньютоном, вместило новую физику молекулярно-тепловых явлений, но оказалось тесным, чтобы вместить – без перестройки – физику электромагнетизма.
Глобальное электромагнитное объединение
Из достижений Максвелла физиков более всего поразило раскрытие электромагнитной природы света – древнейшего, важнейшего и общедоступного физического явления, ничем не напоминавшего электричество и магнетизм.
Первый намек увидел Фарадей, обнаружив в 1845 году, что магнитное поле влияет на свет. К тому времени уже было известно, что свет – это волны, то есть распространение колебаний, и что колебания эти поперечны: происходят поперек направлению распространения. Считалось, что колеблется «светоносный эфир» – незаметная среда, похожая, однако, на твердые тела, в которых лишь и бывают поперечные колебания, а в газах и жидкостях возможны лишь продольные, как, например, звук. Из естественного света можно выделить часть, в которой колебания происходят лишь в одном направлении, – поляризованный свет.
Наблюдая распространение такого света в магнитном поле, Фарадей обнаружил, что направление поляризации поворачивается, и заподозрил влияние магнитного поле на светоносный эфир.
Лишь когда Максвелл получил систему уравнений электромагнитного поля, он обнаружил, что одно из решений этих уравнений – распространение поперечных колебаний, притом со скоростью, всего на один процент отличающейся от скорости света. Максвеллу понадобилось еще несколько лет, чтобы прийти к выводу, что величина скорости, полученная из электромагнитных измерений, и величина, полученная в опытах со светом – это два разных способа измерения одного и того же. И что свет – это частный случай электромагнитных колебаний, когда за одну секунду происходит миллион миллиардов колебаний.
Электромагнитное объяснение света, как бы впечатляюще оно ни было, говорило об уже известном явлении. А предсказание электромагнитных волн самой разной частоты открывало совершенно новую область физических явлений и, главное, дало возможность проверить саму теорию, которую скептически встретили не только в Германии и Франции, где царила теория дальнодействия.
Ее не принял и Уильям Томсон, самый знаменитый тогда в Британии физик, притом расположенный к Максвеллу. Одобрив промежуточную теорию Максвелла, основанную на молекулярных вихрях, Томсон в штыки встретил то, что Максвелл убрал эти вихревые леса, оставив свои уравнения без объяснения.
За проверку взялся германский физик Генрих Герц, имевший свои причины сомневаться в максвелловской теории. Заставить электрический заряд делать миллион миллиардов колебаний в секунду и проверить, появится ли свет, было задачей невыполнимой, но проверить теорию можно было и колебаниями гораздо меньшей частоты.
Электромагнитные колебания в проводной цепи к тому времени уже исследовали экспериментально и поняли теоретически. Началось все с эффектного опыта германского физика Феддерсена, показавшего, что электрическая искра, или разряд, – это на самом деле очень быстрый колебательный процесс. Период колебаний определяется свойствами проводной цепи, как следовало из тогдашней электромагнитной, домаксвелловской теории, обходящейся без понятия поля.
Одно дело – колебания в проводной цепи, совсем другое – распространение колебаний без проводов из одной цепи в другую. Герц придумал, как создать сильные электромагнитные колебания и как обнаружить их с помощью так называемого осциллятора Герца. Это – петля из проводника с маленьким разрывом, в котором проскакивает искра, с периодом колебаний в миллиард раз больше световых. В 1888 году Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом, подтвердив их свойства, аналогичные свету.
Тогда, собственно, и началась эпоха Максвелла, десять лет спустя после смерти 48-летнего физика – величайшего физика всех времен и народов, если оценивать науку с чисто практической точки зрения. Сам Максвелл, как фундаментальный теоретик, конечно, так не смотрел на науку. Но век спустя Ричард Фейнман на лекции по электромагнетизму сказал студентам: «Когда из будущего, скажем, через десять тысяч лет, будут смотреть на историю человечества, самым значительным событием в XIX веке несомненно сочтут открытие Максвеллом законов электродинамики.
