В 1799 году алессандро вольта егэ ответы

В 1799 году алессандро вольта егэ ответы

Содержание

Сравнение метрических и русских мер

А. Сравнение метрических и русских мер.

километра

километр

0,7112 метра

44,45 миллиметра

сотая саж.

миллиметра

46,87 соток

30,48 сантиметров

2,54 сантиметра

кв. верста

кв километра

кв. километр

кв. версты

кв. метров

кв. аршин

кв. метра

19,7580 кв. сантиметров

929,013 кв. сантиметров

кв. сантиметров

0,155 кв. дюйм

десятина

гектаров

десятины

2197 кв. саж.

Большое число и раздробленность применяемых мер стесняли торговые, экономические и культурные связи между странами и вызывало путаницу и злоупотребления внутри отдельных государств. Развитие промышленного производства, расширение экономических связей, развитие торговли и обмена привело к идее создания единой системы мер, общей для всех стран мира.

Основными в поисках новой системы являлись следующие положения:

· естественное происхождение мер (новые единицы мер должны быть взяты из природы);

· определенность мер;

· независимость мер от времени и случайностей;

· неизменность и постоянство мер;

· восстанавливаемость в случае утраты;

· общность системы мер;

· удобство взаимосвязи единиц мер в данной системе;

· десятичный принцип отношений мер друг к другу.

Система мер, отвечающая всем вышеперечисленным требованиям, была предложена Парижской Академией Наук, которая рекомендовала принять в качестве основной единицы – метр, равный одной сорокамиллионной части дуги земного меридиана, проходящего через Париж. Учредительное собрание Франции 26 марта 1791 года утвердило предложение Парижской Академии Наук, а в 1799 работа по экспериментальному определению длины и массы завершилась передачей их платиновых прототипов на хранение Архиву Франции.

В соответствии с данной системой за единицу длины был принят метр, единицу площади метр квадратный, единицу объема – метр кубический (стер), единицу массы – килограмм, равный массе чистой воды одного кубического дециметра при температуре 4 0 С. Мерой поверхности был утвержден ар (от слова «арос» – пахать), равный квадрату со стороной 10 м, а в качестве меры объема для жидких и сыпучих тел – литр, равный объему жидкости одного кубического дециметра. Все остальные единицы устанавливались при помощи коэффициента 10, а их наименование образовывалось за счет добавления дольных приставок (древнегреческих и латинских числительных) к основным единицам.

Метрическая система мер изначально задумывалась как международная. Ее единицы не совпадали ни с какими национальными, а наименование единиц и дольных приставок были образованы от «мертвых» языков. Закон, принятый Наполеоном 10 декабря 1799 года в статье 4 утверждал: « Будет изготовлена медаль, чтобы передать памяти потомства время, когда система мер была доведена до совершенства, и операцию, которая послужила ей основой. Надпись на лицевой стороне медали будет: «На все времена, для всех народов» . Сама медаль так и не была выпущена, появились другие, более совершенные системы мер, а девиз медали история сохранила.

Несмотря на свое очевидное преимущество, метрическая система мер внедрялась с большим трудом. Даже в самой Франции, где феодалы имели право пользоваться своими собственными мерами, метрическая система была окончательно введена лишь в 1840 году.

20 мая 1875 года по предложению Петербургской Академии Наук была созвана дипломатическая конференция, на которой 17 государств, в том числе Россия подписали Метрическую конвенцию, к которой позднее присоединилась еще 41 страна мира. В этом же году были созданы Международная организация мер и весов (МОМВ) и Международное бюро мер и весов (МБМВ), расположенные во французском городе Севр. В 1889 году России были переданы на хранение эталоны единицы массы под номерами 12 и 26 и эталоны единицы длины под номерами 11 и 28.

Метрическая система, как единственная, окончательно была введена в России в 1927 году. В стране, где грамотность была очень низкой, а разнообразие мер и их наименований, в силу обширности территории, огромно, внедрение данной системы предполагало повсеместную пропаганду и обучение. Так в «Руководстве к изучению метрической системы мер и весов» службы просвещения Омской железной дороги от 1924 года говорится: «Всякий грамотный человек должен, прежде всего, уметь читать, писать и считать. Согласно указанию Учебного отдела НКПС для малоподготовленных агентов в программу курсов должна входить…. история происхождения метрической системы и практические занятия, с целью дать слушателям навык по пользованию метрической системой. В настоящее время имеются…. единицы, которые без всякой системы связаны друг с другом, а у некоторых, например аршин и фут, никакой связи нет. И так, мы имеем 27 употребляемых единиц измерения различного наименования (утвержденных на данный период в Омской области – мои пояснения) и все оне очень неудобно связаны друг с другом, или часто вовсе не имеют никакой связи между собой. Кроме того, не так то легко держать их все в памяти, и затем всякие арифметические действия над именованными числами, выраженными в этих единицах, весьма затруднительны и требуют большого внимания и значительной затраты времени. Когда же появилась эта новая система, все культурные государства перешли на нее, за исключением Англии, по причине крайней консервативности ее населения и Северо-Американских Соединенных Штатов».

Прошло почти столетие, а Великобритания и США наряду с метрической системой, употребляемой в основном в науке, до сих пор пользуются своими национальными системами мер, что создает путаницу и неудобство, в первую очередь, в самих странах. Так, например, мера зерна – бушель – в настоящее время имеет 56 разных значений. С 1 января 2000 года правительство Англии обязало граждан страны пользоваться метрической системой, угрожая «отказникам» денежными штрафами. Однако, «не смотря на законодательное предписание, около одной трети из шестидесяти тысяч магазинов в Великобритании не перестроились на метрическую систему. Приспособление к континентальной системе идет уже с 1969 года, когда для начала на десятичную систему были переведены фунты, шилинги и пессы» .

В настоящее время метрология как наука, пройдя свой описательный период, динамично развивается. Расширение международных отношений в области науки, торговли и производства привело к усилению роли Межгосударственных организаций по метрологии. Международная Организация Законодательной Метрологии (МОЗМ) была создана в 1955 году и объединяет 83 государства. До сих пор не прекращает своей работы старейшая и наиболее представительная международная метрологическая организация – МОМВ. В 1988 году подписана конвенция об образовании ЕВРОМЕТ – общеевропейской метрологической организации.

(15. II.1564 - 8. I.1642) - выдающийся итальянский физик и астроном, один из основателей точного естествознания, член Академии деи Линчей (1611). Р. в Пизе. В 1581 поступил в Пизанский ун-т, где изучал медицину. Но, увлекшись геометрией и механикой, в частности сочинениями Архимеда и Евклида, оставил ун-т с его схоластическими лекциями и вернулся во Флоренцию, где четыре года самостоятельно изучал математику.

С 1589 - профессор Пизанского ун-та, в 1592 -1610 - Падуанского, в дальнейшем - придворный философ герцога Козимо II Медичи.

Оказал значительное влияние на развитие научной мысли. Именно от него берет начало физика как наука. Галилею человечество обязано двумя принципами механики, сыгравшими большую роль в развитии не только механики, но и всей физики. Это известный галилеевский принцип относительности для прямолинейного и равномерного движения и принцип постоянства ускорения силы тяжести. Исходя из галилеевского принципа относительности, И. Ньютон пришел к понятию инерциальной системы отсчета, а второй принцип, связанный со свободным падением тел, привел его к понятию инертной и тяжелой массы. А. Эйнштейн распространил механический принцип относительности Галилея на все физические процессы, в частности на свет, и вывел из него следствия о природе пространства и времени (при этом преобразования Галилея заменяются преобразованиями Лоренца). Объединение же второго галилеевского принципа, который Эйнштейн толковал как принцип эквивалентности сил инерции силам тяготения, с принципом относительности привело его к общей теории относительности.

Галилей установил закон инерции (1609), законы свободного падения, движения тела по наклонной плоскости (1604 - 09) и тела, брошенного под углом к горизонту, открыл закон сложения движений и закон постоянства периода колебаний маятника (явление изохронизма колебаний, 1583). От Галилея ведет свое начало динамика.

В июле 1609 Галилей построил свою первую подзорную трубу - оптическую систему, состоящую из выпуклой и вогнутой линз,- и начал систематические астрономические наблюдения. Это было второе рождение подзорной трубы, которая после почти 20-летней неизвестности стала мощным инструментом научного познания. Поэтому Галилея можно считать изобретателем первого телескопа. Он достаточно быстро усовершенствовал свою подзорную трубу и, как писал со временем, «построил себе прибор в такой степени чудесный, что с его помощью предметы казались почти в тысячу раз больше и более чем в тридцать раз ближе, чем при наблюдении простым глазом». В трактате «Звездный вестник», вышедшем в Венеции 12 марта 1610, он описал открытия, сделанные с помощью телескопа: обнаружение гор на Луне, четырех спутников у Юпитера, доказательство, что Млечный Путь состоит из множества звезд.

