Открытие электромагнетизма . Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Люди обратили внимание на магнитные силы еще в далекие от современности времена. Само название феномена происходит от древнего города Магнесии, близ которого располагались внушительные залежи магнитных руд. О свойствах магнита люди знали испокон веков, еще задолго до того, как магнитный железняк получил свое название.
Первооткрывателями магнетизма следует считать древних индейцев ольмеков, сформировавших развитую цивилизацию. Они около 4000 лет назад открыли свойства магнитного железняка и высекали из него скульптуры тучных людей. Назначение этих скульптур до конца не определено историками, однако ученые установили, что силовые линии магнитного поля каждой скульптуры сходятся в точности на ее пупе. Таким образом, ольмеки имели представление о силовых линиях магнитного поля.
Они, видимо, знали о существовании земного магнетизма и о том, что с его помощью можно ориентироваться на местности.
О наличии таких познаний свидетельствуют каменные изваяния черепах с магнитной головой. Далекие странствия морских черепах были известны многим древним народам. Видимо, ольмеки связали навигационные способности животных с наличием у них магнитного чувства.
С древнейших времен люди сложили немало легенд о загадочном явлении природы. Собиратель разнообразных занимательных историй, римский литератор Плутарх рассказывал о магнитной горе близ берегов Индии. Эта гора якобы могла вытягивать силой своего магнитного притяжения металлические гвозди из досок кораблей, отчего суда разрушались и тонули. Позднее страшная легенда вошла в состав сборника арабских сказок «Тысяча и одна ночь».
Но римляне не довольствовались пересказом красочных легенд, они пытались материалистически объяснить сущность сил и процессов в окружающем их мире. Атомист Лукреций в своей энциклопедической поэме «О природе вещей» (I в. до н. э.) подробно описывает действие магнетизма:
Видеть случалось мне, что прыгают в медных сосудах
Самофракийские кольца с железа опилками вместе,
Бурно бушуя, когда под сосудом камень магнитный,
Словно скорей убежать они жаждут от этого камня.
Далее Лукреций дает объяснение феномена в духе того времени. Античные атомисты наивно полагали, что притяжение и отталкивание железа и магнита вызвано потоками неустойчивых частиц в магнитном веществе. В целом объяснение невероятно сложно и совершенно ошибочно. Однако оно представляет собой продукт работы ума и свободно от фантазий о душах, которыми наделяли магнитный железняк мистики.
Примерно 2000 лет назад обнаруживают магнитные свойства китайцы. Уже в период Средневековья, около 1000 лет назад, они изобретают компас, а несколько позднее защитные ворота. Магнитные ворота были установлены у императорского дворца. Они притягивали к себе всяческие металлические изделия и тем самым могли выдать преступника, задумавшего пронести в императорский дворец оружие.
Первый компас представлял собой намагниченную металлическую пластинку (стрелку компаса), закрепленную на дощечке, которая свободно плавала в глиняном сосуде с водой.
Поскольку трение воды было очень слабым, а масса магнитной пластинки невелика, то металл активно притягивался к полюсам планеты. Магнитные полюса создают равные силы, которые действуют на намагниченное тело так, что оно не смещается в сторону полюсов, а занимает положение вдоль силовых линий.
Стрелка компаса, т. о., выстраивается вдоль линий напряженности магнитного поля Земли и тем самым указывает направление на магнитный полюс. В XII столетии компас попадает в Европу, где получает широкое распространение, поскольку оказывается очень выгодным навигационным прибором для активно развивающегося мореходства. Появление компаса в Европе способствовало наступлению Эпохи Великих географических открытий, которая началась с открытия Америки и морского пути в Индию.
Значение компаса для колонизаторских и торговых походов европейцев было исключительным, что заставило ученых уже в средние века заняться исследованием необычной природы магнетизма. Знатоки морской навигации прекрасно знали о существовании у Земли двух полюсов, а кроме того, установили, что строгое направление на магнитный полюс не совпадает с точным направлением на полюс географический, находимый по Полярной звезде.
История сохранила сведения о любопытном случае. Во время экспедиции адмирала X. Колумба в Новый свет среди матросов поднялась паника, т. к. компас внезапно изменил свои показания и стал указывать совершенно новое магнитное склонение. Адмирал, уверенный в правильности выбранного маршрута, чтобы успокоить матросов, тайком повернул картушку компаса. Прибор стал давать привычные показания.