На фоне этого научного открытия гражданская война в Америке в том же десятилетии поблекнет до периферийной незначительности».
Так Фейнман отозвался на столетний юбилей этих двух событий. История не знает, что было бы, победи в той войне рабовладельческие южные штаты, но если сравнивать роли разных научных открытий в мировой истории, первенство электродинамики Максвелла вполне вероятно.
Социальная роль инженерной науки в Европейской истории проявилась в «век пара», который начался в XVIII веке и длился около двух столетий. Однако главный тогдашний инструмент прогресса – паровой двигатель – возник не из физических исследований. Физики подключились к его совершенствованию лишь много позже.
Зато следующий инструмент прогресса, давший имя «веку электричества», – подсказан именно физикой. Из опытов с электрическими зарядами возникла идея передавать сигнал между пунктами, соединенными проводом. Открытие магнитного действия токов добавило возможностей инженерам-изобретателям, и в 1830-е годы были созданы несколько типов электромагнитного телеграфа.
Тридцать лет спустя телеграфные линии связали развитые страны Европы и Америки, в 1870 году только в США было послано более 9 миллиардов телеграмм, а к началу ХХ века телеграф связал практически весь мир.
Особо драматичным этапом стала прокладка трансатлантического кабеля в 1856–1866 годах. Научным руководителем этой работы был Томсон, удостоенный за свои достижения дворянского звания, а затем и титула лорда. Время прокладки подводного кабеля совпало с работой Максвелла по созданию теории электромагнитного поля. А Томсон все электромагнитные расчеты делал на основе предыдущих – частичных – законов электромагнетизма, то есть обошелся без теории Максвелла. Дело в том, что Томсон имел дело с проводными цепями и с полями, меняющимися медленно. Ему под силу была задача об электромагнитных колебаниях в замкнутой цепи, но не распространение колебаний в пространстве – электромагнитные волны. Это явление без теории Максвелла понять невозможно.
Экспериментальное подтверждение теории Максвелла в опытах Герца стало событием не только в истории науки, но и в мировой истории, о чем сам Герц не подозревал.
Его можно понять. Он с трудом довел чувствительность своей экспериментальной установки до еле уловимой величины. И ему, фундаментальному физику, трудно было разглядеть в своей установке новый тип телеграфа, не требующего проводов, а тем более – радиопередатчик и радиоприемник.
Для этого нужны были глаза инженера-изобретателя и предпринимателя, восприимчивых к новейшим достижениям науки. Через семь лет после опытов Герца, Александр Попов в России и Гульельмо Маркони в Италии изобрели радиотелеграф. Оба использовали новый приемник колебаний, более чувствительный, чем был у Герца, – стеклянную трубку, наполненную металлическими опилками. Этот новый «радиоприемник», изобретенный во Франции в 1890-м, усовершенствовали в Англии в 1894 году.
Отсюда ясно, насколько стремительным и международным стало развитие науки в эпоху Максвелла, в эпоху электромагнетизма. Люди науки и техники осознавали это уже тогда, о чем говорит текст первой радиотелеграммы Попова: «Генрих Герц». Если бы не стремление к телеграфной краткости, Попов, наверняка, помянул бы и Максвелла.
Ведь именно труды Максвелла, объединив электричество, магнетизм и оптику в стройное целое, предопределили глобальную связь людей в единое человечество. Электромагнитные волны сделали возможными телевидение и Интернет, что увеличило потоки информации в миллионы раз. Ныне один компьютер получает и передает сведений больше, чем вся почта и телеграф во времена Попова и Маркони. И конкурентов электромагнитной связи не видно. А значит, не видно конца и эпохе электромагнетизма в мировой истории.
В истории же науки эпоха Максвелла длилась всего несколько десятилетий. На смену ей пришли почти одновременно две эпохи, начатые открытиями Планка и Эйнштейна. Максвелл дал им не только исходную теорию, но и поучительный пример. Решая поставленную перед собой проблему, он ввел в физику первое после Ньютона новое фундаментальное понятие.