Создание телескопа и астрономические открытия принесли Галилею широкую популярность. Вскоре он открывает фазы у Венеры, пятна на Солнце и т. п. Галилей налаживает у себя производство телескопов. Изменяя расстояние между линзами, в 1610 -14 создает также микроскоп. Благодаря Галилею линзы и оптические приборы стали мощным орудием научных исследований. Как отмечал С. И. Вавилов, «именно от Галилея оптика получила наибольший стимул для дальнейшего теоретического и технического развития». Оптические исследования Галилея посвящены также учению о цвете, вопросам природы света, физической оптике. Галилею принадлежит идея конечности скорости распространения света и постановки (1607) эксперимента по ее определению.

Астрономические открытия Галилея сыграли огромную роль в развитии научного мировоззрения, они со всей очевидностью убеждали в правильности учения Коперника, ошибочности системы Аристотеля и Птолемея, способствовали победе и утверждению гелиоцентрической системы мира. В 1632 вышел известный «Диалог о двух главнейших системах мира», в котором Галилей отстаивал гелиоцентрическую систему Коперника. Выход книги разъярил церковников, инквизиция обвинила Галилея в ереси и, устроив процесс, заставила публично отказаться от коперниковского учения, а на «Диалог» наложила запрет. После процесса в 1633 Галилей был объявлен «узником святой инквизиции» и вынужден был жить сначала в Риме, а затем в Арчертри близ Флоренции. Однако научную деятельность Галилей не прекратил, до своей болезни (в 1637 Галилей окончательно потерял зрение) он завершил труд «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки», который подводил итог его физических исследований.

Изобрел термоскоп, являющийся прообразом термометра , сконструировал (1586) гидростатические весы для определения удельного веса твердых тел, определил удельный вес воздуха. Выдвинул идею применения маятника в часах. Физические исследования посвящены также гидростатике, прочности материалов и т. п.

(19. VI.1623 - 19. VIII.1662) - французский математик, физик и философ. Р. в Клермон-Ферране. Получил домашнее образование. В 1631 вместе с семьей переезжает в Париж. У Э. Паскаля и у нек-рых его приятелей - М. Мерсенна, Ж. Роберваля и др. - каждую неделю собирались математики и физики. Эти собрания со временем превратились в науч. заседания. На базе этого кружка была создана Париж. АН (1666). С 16 лет П. принимал участие в работе кружка. В это время он написал свою первую работу о конических сечениях, в к-рой высказал одну из важных теорем проективной геометрии: точки пересечения противоположных сторон шестиугольника, вписанного в коническое сечение, лежат на одной прямой (теорема Паскаля).

Физические исследования относятся главным образом к гидростатике, где сформулировал в 1653 основной ее закон, согласно которому давление на жидкость передается ею равномерно без изменения во все стороны - закон Паскаля (это свойство жидкости было известно и его предшественникам), установил принцип действия гидравлического пресса. Переоткрыл гидростатический парадокс, который благодаря ему стал широко известен. Подтвердил существованиеатмосферного давления , повторив в 1646 опыт Торричелли с водой и вином. Высказал мысль, что атмосферное давление уменьшается с высотой (по его идее в 1647 осуществлен эксперимент, который свидетельствовал о том, что на вершине горы уровень ртути в трубке ниже, чем у основания), продемонстрировал упругость воздуха, доказал, что воздух имеет вес, открыл, что показания барометра зависят от влажности и температуры воздуха, и поэтому его можно использовать для предсказания погоды.

В математике посвятил ряд работ арифметическим рядам и биномиальным коэф. В «Трактате об арифметическом треугольнике» дал т. н. треугольник Паскаля - таблицу, в к-рой коэф. разложения (а+Ь)nдля разных n расположены в виде треугольника. Биномиальные коэф. образовывал по разработанному им способу полной матем. индукции - в этом заключалось одно из важнейших его открытий. Новым было и то, что биномиальные коэф. выступали здесь как числа комбинаций из п элементов по m и потом использовались в задачах теории вероятностей. До того времени никто из математиков вероятность событий не вычислял. Паскаль и П. Ферманашли ключ к решению таких задач. В их переписке теория вероятностей и комбинаторика научно обоснованы, и поэтому Паскаль и Ферма считаются основателями новой области математики - теории вероятностей. Большой вклад внес и в разработку исчисления бесконечно малых. Изучая циклоиду, предложил общие методы определения квадратур и центров тяжести разл. кривых, открыл и применил такие методы, к-рые дают основание считать его одним из творцов исчисления бесконечно малых. В «Трактате о синусах четверти круга», вычисляя интегралы тригонометрических функций, в частности тангенса, ввел эллиптические интегралы, к-рые позже сыграли важную роль в анализе и его применениях. Кроме того, доказал ряд теорем, касающихся замены переменных и интегрирования по частям. У Паскаля встречаются, хотя и в неразвитом виде, идеи о равносильности дифференциала как главной линейной части приращения самому приращению и о свойствах эквивалентных бесконечно малых величин.

Еще в 1642 сконструировал счетную машину для двух арифметических действий. Принципы, положенные в основу этой машины, стали позднее исходными в конструировании счетных машин.

Его именем названа единица давления - паскаль.

Алессандро Вольта родился 18 февраля 1745 г. в небольшом итальянском городе Комо, расположенном вблизи озера Комо, недалеко от Милана. В нем рано проснулся интерес к изучению электрических явлений. В 1769 г. он публикует работу о лейденской банке, через два года - об электрической машине. В 1774 г. Вольта становится преподавателем физики в школе в Комо, изобретает электрофор, затем эвдиометр и другие приборы. В 1777 г. он становится профессором физики в Павии. В 1783 г. изобретает электроскоп с конденсатором, а с 1792 г. усиленно занимается «животным электричеством». Эти занятия привели его к изобретению первого гальванического элемента.

В 1800 г. он построил первый генератор электрического тока - вольтов столб . Это изобретение доставило ему всемирную славу. Он был избран членом Парижской и других академий, Наполеон сделал его графом и сенатором Итальянского королевства. Но в науке Вольта после своего великого открытия уже не сделал ничего значительного. В 1819 г. он оставил профессуру и жил в своем родном городе Комо, где и умер 5 марта 1827 г. (в один день с Лапласом и в один год с Френелем).

Вольтов столб

Начав в 1792 г. работу над «животным электричеством», Вольта повторил и развил опыты Гальвани, полностью приняв его точку зрения. Но уже в одном из первых писем, посланном из Милана 3 апреля 1792 г., он указывает, что мышцы лягушки очень чувствительны к электричеству, они «поразительно реагируют на электричество», совершенно неуловимое даже для электроскопа Беннета, наиболее чувствительного из всех (сделанного из двух полосок тончайшего листового золота или серебра). Здесь начало последующего утверждения Вольты, что «препарированная лягушка представляет, если можно так выразиться, животный электрометр, несравненно более чувствительный, чем всякий другой самый чувствительный электрометр».

Вольта в результате длинного ряда опытов пришел к выводу, что причиной сокращения мышц служит не «животное электричество», а контакт разнородных металлов. «Первоначальной причиной этого электрического тока,- пишет Вольта, - каков бы он ни был, являются сами металлы вследствие того, что они различны. Именно они в собственном смысле слова являются возбудителями и двигателями, тогда как животный орган, сами нервы являются лишь пассивными». Электризация при контакте раздражает нервы животного, приводит мышцы в движение, вызывает ощущение кислого вкуса на кончике языка, помещенного между станиолевой бумагой и серебряной ложкой, при контакте серебра и олова. Таким образом, Вольта считает причины «гальванизма» физическими, а физиологические действия - одними из проявлений этого физического процесса. Если кратко формулировать на современном языке мысль Вольты, то она сводится к следующему: Гальвани открыл физиологическое действие электрического тока.

Естественно, что между Гальвани и Вольта разгорелась полемика. Гальвани для доказательства своей правоты пытался начисто исключить физические причины. Вольта же, наоборот, полностью исключил физиологические объекты, заменив лапку лягушки своим электрометром. 10 февраля 1794 г. он пишет:

«Что вы думаете о так называемом животном электричестве? Что касается меня, то я давно убежден, что все действие возникает первоначально вследствие прикосновения металлов к какому-либо влажному телу или к самой воде. В силу такого соприкосновения электрический флюид гонится в это влажное тело или в воду от самих металлов, от одного больше, от другого меньше (больше всего от цинка, меньше всего от серебра). При установлении непрерывного сообщения между соответствующими проводниками этот флюид совершает постоянный круговорот».