Причиной же странного поведения компаса было, во-первых, нахождение каравелл Колумба в другом полушарии планеты, а во-вторых, махинации адмирала с путевым журналом, куда он заносил неверные данные. Колумб стремился держать матросов в неведении относительно количества пройденного пути, иначе команда могла решить, что путешествие слишком затянулось.
Физики, явившиеся первыми исследователями необычного явления природы, обнаружили непонятную связь между электрическими и магнитными явлениями.
В 1600 г. англичанин Гильберт издает первый в истории труд, посвященный магнетизму. В этой работе собраны многие интересные наблюдения, касающиеся, в частности, земного магнетизма, а также ряда известных в то время электрических явлений. Гильберт называл нашу планету большим магнитом, поскольку она, так же как и любой магнитный камень, имеет разноименные полюсы. Физик доказал свои воззрения экспериментальным путем. Он намагнитил большой шар и приложил к его поверхности компас. Стрелка непременно указывала направление на полюс. Ученый сообщает также о другом своем замечательном открытии: оказывается, противоположные полюсы притягиваются, но вот одноименные отталкиваются.
Причины, по которым некоторые планеты обладают магнитным полем, до конца не выяснены.
Предполагается, что магнитное поле Земли генерирует ее железоникелевое ядро, которое окружено подвижной вязкой жидкостью. Ядро и обтекающая его жидкость действуют подобно динамо-машине. У Луны магнитное поле чрезвычайно слабое, почти нулевое, поскольку ее недра давно утратили активность. То же касается и прочих планетных спутников. Исполинский Юпитер обладает самым мощным магнитным полем из всех планет Солнечной системы.
Астрофизики отметили некоторые необычные свойства этого поля. Например, оно резко уменьшается в районе юпитерианского спутника Ио. Пока у астрофизиков есть только одно правдоподобное объяснение феномена. Спутник, недра которого крайне активны, обладает собственным слабым полем. Приборы автоматических станций это поле не зарегистрировали. Зато оно служит силовым барьером, экранирующим Ио от действия мощного магнитного поля планеты-гиганта. Получается, что магнитная оболочка Ио напоминает собой маленький пустотный пузырь в магнитной оболочке Юпитера.
Магнитная оболочка Земли, простирающаяся в космическое пространство, называется магнитосферой.
Наиболее значимые части земной магнитосферы получили название радиационных поясов Земли (РПЗ). Это области, где силовыми линиями магнитного поля захватываются заряженные частицы солнечного излучения. Некоторые из частиц периодически высыпают в область схода силовых линий, т. н. касп, где ионизируют воздух.
Такая ионизация вызывает свечение, получившее название полярного сияния. В настоящее время полярные сияния тщательно исследуются с помощью специальной техники — гелиографов, особых фотографических устройств, компьютеров, благодаря которым ученые получают информацию о свойствах магнитного поля Земли, о приближающихся магнитных бурях, о солнечной активности, поскольку именно Солнце поставляет в зону РПЗ заряженные частицы.
Раскрытие природы магнетизма пришло только в начале XIX в. В 1820 г. датский физик X. Эрстед читал лекции о тепловом действии тока. По случайности рядом оказался компас. Его стрелка пришла в движение, едва Эрстед замкнул цепь.
Один из студентов обратил внимание физика на этот факт, и ученый сразу же понял, что электрический ток, движущийся в цепи, создает собственное магнитное поле. В том же году проводили сходные исследования Ампер и Араго.
Физики также подтвердили существование магнитных свойств электрического тока. Как оказалось впоследствии, электричество и магнетизм представляют собой две стороны одного и того же природного явления. Магнитное и электрическое поля есть разновидности единого электромагнитного поля, посредством которого между собой взаимодействуют заряженные частицы. Каждый электрический заряд обладает электрическим полем. Если он движется, то способен генерировать магнитное поле. А переменное магнитное поле неизменно порождает электрический ток. Это объясняет причины притяжения магнитного железняка. Его магнитное поле порождается движущимися электронами.
Практически всякий природный магнит состоит из множества мельчайших частиц, которые представляют собой маленькие магнитики.
Эти магнитики ориентированы в пространстве строго определенным образом и тем самым формируют направленное магнитное поле, усиливая друг друга.