Великое открытие в области электромагнетизма
Автор: Роберт Хейзен, доктор философии. , Университет Джорджа Мейсона Взаимосвязь между магнетизмом и электричеством была обнаружена экспериментально, но Джеймс Максвелл количественно определил эту взаимосвязь с помощью своих уравнений.
(Изображение: Aris-Tect Group/Shutterstock)Магниты и электричество
Магнитные силы, по-видимому, являются атрибутом нескольких странных материалов — железа, минерального магнетита, нескольких других твердых тел, но не очень многих. И они включают в себя северный и южный магнитные полюса, что присуще этим материалам. Все магниты имеют эти два полюса. Магниты всегда являются физическими объектами. У них, казалось бы, постоянные свойства.
Электрические силы, с другой стороны, появляются вокруг нас всякий раз, когда объект накапливает избыток или недостаток электронов — положительный или отрицательный заряд, если хотите. Электрически заряженные объекты обычно будут либо положительными, либо отрицательными в зависимости от избытка или недостатка электронов. Эти электрические заряды кажутся довольно преходящими. Вы можете зарядить объект, объект может потерять свой заряд, и мы видим эти явления повсюду вокруг себя.
Узнайте больше об электричестве.
И притягательная, и отталкивающая
Но, конечно же, между этими двумя силами есть и очень важное сходство.
Эти силы отличают электричество и магнетизм, например, от гравитации. В каждом случае сила может быть либо притягивающей, либо отталкивающей; это сильно отличается от гравитации, которая всегда только привлекательна. В каждом случае одинаковые полюса или одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, тогда как противоположные полюса или противоположные заряды притягиваются.
Что ж, в любом случае, какова бы ни была природа электричества и магнетизма, четкое определение силы, данное Ньютоном, позволяет — это явление, позволяющее массе ускоряться, — изучать как электричество, так и магнетизм ученым, которые хотели понять природу повседневное явление в нашем мире. Итак, электричество и магнетизм, конечно, усиленно изучались в 17, 18 и в 19 вв.век.
Это стенограмма из серии видео Радость науки . Смотрите прямо сейчас на Wondrium.
Современная энергия
Технологическое значение первых открытий в области электромагнетизма было огромным.
Открытие Майклом Фарадеем электромагнитной индукции предоставило простой способ осуществить ранее сложное преобразование. В этом процессе гравитационная потенциальная энергия, например, или теплота, может быть преобразована в электрическую энергию. Вы должны просто поставить на пути электрический генератор, который берет один вид энергии и преобразует его в другой вид энергии.
До этого людям приходилось строить свои производства рядом с источниками энергии. Но электрическая энергия может передаваться на многие-многие мили просто по системе проводов. В 19 веке каждое домашнее хозяйство должно было управлять собственным запасом топлива. Обычно у вас был древесный уголь. Электрификация сельских районов в Америке изменила общество. Впервые семьи по всей Америке были физически связаны источником энергии.
Четыре уравнения Джеймса Клерка Максвелла
Открытия в области электромагнетизма позволили создать машины для создания и передачи электричества, такие как индукционные катушки.
(Изображение: Кого/общественное достояние)В 1871 году физик Джеймс Клерк Максвелл был назначен первым профессором экспериментальной физики в Кембридже, и он также основал Кавендишскую лабораторию.
Максвелл сформулировал элегантную математическую формулировку электричества и магнетизма в 1860-х годах. Это были четыре уравнения, уравнения Максвелла электромагнетизма. Эти уравнения очень сложны математически, но мы можем описать эти четыре уравнения обычными словами.
Первое уравнение — это просто переформулировка закона Кулона, согласно которому между любыми двумя электрически заряженными объектами существует сила. Сила пропорциональна зарядам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. Второе уравнение описывает магнитное явление и говорит, что каждый магнит всегда имеет два полюса, северный полюс и южный полюс.
Третье уравнение говорит о том, что изменение электрического поля вызывает магнитные эффекты. А симметричное четвертое уравнение говорит, что изменение магнитных полей производит электричество.