Приборы Вольта

Таково первое описание замкнутой цепи электрического тока. Если цепь разорвать и в место разрыва вставить в качестве соединительного звена жизнеспособный нерв лягушки, то «управляемые такими нервами мышцы начинают сокращаться, как только замыкается цепь проводников и появляется электрический ток». Как видим, Вольта уже пользуется таким термином, как «замкнутая цепь электрического тока». Он показывает, что присутствие тока в замкнутой цепи можно обнаружить и вкусовыми ощущениями, если ввести в цепь кончик языка. «И эти ощущения и движения тем сильнее, чем дальше отстоят друг от друга примененные два металла в том ряду, в каком они поставлены здесь: цинк, оловянная фольга, обыкновенное олово в пластинках, свинец, железо, латунь и различного качества бронза, медь, платина, золото, серебро, ртуть, графит». Таков этот знаменитый «ряд Вольты» в его первом наброске.

Вольта разделил проводники на два класса. К первому он отнес металлы, ко второму-жидкие проводники. Если составить замкнутую цепь из разнородных металлов, то тока не будет - это следствие закона Вольты для контактных напряжений. Если же «проводник второго класса находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов, то вследствие этого возникает электрический ток того или иного направления».

Вполне естественно, что именно Вольте принадлежит честь создания первого генератора электрического тока, так называемого вольтова столба (сам Вольта называл его «электрический орган»), оказавшего огромное влияние не только на развитие науки об электричестве, но и на всю историю человеческой цивилизации. Вольтов столб возвестил о наступлении новой эпохи - эпохи электричества.

Электрофор Вольта

Триумф вольтова столба обеспечил безоговорочную победу Вольты над Гальвани. История поступила мудро, определив победителя в этом споре, в котором обе стороны были правы, каждый с своей точки зрения. «Животное электричество» действительно существует, и электрофизиология, отцом которой был Гальвани, сейчас занимает важное место в науке и практике. Но во времена Гальвани электрофизиологические явления еще не созрели для научного анализа, и то, что Вольта повернул открытие Гальвани на новый путь, было очень важно для молодой науки об электричестве. Исключив жизнь-это сложнейшее явление природы-из науки об электричестве, придав физиологическим действиям лишь пассивную роль реагента, Вольта обеспечил быстрое и плодотворное развитие этой науки. В этом состоит его бессмертная заслуга в истории науки и человечества.

ГЕНРИХ РУДОЛЬФ ГЕРЦ (1857-1894) родился 22 февраля в Гамбурге, в семье адвоката, ставшего позднее сенатором. Учился Герц прекрасно и был непревзойденным по сообразительности учеником. Он любил все предметы, любил писать стихи и работать на токарном станке. К сожалению, всю жизнь Герцу мешало слабое здоровье.

В 1875 г. после окончания гимназии Герц поступает в Дрезденское, а затем в Мюнхенское высшее техническое училище. Дело шло хорошо до тех пор, пока изучались предметы общего характера. Но как только началась специализация, Герц изменил свое решение. Он не желает быть узким специалистом, он рвется к научной работе и поступает в Берлинский университет. Герцу повезло: его непосредственным наставником оказался Гельмгольц. Хотя знаменитый физик был приверженцем теории дальнодействия, но как истинный ученый он безоговорочно признавал, что идеи Фарадея - Максвелла о близкодействии и физическом поле дают прекрасное согласие с экспериментом.

Попав в Берлинский университет, Герц с большим желанием стремился к занятиям в физических лабораториях. Но к работе в лабораториях допускались лишь те студенты, которые занимались решением конкурсных задач. Гельмгольц предложил Герцу задачу из области электродинамики: обладает ли электрический ток кинетической энергией Гельмгольц хотел направить силы Герца в область электродинамики, считая ее наиболее запутанной.

Герц принимается за решение поставленной задачи, рассчитанное на 9 месяцев. Он сам изготовляет приборы и отлаживает их. При работе над первой проблемой сразу же выявились заложенные в Герце черты исследователя: упорство, редкое трудолюбие и искусство экспериментатора. Задача была решена за 3 месяца. Результат, как и ожидалось, был отрицательным. (Сейчас нам ясно, что электрический ток, представляющий собой направленное движение электрических зарядов (электронов, ионов), обладает кинетической энергией. Для того чтобы Герц мог обнаружить это, надо было повысить точность его эксперимента в тысячи раз.) Полученный результат совпадал с точкой зрения Гельмгольца, хотя и ошибочной, но в способностях молодого Герца он не ошибся. «Я увидел, что имел дело с учеником совершенно необычного дарования», - отмечал он позднее. Работа Герца была удостоена премии.

Вернувшись после летних каникул 1879 г., Герц добился разрешения работать над другой темой:

С 1883 по 1885 г. Герц заведовал кафедрой теоретической физики в провинциальном городке Киле, где совсем не было физической лаборатории. Герц решил заниматься здесь теоретическими вопросами. Он корректирует систему уравнения электродинамики одного из ярких представителей дальнодействия Неймана. В результате этой работы Герц написал свою систему уравнений, из которой легко получались уравнения Максвелла. Герц разочарован, ведь он пытался доказать универсальность электродинамических теорий представителей дальнодействия, а не теории Максвелла. «Данный вывод нельзя считать точным доказательством максвелловской системы как единственно возможной», - делает он для себя, по существу, успокаивающий вывод.

В 1885 г. Герц принимает приглашение технической школы в Карлсруэ, где будут проведены его знаменитые опыты по распространению электрической силы. Еще в 1879 г. Берлинская академия наук поставила задачу: «Показать экспериментально наличие какой-нибудь связи между электродинамическими силами и диэлектрической поляризацией диэлектриков». Предварительные подсчеты Герца показали, что ожидаемый эффект будет очень мал даже при самых благоприятных условиях. Поэтому, видимо, он и отказался от этой работы осенью 1879 г. Однако он не переставал думать о возможных путях ее решения и пришел к выводу, что для этого нужны высокочастотные электрические колебания.

Герц тщательно изучил все, что было известно к этому времени об электрических колебаниях и в теоретическом, и в экспериментальном планах. Найдя в физическом кабинете технической школы пару индукционных катушек и проводя с ними лекционные демонстрации, Герц обнаружил, что с их помощью можно было получить быстрые электрические колебания с периодом 10 -8 С. В результате экспериментов Герц создал не только высокочастотный генератор (источник высокочастотных колебаний), но и резонатор - приемник этих колебаний.

Генератор Герца состоял из индукционной катушки и присоединенных к ней проводов, образующих разрядный промежуток, резонатор - из провода прямоугольной формы и двух шариков на его концах, образующих также разрядный промежуток. В результате проведенных опытов Герц обнаружил, что если в генераторе будут происходить высокочастотные колебания (в его разрядном промежутке проскакивает искра), то в разрядном промежутке резонатора, удаленном от генератора даже на 3 м, тоже будут проскакивать маленькие искры. Таким образом, искра во второй цепи возникала без всякого непосредственного контакта с первой цепью. Каков же механизм ее передачи Или это электрическая индукция, согласно теории Гельмгольца, или электромагнитная волна, согласно теории Максвелла В 1887 г. Герц пока ничего еще не говорит об электромагнитных волнах, хотя он уже заметил, что влияние генератора на приемник особенно сильно в случае резонанса (частота колебаний генератора совпадает с собственной частотой резонатора).

Проведя многочисленные опыты при различных взаимных положениях генератора и приемника, Герц приходит к выводу о существовании электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью. Будут ли они вести себя, как свет И Герц проводит тщательную проверку этого предположения. После изучения законов отражения и преломления, после установления поляризации и измерения скорости электромагнитных волн он доказал их полную аналогию со световыми. Все это было изложено в работе «О лучах электрической силы», вышедшей в декабре 1888 г. Этот год считается годом открытия электромагнитных волн и экспериментального подтверждения теории Максвелла. В 1889 г., выступая на съезде немецких естествоиспытателей, Герц говорил: «Все эти опыты очень просты в принципе, тем не менее они влекут за собой важнейшие следствия. Они рушат всякую теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно. Они означают блестящую победу теории Максвелла. Насколько маловероятным казалось ранее ее воззрение на сущность света, настолько трудно теперь не разделить это воззрение».

Напряженная работа Герца не прошла безнаказанно для его и без того слабого здоровья. Сначала отказали глаза, затем заболели уши, зубы и нос. Вскоре началось общее заражение крови, от которого и скончался знаменитый уже в свои 37 лет ученый Генрих Герц.

Герц завершил огромный труд, начатый Фарадеем. Если Максвелл преобразовал представления Фарадея в математические образы, то Герц превратил эти образы в видимые и слышимые электромагнитные волны, ставшие ему вечным памятником. Мы помним Г. Герца, когда слушаем радио, смотрим телевизор, когда радуемся сообщению ТАСС о новых запусках космических кораблей, с которыми поддерживается устойчивая связь с помощью радиоволн. И не случайно первыми словами, переданными русским физиком А. С. Поповым по первой беспроволочной связи, были: «Генрих Герц».