Железо и сталь также состоят из магнитиков, которые, однако, очень слабы и в малой степени упорядочены.
Если на эти материалы повлиять сильным магнитным полем, то частицы железа выстроятся в ряды и металл приобретет магнитные свойства. Железо станет притягиваться магнитом, как если бы само было магнитным. Интересно, что перестройку малых магнитиков можно услышать. Достаточно для этого подсоединить катушку со стальным сердечником к динамику и пустить через нее ток. Катушка начнет вырабатывать магнитное поле, под влиянием которого частицы стали начнут упорядочиваться, принимать ориентированное по силовым магнитным линиям расположение. Звуки, раздающиеся из динамика, порождены этим процессом, они как бы служат его отражением.
Среда существования электрических и магнитных тел — электромагнитное поле.
Первым высказал такую мысль Дж. Максвелл, который в 1860–1865 гг. обосновал свои идеи математически. Также Максвелл понял, что колебания зарядов приводят к возмущениям электромагнитного поля, которые тоже имеют характер колебаний. Эти колебания распространяются в поле со скоростью 300 000 км/с в виде электромагнитных волн. Физики привыкли называть электромагнитные волны излучением.
Каждый вид излучения, включая световое, является разновидностью электромагнитных колебаний с определенной длиной волны. Скорость движения электромагнитных волн, как впоследствии установили ученые, является максимальной скоростью распространения электромагнитного и любого другого взаимодействия в природе. Немецкий ученый Г. Герц в 1887 г. создал прибор для генерации электромагнитных колебаний и с его помощью поставил эксперименты, доказывающие справедливость теории Максвелла.
Майкл Фарадей: биография, открытия, изобретения
Майкл Фарадей (1791-1867) – известный британский ученый, прославившийся в области экспериментальной физики.
Известен своим открытием электромагнитной индукции, которая позднее легла в основу промышленного производства электричества. Фарадей был членом многочисленных научных организаций, в том числе Лондонского королевского общества и Петербургской академии наук. Его по праву считают крупнейшим в истории науки ученым-экспериментатором.
Майкл Фарадей (Michael Faraday)
Содержание статьи
- 1 От бедности к науке
- 2 На пути к мечте
- 3 Научные достижения
- 4 Переворот в электрохимии
- 5 Клетка Фарадея
- 6 Болезнь и новые открытия
- 7 Характер ученого
- 8 Интересные факты
От бедности к науке
Майкл Фарадей появился на свет 22 сентября 1791 года в рабочей семье. Его отец и старший брат занимались кузнечным делом. Они жили очень скромно в одном из бедных кварталов британской столицы. Хроническая нищета не позволила мальчику получить полноценного образования и с 13 лет вместо занятий в школе он работает разносчиком газет, а затем устраивается в книжную лавку.
Тяжелая жизнь только усилила его тягу к знаниям, и юный Майкл с упоением читал любую книгу, которая попадалась ему под руки.
Особое удовлетворение он испытывал от знакомства с научной литературой, прежде всего по физике и химии, а также статьями об электричестве. Работа переплетчиком книг позволила познакомиться с различными опытами, которые пытливый юноша с завидной регулярностью пытался повторить у себя дома. В результате за 7 лет работы в лавке Фарадей научился больше, чем многие сверстники в стенах учебных заведений. Используя свой небольшой заработок, молодой человек приобретал химические препараты, с которыми проводил различные опыты. Семья разделяла увлечения Майкла и старший брат платил по 1 шиллингу за посещение им лекций в философском обществе.
На пути к мечте
Во время этих занятий будущий ученый проявил недюжинный интерес к науке, о чем узнал один из клиентов мастерской. Он помог попасть увлеченному юноше на лекции известнейшего в то время английского химика Гемфи Дэви, чьи высказывания Фарадей тщательно законспектировал.
Впоследствии он переплел эти записи и направил их Дэви вместе с письмом. Это был смелый и отчаянный шаг Майкла, который Дэви не оценил. Однако через несколько дней во время проведения очередного эксперимента Гемфи травмировал глаз и ему срочно понадобился помощник. Тут как раз к месту оказалась просьба Фарадея о принятии на работу. Тем более что в это время он уволился из мастерской, так как работа в ней стала отвлекать от научной деятельности.
