История открытия и практическое применение электромагнетизма (стр. 2 из 3)

В 1827г. Фарадей получил профессорскую кафедру в Королевском институте. О колоссальной работоспособности Фарадея можно судить по печатному труду «Экспериментальные исследования по электричеству», выходившему отдельными сериями с 1831 по 1865г. Издание состояло из 30 серий. Здесь выразилось умение Фарадея работать систематически. Собственноручные заметки Фарадея к его работам аккуратно пронумерованы. Последний параграф к «Экспериментальным исследованиям» имеет №… 16041! Земля притягивает находящиеся над ней тела, причём это притяжение можно наблюдать и в безвоздушном пространстве. Что же является посредником между Землёй и телом в этом случае?

Любой физик знает, что таким материальным посредником является «поле», «поле тяготения». Материальным посредником между магнитом и куском железа, удалённым от него на некоторое расстояние, является магнитное поле, между электрическими зарядами – электрическое поле.

Вводя понятие поля и отвергая теорию дальнодействия, Фарадей был убежден в материальности силовых линий, идущих от магнита или заряженного проводника.

Для него силовые линии были не просто графическим изображением действия сил, а реально существующими и заполняющими все пространство вокруг магнита или заряженного проводника.

1.3 УРАВНЕНИЯ ДЖЕЙМСА КЛЕРКА МАКСВЕЛЛА.

Впоследствии Максвелл идеи Фарадея облек в математическую форму. Он высоко оценил идеи Фарадея за скрытый в них глубокий математический смысл, за точность и логичность его определений.

Максвелл так говорил: « Когда я стал углубляться в изучение работ Фарадея, я заметил, что метод его понимания тоже математичен, хотя и представлен в условной форме математических символов. Я также нашел, что метод может быть выражен в обычной математической форме и таким образом может быть сопоставлен с методами признанных математиков».

Максвелл составил четыре уравнения, два из которых имеют непосредственное отношение к физике средней школы. Для электромагнитного поля (в отсутствие проводников) они могут быть представлены так:

ФЕ dl = dФ / dt Уравнение электродвижущей силы

ФH dl = dN / dt Уравнение магнитодвижущей силы

Е – напряженность электрического поля на участке dl; Н – напряженность магнитного поля на участке dl; N – поток электрической индукции, Ф – поток магнитной индукции, t – время.

Бросается в глаза симметричный характер уравнений, устанавливающих: первое – связь электрических и магнитных явлений, второе – аналогичную связь магнитных явлений с электрическими. Популярно электрическую сущность этих уравнений можно выразить следующими двумя положениями: 1) изменение электрического поля всегда сопровождается магнитным полем;

2) изменяющееся магнитное поле всегда сопровождается электрическим полем.

В своих математических формулах Максвелл показал, что наличие вещественных носителей (металлических колец в модели Брэгга, металлических проводов) на практике не является существенным для распространения электромагнитного поля. Замкнутые на себя магнитные и электрические поля распространяются от источника (излучаются) по направлению радиусов во всех направлениях.

Восхищенный внутренней и внешней красотой математической формы уравнений Джеймса Максвелла, немецкий физик Людвиг Больцман выразил свой восторг стихами, начинавшимися фразой:

«War es ein Gott der diese Zeichen schrieb?»

(«Не бог ли эти знаки начертал?..»)

ГЛАВА 2

МАТЕРИАЛЬНОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ.

Электромагнитное поле материально. Физика знает две формы материи – вещество (твердое, жидкое, газообразное) и поле (электромагнитное, гравитационное, внутриядерное). Скорость распространения электромагнитного поля, как теоретически установил Джеймс Максвелл, равна скорости распространения света. Отсюда у Максвелла возникла идея, что и свет представляет собой электромагнитное поле. Электромагнитная теория света сменила предшествующую ей теорию Гюйгенса, которая рассматривала свет как колебания эфира.

« Электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии», - писал Максвелл.

Материальность электромагнитного поля подтверждается тем, что в нем наблюдается действие сил, что оно является носителем и передатчиком энергии.

Эта материя всегда налицо, так как если откачать насосом обычную, вещественную материю, которую Максвелл называл «грубой» (или «сгущенной») материей, то останется «тончайшая» материя, способная передавать электрические и световые действия.

Вершиной научного творчества Джеймса Максвелла стал его «Трактат об электричестве и магнетизме», увидевший свет в 1873 году. Восемь лет труда отдал Максвелл «Трактату».