«Очень быстрые электрические колебания»

Генрих Рудольф Герц (Heinrich Rudolf Hertz), 1857-1894

В период с 1886 по 1888 года Герц в углу своего физического кабинета в Политехнической школе Карлсруэ (Берлин) исследовал излучение и прием электромагнитных волн. Для этих целей он придумал и сконструировал свой знаменитый излучатель электромагнитных волн, названный впоследствии «вибратором Герца». Вибратор представлял собой два медных прутка с насаженными на концах латунными шариками и по одной большой цинковой сфере или квадратной пластине, играющей роль конденсатора. Между шариками оставался зазор - искровой промежуток. К медным стержням были прикреплены концы вторичной обмотки катушки Румкорфа - преобразователя постоянного тока низкого напряжения в переменный ток высокого напряжения. При импульсах переменного тока между шариками проскакивали искры и в окружающее пространство излучались электромагнитные волны. Перемещением сфер или пластин вдоль стержней регулировались индуктивность и емкость цепи, определяющие длину волны. Чтобы улавливать излучаемые волны, Герц придумал простейший резонатор - проволочное незамкнутое кольцо или прямоугольную незамкнутую рамку с такими же, как у «передатчика» латунными шариками на концах и регулируемым искровым промежутком.

Вибратор Герца

Введено понятие вибратора Герца, приведена рабочая схема вибратора Герца, рассмотрен переход от замкнутого контура к электрическому диполю

Посредством вибратора, резонатора и отражательных металлических экранов Герц доказал существование предсказанных Максвеллом электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве. Он доказал их тождественность световым волнам (сходство явлений отражения, преломления, интерференции и поляризации) и сумел измерить их длину.

Благодаря своим опытам Герц пришел к следующим выводам: 1 - волны Максвелла «синхронны» (справедливость теории Максвелла, что скорость распространения радиоволн равна скорости света); 2 - можно передавать энергию электрического и магнитного поля без проводов.

В 1887 по завершении опытов вышла первая статья Герца «Об очень быстрых электрических колебаниях», а в 1888 - еще более фундаментальная работа «Об электродинамических волнах в воздухе и их отражении».

Герц считал, что его открытия были не практичнее максвелловских: «Это абсолютно бесполезно. Это только эксперимент, который доказывает, что маэстро Максвелл был прав. Мы всего-навсего имеем таинственные электромагнитные волны, которые не можем видеть глазом, но они есть». «И что же дальше?» - спросил его один из студентов. Герц пожал плечами, он был скромный человек, без претензий и амбиции: «Я предполагаю - ничего».

Но даже на теоретическом уровне достижения Герца были сразу отмечены учеными как начало новой «электрической эры».

Генрих Герц умер в возрасте 37 лет в Бонне от заражения крови. После смерти Герца в 1894, сэр Оливер Лодж заметил: «Герц сделал то, что не смогли сделать именитые английские физики. Кроме того, что он подтвердил истинность теорем Максвелла, он сделал это с обескураживающей скромностью».

Имя Эдуарда Брэнли не особенно известно в мире, но во Франции он считается одним из важнейших вкладчиков в изобретение радиотелеграфной связи.

В 1890 году профессор физики парижского Католического университета Эдуард Брэнли стал серьезно интересоваться возможностью применения электричества в терапии. По утрам он направлялся в парижские больницы, где проводил лечебные процедуры электрическим и индукционным токами, а днем исследовал поведение металлических проводников и гальванометров при воздействии электрических зарядов в своей физической лаборатории.

Устройство, которое принесло Брэнли известность, была «стеклянная трубка, свободно заполненная металлическими опилками» или «датчик Брэнли» . При включении датчика в электрическую схему, содержащую батарею и гальванометр он работал как изолятор. Однако если на некотором расстоянии от схемы возникала электрическая искра, то датчик начинал проводить ток. Когда же трубку слегка встряхивали, то датчик вновь становился изолятором. Реакция датчика Брэнли на искру наблюдалась в пределах помещения лаборатории (до 20 м). Явление было описано Брэнли в 1890 году.

Кстати, подобный метод изменения сопротивления опилок, только угольных, при прохождении электрического тока, еще до недавнего времени повсеместно использовался (а в некоторых домах используется и поныне) в микрофонах телефонных аппаратов (так называемые «угольные» микрофоны).

По мнению историков Брэнли никогда не задумывался о возможности передачи сигналов. Он интересовался главным образом параллелями между медициной и физикой и стремился предложить медицинскому миру интерпретацию проводимости нерва, смоделированную с помощью заполненных металлическими опилками трубок.

Впервые публично продемонстрировал связь между проводимостью датчика Брэнли и электромагнитными волнами британский физик Оливер Лодж.

Антуан Лоран Лавуазье родился 26 августа 1743 г. в Париже в семье адвоката. Первоначальное образование он получил в колледже Мазарини, а в 1864 г. окончил юридический факультет Парижского университета. Уже во время обучения в университете Лавуазье помимо юриспруденции основательно занимался естественными и точными науками под руководством лучших парижских профессоров того времени.

В 1765 г. Лавуазье представил работу на заданную Парижской академией наук тему - «О лучшем способе освещать улицы большого города». При выполнении этой работы сказалась необыкновенная настойчивость Лавуазье в преследовании намеченной цели и точность в изысканиях - достоинства, которые составляют отличительную черту всех его работ. Например, чтобы увеличить чувствительность своего зрения к слабым изменениям силы света, Лавуазье провел шесть недель в тёмной комнате. Эта работа Лавуазье была удостоена академией золотой медали.

В период 1763-1767 гг. Лавуазье совершает ряд экскурсий с известнейшим геологом и минералогом Гэттаром, помогая последнему в составлении минералогической карты Франции. Уже эти первые работы Лавуазье открыли перед ним двери Парижской академии. 18 мая 1768 г. он был избран в академию адъюнктом по химии, в 1778 г. стал действительным членом академии, а с 1785 г. он состоял её директором.

В 1769 г. Лавуазье вступил в Компанию откупов - организацию из сорока крупных финансистов, в обмен на немедленное внесение в казну определённой суммы получавшей право собирать государственные косвенные налоги (на соль, табак и т.п.). Будучи откупщиком, Лавуазье нажил огромное состояние, часть которого потратил на научные исследования; однако именно участие в Компании откупов стало одной из причин, по которой Лавуазье был в 1794 г. приговорён к смертной казни.

В 1775 г. Лавуазье становится директором Управления порохов и селитр. Благодаря энергии Лавуазье производство пороха во Франции к 1788 году более чем удвоилось. Лавуазье организует экспедиции для отыскания селитряных месторождений, ведёт исследования, касающиеся очистки и анализа селитры; приёмы очистки селитры, разработанные Лавуазье и Боме, дошли и до нашего времени. Пороховым делом Лавуазье управлял до 1791 г. Он жил в пороховом Арсенале; здесь же помещалась и созданная им на собственные средства прекрасная химическая лаборатория, из которой вышли почти все химические работы, обессмертившие его имя. Лаборатория Лавуазье была одним из главных научных центров Парижа того времени.

В начале 1770-х гг. Лавуазье начинает систематические экспериментальные работы по изучению процессов горения, в результате которых приходит к выводу о несостоятельности теории флогистона. Получив в 1774 г. (вслед за К.В.Шееле и Дж.Пристли) кислород и сумев осознать значение этого открытия, Лавуазье создаёт кислородную теорию горения, которую излагает в 1777 г. В 1775-1777 гг. Лавуазье доказывает сложный состав воздуха, состоящего, по его мнению, из «чистого воздуха» (кислорода) и «удушливого воздуха» (азота). В 1781 г. совместно с математиком и химиком Ж. Б. Менье доказывает также и сложный состав воды, установив, что она состоит из кислорода и «горючего воздуха» (водорода). В 1785 г. они же синтезируют воду из водорода и кислорода.

Учение о кислороде, как о главном агенте горения, было поначалу встречено очень враждебно. Известный французский химик Макёр высмеивает новую теорию; в Берлине, где память создателя флогистонной теории Г. Шталя особенно чтилась, труды Лавуазье был даже преданы сожжению. Лавуазье, однако, не тратя поначалу времени на полемику с воззрением, несостоятельность которого он чувствовал, шаг за шагом настойчиво и терпеливо устанавливал основы своей теории. Только тщательно изучив факты и окончательно выяснив свою точку зрения, Лавуазье в 1783 г. открыто выступает с критикой учения о флогистоне и показывает его шаткость. Установление состава воды было решительным ударом для теории флогистона; сторонники её стали переходить на сторону учения Лавуазье.

Опираясь на свойства кислородных соединений, Лавуазье первый дал классификацию «простых тел», известных в то время в химической практике. Понятие Лавуазье об элементарных телах являлось чисто эмпирическим: элементарными Лавуазье считал те тела, которые не могли быть разложены на более простые составные части.