Ученый пригласил молодого человека ассистентом в Королевский институт. Вскоре Фарадей вместе со своим наставником отправился в поездку по научным центрам Старого Света. Двухгодичное путешествие было очень полезным – начинающий ученый познакомился со многими светилами науки, среди которых были М. Шеврель, Ж.Л. Гей-Люссак и другие. Они отметили большой талант молодого англичанина.
После возвращения на родину Майкл некоторое время поработал вместе с Дэви, а затем занялся самостоятельными исследованиями. К тому времени он успел стать полноценным ученым, опубликовавшим около 40 работ в области химии.
В ходе проведенных экспериментов ему удалось провести сжижение хлора, а также получить бензол и аммиак. Фарадей открыл снотворный эффект паров эфира. В то же время он проводит эксперимент по выплавке стали с добавлением никеля, в результате чего были открыты свойства нержавеющей стали.
В 1820 году датский физик Г. Эрстед описал магнитное действие тока и это вызвало большой интерес Фарадея к изучению связи между электрическими и магнитными полями. Через год он создал прототип электродвигателя, наблюдая за вращением магнита вокруг проводника с током. Вскоре вышла его работа «История успехов электромагнетизма», в которой автор констатировал, что электрический ток способен превращаться в магнетизм.
Отношения с Дэви стали портиться и хотя оба за глаза говорили друг другу комплименты, а Гемфри вообще назвал своим лучшим достижением «открытие Фарадея», отчуждение нарастало. В 1824 году Майкла избрали членом Королевского общества, но против этого высказался именно Дэви.
Научные достижения
Изучая взаимосвязь различных видов энергии, Фарадей решил превратить магнетизм в электричество.
И эту задачу он выполнил с блеском. Майкл пытался использовать свойства электромагнита в обратном направлении, чтобы с помощью магнита произвести электрический ток. В августе 1831 года ученому удалось обнаружить явление электромагнитной индукции, что помогло ему создать первый на планете электрогенератор. Современные устройства бытового и промышленного назначения стали сложнее на несколько порядков, но они продолжают работать на основании принципов, заложенных гениальным английским физиком. Так функционируют локомотивы и вырабатывают энергию генераторы на электростанциях.
В поддержку открытого закона электромагнитной индукции ученый создал наглядное устройство для трансформации механической энергии в электрическую, названное диск Фарадея. В силу ряда особенностей оно не получило широкого применения, но сыграло важную роль в дальнейших научных изысканиях.
Диск Фарадея — первый электромагнитный генератор. При вращении диска вырабатывается постоянное напряжение
До Фарадея человечеству были известны два проявления электрической энергии – статическое электричество и гальванический ток.
Оба из-за своих особенностей не смогли найти широкое практическое применение, чего не скажешь об индукционном электричестве. Оно имеет значительное напряжение, действует постоянно и проявляется в больших количествах.
В отличие от Эдисона, Майкла совершенно не интересовали прикладные возможности его открытий – главное для него было как можно глубже изучить природу. Он принципиально не патентовал свои изобретения и отказывался от выгодных коммерческих предложений.
Переворот в электрохимии
В период 1833-1834 годов Майкл провел серию экспериментов, связанных с электрохимией, в рамках которых изучал прохождение электротока через растворы оснований и кислот. В результате были сформулированы законы электролиза (законы Фарадея), сыгравшие ключевую роль в развитии теории дискретных носителей электрического заряда. В последующие годы Майкл провел серию масштабных исследований электрических явлений в диэлектриках. Сегодня без электролиза невозможно представить работу химической и металлургической промышленности.
Согласно первому закону электролиза количество электрохимического действия определяется количеством электричества в цепи. Второй закон гласит, что количество электричества является обратно пропорциональной величиной относительно атомного веса вещества. Это означает, что для разложения одной молекулы необходимо одинаковое количество электрического тока. Ученый внес существенные коррективы в понятийный аппарат электрохимических явлений – вместо полюсов гальванической пары был утвержден новый термин электрод. Вещество, разлагаемое током, было названо электролитом, а сам процесс – электролизом.
Клетка Фарадея
В 1836 году Майкл опубликовал работу, в которой доказал, что заряд электричества способен оказывать воздействие лишь на саму поверхность полностью замкнутой оболочки-проводника, не причиняя вреда всем, кто находится внутри нее. Ему удалось создать устройство, способное экранировать аппаратуру от электромагнитных излучений, названное клеткой Фарадея. Оно было выполнено из металла, имеющего высокую электропроводность, а сама конструкция заземлялась.