Наука ХХ века окончательно отбросила противоречивое понятие светового эфира, хотя в разговорной речи до сих пор сохранились выражения типа: «волны эфира», «передача в эфире», когда речь идет о радиовещании и когда в сущности мы имеем дело с колебательными явлениями в электромагнитном поле.

Максвеллу не удалось дожить до того времени, когда его идеи получили практическое подтверждение, он умер в расцвете творческих сил в 1879 году в возрасте 48 лет.

Теория электромагнитного поля стала самым большим научным достижением Джеймса Максвелла.

ГЛАВА 3

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА.

3.1 Синхрофазотроны

В настоящее время под магнитным полем понимают особую форму материи состоящую из заряженных частиц. В современной физике пучки заряженных частиц используют для проникновения в глубь атомов с целью их изучения. Сила, с которой действует магнитное поле на движущуюся заряженную частицу, называется силой Лоренца.

Fл=qBvsin@

Где B – индукция магнитного поля, то есть его силовая характеристика.

@ - это угол между направлением скорости и направлением индукции.

Но энергия частиц, испускаемых при естественном распаде радиоактивных веществ, относительно невелика. Поэтому возникла необходимость создания искусственных источников заряженных частиц высоких энергий – ускорителей.

3.2 Радиовещание

После того как было открыто электричество, его использовали в качестве «почтальона», предающего информацию с молниеносной быстротой.

Но ведь телефонные и телеграфные провода не протянешь за кораблём или за самолётом, за поездом или автомобилем. Перекинуть мост через пространство людям помогло радио.

В переводе с латинского «радио» означает «излучать».

Первый кирпич в фундамент радиотехники, как мы уже знаем, заложил датский профессор Ганс Христиан Эрстед, который показал, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Его соотечественник и последователь Джеймс Максвелл пришёл к выводу, что переменное магнитное поле, возбуждаемое изменяющимся током, создаёт в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле, и т.д. Взаимно порождая друг друга, эти поля образуют единое переменное электромагнитное поле – электромагнитную волну. Возникнув в том месте, где есть провод с током, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света – 300000 км/с.

Максвелл утверждал, что волны света имеют ту же природу. Они отличаются только длиной. Видимый свет - это короткие волны, а электромагнитные волны – это волны большей длины.

В 1888 г. их впервые смог получить и исследовать немецкий физик Генрих Рудольф Герц. Однако путей практического применения своего открытия он не нашел. Эти пути увидел Александр Степанович Попов.

Опираясь на результаты опытов Герца, он создал прибор для обнаружения и регистрирования электрических «колебаний» - радиоприёмник.

7 мая 1895г. А.С. Попов сделал доклад на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге и продемонстрировал в действии свои приборы связи. Это был день рождения радио.

Первый радиоприёмник Попова имел очень простое устройство: батарея, электрический звонок, электромагнитное реле и стеклянная трубка с металлическими опилками внутри – когерер (от латинского слова «когеренция» - «сцепление». (Рис.2)

Передатчиком служил искровой разрядник, возбуждавший электромагнитные колебания в антенне, которую Попов впервые в мире использовал для беспроводной связи. Под действием радиоволн, принятых антенной, металлические опилки в когерере сцеплялись, и он начинал пропускать электрический ток от батареи. Срабатывало реле, включался звонок, а когерер получал «лёгкую встряску», сцепление между металлическими опилками ослабевало, и они были готовы принять следующий сигнал.

Продолжая опыты и совершенствуя приборы, А.С.Попов медленно, но уверенно увеличивал дальность действия радиосвязи.

Через 5лет после создания первого приёмника начала действовать регулярная линия беспроволочной связи на расстояние 40км.

Благодаря радиограмме, переданной по этой линии зимой 1900 года, ледокол «Ермак» снял со льдины рыбаков, которых шторм унёс в море.

Радио, начавшее свою практическую историю спасением людей, стало новым прогрессивным видом связи 20 века.

3.3 Магнитотерапия.

В спектре частот разные места занимают радиоволны, свет, рентгеновское излучение и другие электромагнитные излучения. Их обычно характеризуют непрерывно связанными между собой электрическими и магнитными полями. Однако при определенных условиях электрическая и магнитная составляющие становятся практически независимыми, и их можно рассматривать отдельно.

«Магнитотерапия» (лечение магнитным полем) и «магнитобиология» (биологическое воздействие магнитным полем)- термины, относящиеся к низкочастотному диапозону. Для лечения с помощью электромедицинских аппаратов используют постоянное магнитное поле (франклинизация), магнитное поле 10-40 мГц (индуктотерапия), электрическое поле 25-50 мГц (УВЧ-терапия).