Основой его классификации химических веществ вместе с понятием о простых телах, служили понятия «окись», «кислота» и «соль». Окись по Лавуазье есть соединение металла с кислородом; кислота - соединение неметаллического тела (например, угля, серы, фосфора) с кислородом. Органические кислоты - уксусную, щавелевую, винную и др. - Лавуазье рассматривал как соединения с кислородом различных «радикалов». Соль образуется соединением кислоты с основанием. Эта классификация, как показали скоро дальнейшие исследования, была узка и потому неправильна: некоторые кислоты, как, например, синильная кислота, сероводород, и отвечающие им соли, не подходили под эти определения; кислоту соляную Лавуазье считал соединением кислорода с неизвестным еще радикалом, а хлор рассматривал как соединение кислорода с соляной кислотой. Тем не менее, это была первая классификация, давшая возможность с большой простотой обозреть целые ряды известных в то время в химии тел. Она дала Лавуазье возможность предугадать сложный состав таких тел как известь, барит, едкие щелочи, борная кислота и др., считавшихся до него телами элементарными.

В связи с отказом от флогистонной теории возникла необходимость в создании новой химической номенклатуры, в основу которой легла классификация, данная Лавуазье. Основные принципы новой номенклатуры Лавуазье разрабатывает в 1786-1787 гг. вместе с К.Л.Бертолле, Л. Б. Гитоном де Морво и А.Ф.Фуркруа. Новая номенклатура внесла большую простоту и ясность в химический язык, очистив его от сложных и запутанных терминов, которые были завещаны алхимией. С 1790 г. Лавуазье принимает участие также и в разработке рациональной системы мер и весов - метрической.

Предмет изучения Лавуазье составляли и тепловые явления, тесно связанные с процессом горения. Вместе с Лапласом, будущим творцом «Небесной механики», Лавуазье даёт начало калориметрии. Они создают ледяной калориметр , с помощью которого измеряют теплоёмкости многих тел и теплоты, освобождающиеся при различных химических превращениях. Лавуазье и Лаплас в 1780 г. устанавливают основной принцип термохимии, сформулированный ими в следующей форме: «Всякие тепловые изменения, которые испытывает какая-нибудь материальная система, переменяя свое состояние, происходят в порядке обратном, когда система вновь возвращается в свое первоначальное состояние».

В 1789 г. Лавуазье опубликовал учебник «Элементарный курс химии», целиком основанный на кислородной теории горения и новой номенклатуре, который стал первым учебником новой химии. Поскольку в этом же году началась французская революция, переворот, совершённый в химии трудами Лавуазье, принято называть «химической революцией».

Творец химической революции, Лавуазье стал, однако, жертвой революции социальной. В конце ноября 1793 г. бывшие участники откупа были арестованы и преданы суду революционного трибунала. Ни петиция от «Совещательного бюро искусств и ремесел», ни всем известные заслуги перед Францией, ни научная слава не спасли Лавуазье от смерти. «Республика не нуждается в учёных», заявил председатель, трибунала Коффиналь в ответ на петицию бюро. Лавуазье был обвинён в участии «в заговоре с врагами Франции против французского народа, имевшем целью похитить у нации огромные суммы, необходимые для войны с деспотами», и присуждён к смерти. «Палачу довольно было мгновения, чтобы отрубить эту голову» - сказал известный математик Лагранж по поводу казни Лавуазье, - «но будет мало столетия, чтобы дать другую такую же…» В 1796 г. Лавуазье был посмертно реабилитирован.

С 1771 г. Лавуазье был женат на дочери своего товарища по откупу Польза. В жене он нашел себе деятельную помощницу в своих научных работах. Она вела его лабораторные журналы, переводила для него с английского научные статьи, рисовала и гравировала чертежи для его учебника. По смерти Лавуазье его жена вышла в 1805 г. вторично замуж за знаменитого физика Румфорда. Она умерла в 1836 г. в возрасте 79 лет.

Французский астроном, математик и физик Пьер Симон де Лаплас родился в Бомон-ан-Ож, Нормандия. Учился в школе бенедиктинцев, из которой вышел, однако, убеждённым атеистом. В 1766 г. Лаплас приехал в Париж, где Ж. Д’Аламбер через пять лет помог ему получить место профессора Военной школы. Деятельно участвовал в реорганизации системы высшего образования во Франции, в создании Нормальной и Политехнической школ. В 1790 г. Лаплас был назначен председателем Палаты мер и весов, руководил введением в жизнь новой метрической системы мер. С 1795 г. в составе руководства Бюро долгот. Член Парижской АН (1785, адъюнкт с 1773), член Французской академии (1816).

Научное наследие Лапласа относится к области небесной механики, математики и математической физики, фундаментальными являются работы Лапласа по дифференциальным уравнениям, в частности по интегрированию методом «каскадов» уравнений с частными производными. Введённые Лапласом шаровые функции имеют разнообразные применения. В алгебре Лапласу принадлежит важная теорема о представлении определителей суммой произведений дополнительных миноров. Для разработки созданной им математической теории вероятностей Лаплас ввёл так называемые производящие функции и широко применял преобразование, носящее его имя (преобразование Лапласа). Теория вероятностей явилась основой для изучения всевозможных статистических закономерностей, в особенности в области естествознания. До него первые шаги в этой области были сделаны Б. Паскалем, П. Ферма, Я. Бернулли и др. Лаплас привёл их выводы в систему, усовершенствовал методы доказательств, сделав их менее громоздкими; доказал теорему, носящую его имя (теорема Лапласа), развил теорию ошибок и способ наименьших квадратов, позволяющие находить наивероятнейшие значения измеренных величин и степень достоверности этих подсчётов. Классический труд Лапласа «Аналитическая теория вероятностей» издавался трижды при его жизни - в 1812, 1814 и 1820 гг.; в качестве введения к последним изданиям была помещена работа «Опыт философии теории вероятностей» (1814), в которой в популярной форме разъясняются основные положения и значение теории вероятностей.

Вместе с А. Лавуазье в 1779-1784 гг. Лаплас занимался физикой, в частности вопросом о скрытой теплоте плавления тел и работами с созданным ими ледяным калориметром . Для измерения линейного расширения тел они впервые применили зрительную трубу; изучали горение водорода в кислороде. Лаплас активно выступал против ошибочной гипотезы о флогистоне. Позднее снова вернулся к физике и математике. Он опубликовал ряд работ по теории капиллярности и установил закон, носящий его имя (закон Лапласа). В 1809 г. Лаплас занялся вопросами акустики; вывел формулу для скорости распространения звука в воздухе. Лапласу принадлежит барометрическая формула для вычисления изменения плотности воздуха с высотой над поверхностью земли, учитывающая влияние влажности воздуха и изменение ускорения свободного падения. Занимался также геодезией.

Лаплас развил методы небесной механики и завершил почти всё то, что не удалось его предшественникам в объяснении движения тел Солнечной системы на основе закона всемирного тяготения Ньютона; ему удалось доказать, что закон всемирного тяготения полностью объясняет движение этих планет, если представить их взаимные возмущения в виде рядов. Он доказал также, что эти возмущения носят периодический характер. В 1780 г. Лаплас предложил новый способ вычисления орбит небесных тел. Исследования Лапласа доказали устойчивость Солнечной системы в течение очень длительного времени. Далее Лаплас пришёл к заключению, что кольцо Сатурна не может быть сплошным, т.к. в этом случае оно было бы неустойчиво, и предсказал открытие сильного сжатия Сатурна у полюсов. В 1789 г. Лаплас рассмотрел теорию движения спутников Юпитера под действием взаимных возмущений и притяжения к Солнцу. Он получил полное согласие теории с наблюдениями и установил ряд законов этих движений. Одной из главных заслуг Лапласа было открытие причины ускорения в движении Луны. В 1787 г. он показал, что средняя скорость движения Луны зависит от эксцентриситета земной орбиты, а последний меняется под действием притяжения планет. Лаплас доказал, что это возмущение не вековое, а долгопериодическое и что впоследствии Луна станет двигаться замедленно. По неравенствам в движении Луны Лаплас определил величину сжатия Земли у полюсов. Ему принадлежит также разработка динамической теории приливов. Небесная механика во многом обязана трудам Лапласа, которые подытожены им в классическом сочинении «Трактат о небесной механике» (т. 1-5, 1798-1825).

Космогоническая гипотеза Лапласа имела огромное философское значение. Она изложена им в приложении к его книге «Изложение системы мира» (т. 1-2, 1796).

По философским взглядам Лаплас примыкал к французским материалистам; известен ответ Лапласа Наполеону I, что в своей теории о происхождении Солнечной системы он не нуждался в гипотезе о существовании бога. Ограниченность механистического материализма Лаплас проявилась в попытке объяснить весь мир, в том числе физиологического, психического и социальные явления, с точки зрения механистического детерминизма. Своё понимание детерминизма Лаплас рассматривал как методологический принцип построения всякой науки. Образец окончательной формы научного познания Лаплас видел в небесной механике. Лапласовский детерминизм стал нарицательным обозначением механистической методологии классической физики. Материалистическое мировоззрение Лапласа, ярко сказавшееся в научных трудах, контрастирует с его политической неустойчивостью. При всяком политическом перевороте Лаплас переходил на сторону победивших: сначала был республиканцем, после прихода к власти Наполеона - министром внутренних дел; затем был назначен членом и вице-председателя сената, при Наполеоне получил титул графа империи, а в 1814 г. подал свой голос за низложение Наполеона; после реставрации Бурбонов получил пэрство и титул маркиза.