Принцип действия устройства довольно прост – при внешнем воздействии электрического поля электроны металла начинают приводиться в движение, в результате чегозаряд противоположных сторон клетки полностью компенсирует влияние внешнего электрического поля.
Чтобы доказать наличие описанного эффекта сам Фарадей публично садился внутрь конструкции и после разрядов тока выходил оттуда живым и невредимым. Еще имя великого англичанина носит цилиндр, с помощью которого можно определить полноту электрического заряда и интенсивность пучка частиц.
В видео показан опыт с клеткой Фарадея (НИЯУ МИФИ).
Болезнь и новые открытия
Долгое умственное напряжение сказалось на самочувствии ученого, который в 1840 году даже вынужден был сделать паузу в научной работе. Его преследовали провалы в памяти, болезнь долго не отступала и перерыв продлился долгих 5 лет.
По другой версии ухудшение здоровья могло быть связано с отравлением парами ртути, которая часто использовалась во время экспериментов. В этот период Фарадей некоторое время жил в приморских районах Англии, а затем по совету друзей переехал в Швейцарию. Это способствовало улучшению здоровья и возвращению к активному труду.
В 1845 году он открыл явление, получившее название «эффект Фарадея». Оно относится к обширному классу магнитооптических явлений, которые возникают вследствие распространения линейно поляризованного света через среду, не обладающую естественной оптической активностью и находящуюся в магнитном поле. Это была первая попытка показать объективную связь между оптикой и электромагнетизмом. Ученый был глубоко убежден в наличии тесного единства многих физических и химических явлений, что стало фундаментальной основой его научного мировоззрения.
В 1862 году он выдвинул предположение, утверждавшее наличие влияния магнитного поля на спектральные линии. Но тогда доказать его на практике с помощью специального оборудования не получилось.
Гипотеза ученого была доказана только через 35 лет, за что Питер Зееман получил Нобелевскую премию. Британские власти, зная о покладистом характере ученого, часто привлекали его к решению различных технических вопросов. В частности, Фарадей занимался усовершенствованием маяков, пытался найти лучшие способы защиты морских судов от коррозии, а также исследовал и описывал микрочастицы разнообразных металлов. Проведенные опыты заложили основы современных нанотехнологий.
В почтенном возрасте память стала серьезно подводить Фарадея, здоровье также оставляло желать лучшего. В марте 1862 года в своем лабораторном журнале Майкл сделал последнюю запись описанного им опыта, получившего номер 16041. Оставшиеся пять лет жизни ученый провел в личном имении Хэмптон Корт, которое ему предоставила королева Виктория в пожизненное владение. Незадолго до смерти его посетил один из друзей и поинтересовался самочувствием. Фарадей в ответ остроумно ответил: «Я жду». Великий ученый умер 25 августа 1867 года в своем рабочем кресле и захоронен на Хайгейтском кладбище Лондона.
Характер ученого
Прожив большую часть жизни в бедности, Фарадей остался бессребреником. Он никогда не гнался за высокими гонорарами и званиями, отличаясь человеческой добротой и отзывчивостью. Ученый был всегда доброжелательным и выделялся своим природным обаянием. В работе Майкл был чрезвычайно методичен и, обнаружив признаки нового явления, пытался вникнуть в его суть максимально глубоко. Все проведенные эксперименты тщательно продумывались и детально описывались. Фарадей нередко проявлял внутреннюю гордость и самоуважение, не позволяя манипулировать собой, но эти качества никогда не перерастали в апломб, свойственный многим людям.
Интересные факты
- В 1827 году ученый получил профессорскую кафедру в Королевском институте, но по-прежнему ощущал сильную нехватку средств. Друзья помогли Фарадею добиться пожизненного содержания, но министр казначейства назвал расточительством трату денег на него. В ответ Майкл гордо отказался от правительственной пенсии, заставив впоследствии чиновника публично извиняться.
- Альберт Эйнштейн назвал учение об электромагнитном поле Фарадея самым важным достижением науки со времен И. Ньютона.