Узнайте больше об электромагнетизме.
Электромагнетизм и свет
Одно из величайших чудес математики, одна из вещей, которая делает математику такой могущественной в науке, заключается в том, что она может привести к неожиданным открытиям. С наборами уравнений можно манипулировать с помощью алгебры и других видов математических процессов, и вы, безусловно, можете узнать новые вещи о мире природы, о которых вы даже не подозревали.
Вот что случилось с Максвеллом. Он манипулировал своими четырьмя уравнениями и обнаружил, что одним из возможных математических решений того, как работают электричество и магнетизм, является волна. А поскольку в это уравнение встроены константы, он обнаружил, что эта волна обладает некоторыми очень особыми свойствами. Действительно, наиболее характерным свойством является то, что волна должна двигаться со скоростью 186 000 миль в секунду, со скоростью света.
В результате, исходя из весьма эзотерических математических рассуждений при описании этих явлений электричества и магнетизма, Максвелл открыл природу света.
Свет является электромагнитным свойством. Это было удивительное открытие, изменившее будущее науки.
Общие вопросы об уравнениях Максвелла
В: В чем разница между магнетизмом и электричеством?
Магнетизм ограничен несколькими физическими материалами. У них, казалось бы, постоянные свойства. С другой стороны, электричество появляется вокруг нас во многих формах, но кажется преходящим, поскольку электрический заряд может быть удален или изменен с положительного на отрицательный.
В: Что общего у электричества и магнетизма?
И в электричестве, и в магнетизме сила может быть как притягивающей, так и отталкивающей, в отличие, скажем, от гравитации, которая всегда только притягивает. В каждом случае одинаковые полюса или одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, тогда как противоположные полюса или противоположные заряды притягиваются.
В: Что открыл Максвелл, работая над своими четырьмя уравнениями электромагнетизма?
Джеймс Максвелл манипулировал своими четырьмя уравнениями и обнаружил, что одним из возможных математических решений того, как работают электричество и магнетизм, является волна.
Самым отличительным свойством этой волны было то, что она двигалась со скоростью 186 000 миль в секунду, со скоростью света. Это означало, что свет представляет собой электромагнитную волну.
Продолжайте читать
Научные вопросы: природа и область применения
Фундаментальные силы: история объединения сил
Фундаментальный структурный блок и сила
| Джеймс Клерк Максвелл(1831-1879) Джеймс Клерк Максвелл был одним из величайших ученых девятнадцатого века. Максвелл родился в Эдинбурге, Шотландия, в 1831 году. Несмотря на то, что большую часть своего формального высшего образования он получил в Лондоне, его всегда тянуло обратно в свой семейный дом на холмах Шотландии. В детстве Максвелл увлекался геометрией и механическими моделями. Когда ему было всего 14 лет, он опубликовал свою первую научную работу по математике овальных кривых и эллипсов, которые он обвел булавками и нитками. Максвелл продолжал публиковать статьи на самые разные темы. К ним относятся математика человеческого восприятия цветов, кинетическая теория газов, динамика волчка, теории мыльных пузырей и многие другие. Раннее образование Максвелла проходило в Эдинбургской академии и Эдинбургском университете. Находясь в Абердине, Максвелл столкнулся с темой премии Адамса 1857 года: движением колец Сатурна. Ранее он думал и теоретизировал о природе колец, когда ему было всего 16 лет. Он решил побороться за приз, и следующие два года были посвящены разработке теории, объясняющей физическое строение колец. В конце концов он смог продемонстрировать чисто математическими рассуждениями, что стабильность колец может быть достигнута только в том случае, если они состоят из множества мелких частиц. Большая часть современных технологий была разработана на основе основных принципов электромагнетизма, сформулированных Максвеллом. Область электроники, включая телефон, радио, телевидение и радар, проистекает из его открытий и формулировок. Хотя Максвелл в значительной степени полагался на предыдущие открытия в области электричества и магнетизма, он также сделал значительный скачок в объединении теорий магнетизма, электричества и света. Его революционная работа привела к развитию квантовой физики в начале 19 