Среди основных заслуг Лоджа в контексте радио следует отметить его усовершенствование датчика радиоволн Брэнли.

Когерер Лоджа, впервые продемонстрированный перед аудиторией Королевского Института в 1894, позволял принимать сигналы кода Морзе переданные радиоволнами и давал возможность их записи регистрирующим аппаратом. Это позволило изобретению вскоре стать стандартным устройством беспроводных телеграфных аппаратов. (Датчик вышел из употребления только через десять лет, когда будут разработаны магнитные, электролитические и кристаллические датчики).

Не менее важны другие работы Лоджа в области электромагнитных волн. В 1894 Лодж на страницах «London Electrician» рассуждая о значении открытий Герца, описал свои эксперименты с электромагнитными волнами. Он прокомментировал обнаруженное им явление резонанса или настройки:

…некоторые схемы по своей природе «вибрирующие… Они способны поддерживать возникшие в них колебания в течение длительного периода, в то время как в других схемах колебания быстро затухают. Приемник затухающего типа отреагирует на волны любой частоты, в противоположность приемнику, основанному на постоянной частоте, который реагирует только на волны с частотой его собственных колебаний.

Лодж обнаружил, что вибратор Герца «излучает очень мощно», но «из-за излучения энергии (в пространство), его колебания быстро затухают, поэтому для передачи искры он должен быть настроен в соответствии с приемником».

16 августа 1898 Лодж получил патент № 609154, в котором предлагалось «использовать настраиваемую индукционную катушку или антенный контур в беспроводных передатчиках или приемниках, или в обоих устройствах». Этот «настраивающийся» («syntonic») патент имел большое значение в истории радио, поскольку в нем были изложены принципы настройки на нужную станцию. 19 марта 1912 этот патент был приобретен компанией Маркони.

Впоследствии Маркони так сказал про Лоджа:

Он (Лодж) - один из самых больших наших физиков и мыслителей, но особенно значительны его работы в области радио. С самых первых дней, после экспериментального подтверждения теории Максвелла относительно существования электромагнитного излучения и его распространения через пространство, очень немногие люди обладали ясным пониманием в отношении разгадки этой одной из наиболее скрытых тайн природы. Сэр Оливер Лодж обладал этим пониманием в гораздо большей степени, чем любой другой из его современников.

Почему Лодж не изобрел радио? Сам он так объяснил этот факт:

Я был слишком занят работой, чтобы браться за развитие телеграфа или любого другого направления техники. У меня не было достаточного понимания того, чтобы почувствовать насколько это окажется экстраординарно важным для флота, торговли, гражданской и военной связи.

За вклад в развитие науки в 1902 году король Эдуард VII посвятил Лоджа в рыцари.

Интересна и загадочна дальнейшая судьба сэра Оливера.

После 1910 он увлекся спиритизмом и стал яростным сторонником идеи общения с мертвыми. Его занимали вопросы связи науки и религии, телепатия, проявления таинственного и неизвестного. По его мнению, самым простым способом связи с Марсом будет перемещение по пустыне Сахара гигантских геометрических фигур. В возрасте восьмидесяти лет Лодж объявил, что попытается связаться с миром живых после своей смерти. Он передал запечатанный документ на хранение в Английское общество психических исследований, в котором, по его словам, содержался текст сообщения, которое он передаст с того света.

Луиджи Гальвани родился в Болонье 9 сентября 1737 г. Он изучал сначала богословие, а затем медицину, физиологию и анатомию. В 1762 г. он был уже преподавателем медицины в Болонском университете.

В 1791 г. в «Трактате о силах электричества при мышечном движении» было описано сделанное Гальвани знаменитое открытие. Сами явления, открытые Гальвани, долгое время в учебниках и научных статьях назывались «гальванизмом» . Этот термин доныне сохраняется в названии некоторых аппаратов и процессов. Свое открытие сам Гальвани описывает следующим образом:

«Я разрезал и препарировал лягушку… и, имея в виду совершенно другое, поместил ее на стол, на котором находилась электрическая машина…, при полном разобщении от кондуктора последней и на довольно большом расстоянии от него. Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мыщцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги Другой же из них, который помогал нам в опытах по электричеству, заметил, как ему казалось, что это удается тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра… Удивленный новым явлением, он тотчас же обратил на него мое внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощен своими мыслями. Тогда я зажегся невероятным усердием и страстным желанием исследовать это явление и вынести на свет то, что было в нем скрытого».

Это классическое по точности описание неоднократно воспроизводилось в исторических работах и породило многочисленные комментарии. Гальвани честно пишет, что явление впервые заметил не он, а два его помощника. Считается, что «другим из присутствующих», указавшим, что сокращение мышц наступает при проскакивании искры в машине, была его жена Лючия. Гальвани был занят своими мыслями, а в это время кто-то начал вращать ручку машины, кто-то дотронулся «легко» скальпелем до препарата, кто-то заметил, что сокращение мышц наступает при проскакивании искры. Так в цепи случайностей (все действующие лица вряд ли сговаривались между собой) родилось великое открытие. Гальвани отвлекся от своих мыслей, «сам, стал трогать острием скальпеля то один, то другой бедренный нерв, в то время как один из присутствовавших извлекал искру, феномен наступал точно таким же образом».

Как видим, явление было очень сложным, вступали в действие три компонента: электрическая машина, скальпель, препарат лапки лягушки. Что является существенным? Что произойдет, если одного из компонентов не будет? Какова роль искры, скальпеля, лягушки? На все эти вопросы и пытался получить ответ Гальвани. Он ставил многочисленные опыты, в том числе и на улице во время грозы. «И вот, замечая иногда, что препарированные лягушки, которые были подвешены на железной решетке, окружавшей балкон нашего дома, при помощи медных крючков, воткнутых в спинной мозг, впадали в обычные сокращения не только в грозу, но иногда также при спокойном и ясном небе, я решил, что эти сокращения вызываются изменениями, происходящими днем в атмосферном электричестве». Гальвани описывает далее, как он тщетно ожидал этих сокращений. «Утомленный, наконец, тщетным ожиданием, я начал прижимать медные крючки, воткнутые в спинной мозг, к железной решетке» и здесь обнаружил искомые сокращения, происходившие без всяких изменений «в состоянии атмосферы и электричества».

Гальвани перенес опыт в комнату, поместил лягушку на железную пластинку, к которой стал прижимать проведенный через спинной мозг крючок, тотчас же появились сокращения мышц. Вот это и было решающим открытием.

Гальвани понял, что перед ним открылось что-то новое, и решил тщательно исследовать явление. Он чувствовал, что в таких случаях «легко ошибиться с исследованиями и считать виденным и найденным то, что мы желаем увидеть и найти», в данном случае влияние атмосферного электричества Он перенес препарат «в закрытую комнату, поместил на железной пластинке и стал прижимать к ней проведенный через спинной мозг крючок». При этом «появились такие же сокращения, такие же движения». Итак, нет электрической машины, нет атмосферных разрядов, а эффект наблюдается, как и прежде «Разумеется, - пишет Гальвани, - подобный результат вызвал в нас немалое удивление и начал возбуждать в нас некоторое подозрение об электричестве свойственном самому животному». Что бы проверить справедливость такого «подозрения», Гальвани проделывает серию опытов, в том числе и эффектный опыт, когда подвешенная лапка, касаясь серебряной пластинки, сокращается, поджимается вверх, затем падает, вновь сокращается и т. д. «Так что эта лапка, - пишет Гальвани, - к немалому восхищению наблюдающего за ней, начинает, кажется, соперничать с каким-то электрическим маятником».

Подозрение Гальвани превратилось в уверенность: лапка лягушки стала для него носителем «животного электричества», уподобляясь заряженной лейденской банке. «После этих открытий и наблюдений мне казалось возможным без всякого промедления заключить, что это двойственное и противоположное электричество находится в самом животном препарате». Он показал, что положительное электричество находится в нерве, отрицательное - в мышце.

Вполне естественно, что физиолог Гальвани пришел к выводу о существовании «животного электричества». Вся обстановка опытов толкала к этому выводу. Но физик, поверивший сначала в существование «животного электричества», вскоре пришел к противоположному выводу о физической причине явления. Этим физиком был знаменитый соотечественник Гальвани Алессандро Вольта.