- Многие биографы ученого отмечали его феноменальную работоспособность и постоянную нацеленность на результат – он буквально жил в лаборатории, будучи готовым в любой момент начать очередной эксперимент.
- За свои заслуги Фарадей был избран почетным членом более 70 научных обществ и академий различных стран мира.
- Британское химическое общество назвало именем Фарадея одну из самых престижных научных наград.
- Широко известна скромность ученого – он отклонил предложение стать президентом Королевского общества и не стал принимать рыцарское достоинство.
- Фарадей ввел в научный оборот ряд широко известных терминов – катод, анод, электролит, ион и другие.
- Майкл Фарадей был одним из самых известных популяризаторов науки. Широко известны его рождественские лекции, которые он регулярно читал, начиная с 1826 года. Одна из наиболее известных под названием «История свечи» впоследствии была издана отдельной книгой, ставшей одной из первых научно-популярных изданий.
- Ученый всю жизнь был глубоко верующим христианином и не изменил вере даже после опубликования теории Дарвина. Он лично проповедовал в одной из лондонских церквей и на его службы собиралось немало почитателей.
- В честь Майкла Фарадея получила название внесистемная единица измерения электроразряда, применяемая в электрохимии.
Открытие электромагнетизма — электричество и альтернативная энергия
Связь между электричеством и магнетизмом долгое время подозревалась, если не была полностью понята. Уильям Гилберт, экспериментировавший с электричеством в начале семнадцатого века, руководствовался желанием улучшить морскую навигацию с помощью магнитных компасов. Многие из экспериментов Бенджамина Франклина были направлены на лучшее понимание связи между электричеством и магнетизмом. Однако самые значительные успехи в понимании этой взаимосвязи были достигнуты в 1800-х годах, начиная с датского ученого Ганса Христиана Эрстеда.
В 1820 году Эрстед обнаружил (совершенно случайно), что электрический провод приводит в движение стрелку компаса. Эрстед правильно предположил, что электричество создает магнитное поле, и это наблюдение было основано на других ученых, пытавшихся использовать электричество для создания магнитов. Однако ошеломляющий потенциал этого открытия был раскрыт только тогда, когда ученые повернули процесс вспять: вместо того, чтобы использовать электричество для создания магнитов, они попытались использовать магниты для производства электричества. Это открытие было сделано в начале 1830-х годов двумя учеными, работавшими независимо друг от друга по разные стороны Атлантического океана, — Майклом Фарадеем в Великобритании и Джозефом Генри в Соединенных Штатах. Эти двое открыли принцип электромагнитной индукции: электрический ток можно было генерировать, подвергая проводник (например, металлическую проволоку) воздействию постоянно меняющегося магнитного поля. Поскольку Фарадей первым опубликовал свои открытия, ему обычно приписывают создание
это открытие, хотя Генри, вероятно, сделал свое открытие примерно в то же время.
Открытие электромагнитной индукции открыло широкий спектр возможных применений электричества. Теперь стало возможным генерировать устойчивые токи электричества, а не только короткие всплески, а достижения в технологии аккумуляторов позволили гораздо более эффективно и долго хранить электричество. Первой областью, в которой произошли серьезные изменения, была связь с изобретением электрического телеграфа. Самые ранние коммерческие телеграфы использовали поток электрического тока для перемещения ряда игл на приемнике, которые указывали на буквы или закодированные символы, представляющие слова или простые инструкции. Система, хотя и впечатляющая, была громоздкой и требовала множества проводов и игл для передачи информации. Прорыв в электронной связи произошел в 1844 году, когда Сэмюэл Морзе изобрел алфавитный код, представленный серией коротких или длинных щелчков, вызванных подачей или прерыванием электрического тока в телеграфном аппарате. Система была гениальна в своей простоте: она была эффективна, очень проста в обучении операторов и требовала только одной телеграфной линии.
Позже, в девятнадцатом и в начале двадцатого веков, понимание учеными электромагнетизма еще более углубилось, что в конечном итоге привело к изобретению беспроводного телеграфа и радио. Таким образом, открытие электромагнетизма полностью изменило человеческое общение.
Великое открытие в области электромагнетизма
Автор: Роберт Хазен, доктор философии. , Университет Джорджа Мейсона Связь между магнетизмом и электричеством была обнаружена экспериментально, но Джеймс Максвелл количественно определил эту связь 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, какой 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. И 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.