века.00-х и к теории относительности Эйнштейна. Максвелл начал свою работу в области электромагнетизма, расширив теории Майкла Фарадея об электричестве и магнитных силовых линиях. Затем он начал видеть связь между подходами Фарадея, Реймана и Гаусса. В результате он смог вывести одну из самых элегантных теорий, когда-либо сформулированных. Одним из первых действий, которые Максвелл сделал с уравнениями, было вычисление скорости электромагнитной волны, и он обнаружил, что скорость электромагнитной волны почти идентична скорости света. Основываясь на этом открытии, он первым предположил, что свет представляет собой электромагнитную волну. В 1862 году Максвелл писал: .«Едва ли мы можем избежать вывода, что свет состоит из поперечных волнистостей той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений». Это было замечательным достижением, поскольку оно объединяет не только теории электричества и магнетизма, но и теории оптики. Электричество, магнетизм и свет теперь можно рассматривать как аспекты одного явления: электромагнитных волн. Максвелл также описал термодинамические свойства молекул газа, используя статистическую механику. Максвелл также внес свой вклад в развитие цветной фотографии. Его анализ восприятия цвета привел к изобретению трихроматического процесса. Используя красный, зеленый и синий фильтры, он создал первую цветную фотографию. Трихроматический процесс лежит в основе современной цветной фотографии. Особый дар Максвелла заключался в применении математических рассуждений при решении сложных теоретических задач. Электромагнитные уравнения Максвелла — прекрасный пример того, как математика может использоваться для относительно простых и элегантных объяснений сложных тайн Вселенной. Ричард Фейнман писал о Максвелле: «С точки зрения истории человечества, скажем, через десять тысяч лет, не может быть никаких сомнений в том, что самым значительным событием девятнадцатого века будет считаться открытие Максвеллом законов электродинамики. Максвелл продолжал свою работу в Кавендишской лаборатории, пока болезнь не вынудила его уйти в отставку в 1879 году. Он вернулся в Шотландию и вскоре умер. Его похоронили без особых церемоний на маленьком кладбище в деревне Партон в Шотландии. НАЗАД К ПИОНЕРАМ ОПТИКИ Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.© 1995-2022 автор Майкл В. Дэвидсон и Университет штата Флорида. Все права защищены. Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения владельцев авторских прав. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми правовыми положениями и условиями, изложенными владельцами.Этот сайт поддерживается нашимГруппа графического и веб-программирования в сотрудничестве с Optical Microscopy в Национальной лаборатории сильного магнитного поля.   | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
gif»>
Он наиболее известен формулировкой теории электромагнетизма и установлением связи между светом и электромагнитными волнами. Он также внес значительный вклад в области физики, математики, астрономии и инженерии. Многие считают его отцом современной физики.
В 1850 году он продолжил учебу в Кембриджском университете, а по окончании Кембриджа Максвелл стал профессором натурфилософии в Маришальском колледже в Абердине до 1860 года. Затем он переехал в Лондон, чтобы стать профессором натурфилософии и астрономии в Королевском колледже. Колледж. В 1865 году отец Максвелла умер, и он вернулся в семейный дом в Шотландии, чтобы посвятить свое время исследованиям. В 1871 году он стал первым профессором экспериментальной физики в Кембридже, где в 1874 году основал всемирно известную Кавендишскую лабораторию.0011
Его теория принесла ему премию, и, что более важно, почти сто лет спустя космический зонд «Вояджер-1» подтвердил правильность его теории.
Используя четыре уравнения, он описал и количественно определил отношения между электричеством, магнетизмом и распространением электромагнитных волн. Уравнения теперь известны как уравнения Максвелла.
Его усовершенствования кинетической теории газов включали показ того, что температура и тепло вызываются только молекулярным движением. Хотя Максвелл не создал кинетическую теорию, он был первым, кто применил вероятность и статистику для описания изменений температуры на молекулярном уровне. Его теория до сих пор широко используется учеными в качестве модели разреженных газов и плазмы.
.»