Английский инженер Джон Флеминг внес значительный вклад в развитие электроники, фотометрии, электрические измерения и радиотелеграфную связь. Наиболее известно его изобретение радио детектора (выпрямителя) с двумя электродами, которое он назвал термоэлектронной лампой, также известной как вакуумный диод, кенотрон, электронная лампа и лампа или диод Флеминга. Это устройство, запатентованное в 1904, стало первым электронным детектором радиоволн, преобразующим радиосигналы переменного тока в постоянный ток. Открытие Флеминга было первым шагом в эпоху ламповой электронной техники. Эпохи, которая продлилась без малого до конца XX века.

Флеминг обучался в Университетском Колледже в Лондоне и в Кембридже у великого Максвелла, многие годы работал консультантом в лондонских компаниях Эдисона и Маркони.

Был весьма популярным преподавателем в Университетском колледже и первым, кто удостоился титула профессора электротехники. Был автором более сотни научных статей и книг, включая такие популярные: «Принципы электрической волновой телеграфной связи» (1906) и «Распространение электрических токов в телефонных и телеграфных проводах» (1911), которые много лет были ведущими книгами по данной теме. В 1881, когда электричество стало привлекать всеобщее внимание, Флеминг поступил на службу в компанию Эдисона в Лондоне на должность инженера-электрика, которую занимал почти десять лет.

Было естественным, что работы Флеминга по электричеству и телефонии должны были рано или поздно привести его в зарождающуюся радиотехнику. В течение более двадцати пяти лет он занимал должность научного советника в компании Маркони и даже принимал участие в создании первой трансатлантической станции в Полду.

Долгое время не стихали споры по поводу длины волны, на которой велась первая трансатлантическая передача. В 1935 году, в своих воспоминаниях, Флеминг так прокомментировал этот факт:

«В 1901 длина волны электромагнитного излучения не измерялась, потому что я к тому времени еще не изобрел волномер (изобретен в октябре 1904). Высота подвеса антенны в первом варианте составляла 200 футов (61 м). Последовательно с антенной мы подключали трансформаторную катушку или „jiggeroo“ (трансформатор затухающих колебаний). По моим оценкам первоначальная длина волны должна была быть не менее 3 000 футов (915 м), но позднее она была гораздо выше.

В то время я знал, что дифракция, изгиб волн вокруг земли, будет увеличиваться с увеличением длины волны и после первого успеха постоянно убеждал Маркони увеличить длину волны, что и было сделано, когда начались коммерческие передачи. Я помню, что разработал специальные волномеры, чтобы измерять волны длиной около 20 000 футов (6096 м)».

Триумф Полду принадлежал Маркони, а известность Флемингу принесла «маленькая электрическая лампа накаливания» - диод Флеминга. Сам он так описывал это изобретение:

«В 1882 в качестве советника компании Эдисона (»Edison Electric Light Company of London«) по электричеству, я решал многочисленные проблемы с лампами накаливания и начал изучать физические явления, происходящие в них всеми техническими средствами, имеющимися в моем распоряжении. Подобно многим другим я заметил, что нити накаливания легко ломались при небольших ударах и после перегорания ламп их стеклянные колбы меняли цвет. Это изменение стекла было настолько привычным, что принималось всеми как данность. Казалось пустяком обращать на это внимание. Но в науке должны приниматься во внимание все мелочи. Мелочи сегодня, завтра могут иметь огромное значение.

Задаваясь вопросом, почему колба лампы накаливания темнела, я начал исследовать этот факт и обнаружил, что во многих перегоревших лампах имелась полоска стекла, которая не изменила цвет. Было похоже, что кто-то брал закопченную колбу и стирал налет, оставляя чистой узкую полоску. Я установил, что лампы с этими странными, резко очерченными чистыми участками были в других местах покрыты осажденным углеродом или металлом. А чистая полоска была непременно U-образной формы, повторяющая форму угольной нити, и как раз на противоположной от перегоревшей нити стороне колбы.

Для меня стало очевидным, что ненарушенная часть нити действовала как экран, оставляющий ту самую характерную полоску чистого стекла, и что заряды из разогретой нити накаливания бомбардировали стенки лампы молекулами углерода или выпаренного металла. Мои эксперименты в конце 1882 и начале 1883 доказали, что я был прав».

Эдисон также заметил это явление, кстати, называемое «эффектом Эдисона», но не смог объяснять его природу.

В октябре 1884 исследованиями «эффекта Эдисона» занимался Вильям Прис. Он решил, что это было связано с испусканием угольных молекул от нити накаливания в прямолинейных направлениях, подтверждая, таким образом, мое первоначальное открытие. Но Прис, как и Эдисон, также не стал доискиваться до истины. Он не объяснил явление и не стремился его применить. «Эффект Эдисона» остался тайной лампы накаливания.

В 1888 Флеминг получил несколько специальных углеродных ламп накаливания, сделанных в Англии Эдисоном и Джозефом Сваном и продолжил эксперименты. Он приложил к угольной нити накаливания отрицательное напряжение и заметил, что бомбардировка заряженных частиц прекратилась.

При изменении положения металлической пластины, изменялась интенсивность бомбардировки. Когда же вместо пластины в колбу был помещен металлический цилиндр, расположенный вокруг отрицательного контакта нити без соприкосновения с ней, то гальванометр зафиксировал наибольший ток.

Флемингу стало очевидным, что металлический цилиндр «захватывал» заряженные частицы, которые испускала нить. Основательно изучив свойства эффекта, он обнаружил, что комбинация нити и пластины, названной анодом, могла использоваться как выпрямитель переменных токов не только промышленной, но и высокой частоты используемой в радио.

Работа Флеминга в компании Маркони, позволила ему тщательно ознакомиться с капризным когерером, использовавшимся в качестве датчика волн. В поисках лучшего датчика, он пытался разрабатывать химические детекторы, но в какое то время ему пришла мысль: «А почему бы ни попробовать лампу?».

Флеминг так описал свой эксперимент:

«Было приблизительно 5 часов вечера, когда аппарат был закончен. Мне, конечно, очень хотелось проверить его в действии. В лаборатории мы установили две эти схемы на некотором расстоянии друг от друга, и я запустил колебания в основной цепи. К моему восхищению я увидел, что стрелка гальванометра показала стабильный постоянный ток. Я понял, что мы получили в этом специфическом виде электрической лампы, решение проблемы выпрямления высокочастотных токов. „Недостающая деталь“ в радио была найдена и это была электрическая лампа!»

Сначала он собрал колебательный контур, с двумя лейденскими банками в деревянном корпусе и с индукционной катушкой. Затем другую схему, которая включала электронную лампу и гальванометр. Обе схемы были настроены на одинаковую частоту.

Я сразу понял, что металлическая пластина должна быть заменена металлическим цилиндром, закрывающим всю нить, чтобы «собрать» все испускаемые электроны.

У меня в наличии имелось множество угольных ламп накаливания с металлическими цилиндрами, и я начал использовать их в качестве высокочастотных выпрямителей для радиотелеграфной связи.

Этот прибор я назвал колебательной лампой. Ей было сразу же найдено применение. Гальванометр заменили обычным телефоном. Замена, которая могла быть сделана в то время с учетом развития технологии, когда повсеместно использовались искровые системы связи. В таком виде моя лампа широко использовалась компанией Маркони в качестве датчика волн. 16 ноября 1904 я подал заявку на патент в Великобритании.

За изобретение вакуумного диода Флеминг был удостоен множества почестей и наград. В марте 1929 он был посвящен в рыцари за «неоценимый вклад в науку и промышленность»

Метрическая система мер , десятичная система мер, совокупность единиц физических величин, в основу которой положена единица длины - метр . Первоначально в Метрической системе мер, кроме метра, входили единицы: площади - квадратный метр, объема - кубический метр и массы - килограмм (масса 1 дм 3 воды при 4 °С), а также литр (для вместимости), ар (для площади земельных участков) и тонна (1000 кг). Важной отличительной особенностью Метрической системы мер являлся способ образования кратных единиц и дольных единиц , находящихся в десятичных соотношениях; для образования наименований производных единиц были приняты приставки: кило , гекто , дека , деци , санти и милли .

Метрическая система мер была разработана во Франции в эпоху Великой французской революции. По предложению комиссии из крупнейших французских ученых (Ж. Борда, Ж. Кондорсе, П. Лаплас, Г. Монж и др.) за единицу длины - метр - была принята десятимиллионная часть 1/4 длины парижского географического меридиана. Это решение было обусловлено стремлением положить в основу Метрическая система мер легко воспроизводимую "естественную" единицу длины, связанную с каким-либо практически неизменным объектом природы. Декрет о введении Метрическая система мер во Франции был принят 7 апреля 1795 года. В 1799 году был изготовлен и утвержден платиновый прототип метра. Размеры, наименования и определения других единиц Метрической системы мер были выбраны так, чтобы она не носила национального характера и могла быть принята всеми странами. Подлинно международный характер Метрическая система мер приобрела в 1875 году, когда 17 стран, в том числе Россия, подписали Метрическую конвенцию для обеспечения международного единства и усовершенствования метрической системы. Метрическая система мер была допущена к применению в России (в необязательном порядке) законом от 4 июня 1899 года, проект которого был разработан Д. И. Менделеевым, и введена в качестве обязательной декретом СНК РСФСР от 14 сентября 1918 года, а для СССР - постановлением СНК СССР от 21 июля 1925 года.

На основе Метрическая система мер возник целый ряд частных, охватывающих лишь отдельные разделы физики или отрасли техники, систем единиц и отдельных внесистемных единиц . Развитие науки и техники, а также международных связей привело к созданию на основе Метрическая система мер единой, охватывающей все области измерений, системы единиц - Международной системы единиц (СИ), которая уже принята в качестве обязательной или предпочтительной многими странами.

Международная система единиц - это структура, в основе которой лежит использование показателей массы в килограммах и длины в метрах. С самого ее возникновения существовали различные её варианты. Различие между ними заключалось в выборе основных показателей. На сегодняшний день многими странами используются единицы измерения в В ней элементы являются одинаковыми для всех государств (исключение составляют США, Либерия, Бирма). Эта система достаточно широко применяется в разных сферах - от повседневной жизни до научных исследований.

Особенности

Метрическая система мер - это упорядоченный набор параметров. Это существенно отличает ее от используемых ранее традиционных способов определения тех или иных единиц. Для обозначения любой величины метрическая система мер использует лишь один основной показатель, величина которого может изменяться в кратных долях (достигается применением десятичных приставных элементов). Главное преимущество при таком подходе заключается в более простом использовании. При этом устраняется огромное количество разных ненужных единиц (футы, мили, дюймы и другие).

Временные параметры

На протяжении длительного периода со стороны ряда ученых предпринимались попытки представить время в метрических единицах измерения. Предлагалось разделить сутки на более мелкие элементы - миллисутки, а углы - на 400 градов или принимать полный цикл оборота за 1000 миллиоборотов. Со временем из-за неудобства в использовании пришлось отказать от этой идеи. Сегодня время в СИ обозначается посредством секунд (состоят из миллисекунд) и радиан.

История возникновения

Считается, что современная метрическая система мер родилась во Франции. В период с 1791 по 1795 в этой стране был принят рад важнейших законодательных актов. Они были направлены на определение статуса метра - одной десятимиллионной доли 1/4 меридиана от экватора до Северного полюса. 4 июля 1837 года приняли специальный документ. Согласно ему, было официально утверждено обязательное использование элементов, из которых состояла метрическая система мер, во всех экономических сделках, осуществляемых на территории Франции. В дальнейшем принятая структура начала распространяться на соседние страны Европы. Ввиду своей простоты и удобства, метрическая система мер постепенно вытеснила большинство национальных, используемых ранее. Также её допустимо использовать в США и Великобритании.

Основные величины

За длины основатели системы, как было уже отмечено выше, взяли метр. Элементом массы стал грамм - вес одной миллионной м 3 воды при ее стандартной плотности. Для более удобного применения единиц новой системы создатели придумали способ сделать их более доступными - путем изготовления эталонов из металла. Эти модели выполнены с идеальной точностью воспроизведения величин. Где находятся эталоны метрической системы, будет сказано ниже. В дальнейшем при использовании этих моделей люди осознали, что сравненивать искомое значение с ними гораздо проще и удобнее, чем, например, с четвертью меридиана. При этом, определяя массу искомого тела, стало очевидно, что оценивать её по эталону гораздо удобнее, чем по соответствующему количеству воды.

"Архивные" образцы

Постановлением Международной комиссии в 1872-м году был принят за эталон измерения длины специально изготовленный метр. Тогда же члены комиссии решили принимать за эталон особый килограмм. Он был изготовлен из сплавов платины и иридия. "Архивные" метр и килограмм находятся на постоянном хранении в Париже. В 1885-м году, 20-го мая, представителями семнадцати стран была подписана особая Конвенция. В рамках ее была регламентирована процедура определения и использования эталонов измерения в научных исследованиях и трудах. Для этого понадобились специальные организации. К ним, в частности, относят Международное бюро мер и весов. В рамках вновь созданной организации началась разработка образцов массы и длины, с последующей передачей их копий всем странам-участницам.

Метрическая система мер в России

Принятыми образцами пользовалось все больше и больше стран. В сложившихся условиях Россия не могла игнорировать возникновение новой системы. Поэтому Законом от 4 июля 1899 года (автор и разработчик - Д. И. Менделеев) она была разрешена к применению в необязательном порядке. Обязательной же она стала только после принятия Временным правительством соответствующего декрета 1917 года. Позднее её применение было закреплено постановлением СНК СССР от 21-го июля 1925 года. В ХХ веке большинство стран перешло на измерения в международной системе единиц СИ. Окончательный вариант ее был разработан и утвержден XI Генеральной конференцией в 1960 году.

Развал СССР совпал с моментом бурного развития компьютерной и бытовой техники, основное производство которой сосредоточено в странах Азии. На территорию Российской Федерации стали ввозиться огромные партии товаров этих производителей. При этом азиатские государства не задумывались о возможных проблемах и неудобстве эксплуатации их товаров русскоязычным населением и снабжали свою продукцию универсальной (на их взгляд) инструкцией на английском языке, с использованием американских параметров. В обиходе обозначение величин по метрической системе стало вытесняться элементами, используемыми в США. Например, размеры компьютерных дисков, диагонали мониторов и другие составляющие указываются в дюймах. При этом первоначально параметры этих комплектующих обозначались строго в величинах метрической системы (ширина CD и DVD, например, равна 120 мм).

Международное использование

В настоящее время самой распространенной на планете Земля является метрическая система мер. Таблица масс, длин, расстояний и прочих параметров позволяет с легкостью переводить одни показатели в другие. Стран, в силу определенных причин не перешедших на эту систему, с каждым годом остается все меньше и меньше. К таким государствам, продолжающим использовать собственные параметры, относятся США, Бирма и Либерия. Америка пользуется в отраслях научного производства системой СИ. Во всех других применялись американские параметры. Великобритания и Сент-Люсия еще не перешли на мировую систему СИ. Но, надо сказать, что процесс находится в активной стадии. Последней из стран, окончательно перешедших на метрическую систему в 2005 году, стала Ирландия. Антигуа и Гайана только производят переход, но темпы очень медленные. Интересна ситуация в Китае, который официально перешел на метрическую систему, но при этом на его территории продолжается использование древнекитайских единиц.

Сказка о том, как открыли Майкла Фарадея, который открыл электромагнитное поле

Ник. Горькавый
«Наука и жизнь» №6, 2017

Другие научные сказки Ник. Горькавого см. в «Науке и жизни» №11, 2010, №12, 2010, №1, 2011, №2, 2011, №3, 2011, №4, 2011, №5, 2011, №6, 2011, №9, 2011, №11, 2011, №6, 2012, №7, 2012, №8, 2012, №9, 2012, №10, 2012, №12, 2012, №1, 2013, №11, 2013, №1, 2014, №2, 2014, №3, 2014, №7, 2014, №8, 2014, №10, 2014, №12, 2014, №1, 2015, №4, 2015, №5, 2015, №6, 2015, №7, 2015, №9, 2015, №1, 2016, №2, 2016, №3, 2016, №6, 2016, №8, 2016, № 11, 2016, № 2, 2017, № 4, 2017.

Журнальный вариант одной из научных сказок из новой книги Ник. Горькавого «Электрический дракон», которая вышла в свет в издательстве «АСТ» в начале этого года.

В гости к принцессе Дзинтаре приехала королева Никки с мужем Джерри.

— У меня срочное дело к вашей маме, — заявила королева детям Дзинтары Галатее и Андрею, — поэтому я её забираю, а вам оставляю Джерри. Он расскажет очередную вечернюю сказку об электричестве.

— Я постараюсь не сильно искрить! — пообещал Джерри. — Надеюсь, вам понравится история про гениального самоучку — знаменитого английского физика Майкла Фарадея.

Его жизнь была увлекательнее любого романа. Майкл рос в лондонском пригороде вместе с двумя сёстрами и двумя братьями в бедной семье кузнеца. В 13 лет ему пришлось начать зарабатывать. Майкл поступил рассыльным в лондонский книжный магазин, принадлежавший французскому эмигранту Джорджу Рибо. После испытательного срока мальчика оставили работать в магазине переплётчиком. Всё свободное время Майкл читал. Особенно ему нравились книги по химии и электричеству. Он даже ставил описываемые в них опыты.

— Но как он мог это делать? — удивилась Галатея. — Ведь у него не было никакого оборудования.

— Конечно, Майклу были по силам только простые эксперименты, он проводил их с помощью инструментов и материалов из кузницы своего отца, который, как и Рибо, поощрял занятия любознательного подростка и помогал ему.

Однажды отец купил Майклу необходимую для опытов «лейденскую банку» (см. «Науку и жизнь» № 4, 2017. — Прим. ред.).

Посетители книжного магазина тоже старались оказать содействие смышлёному юноше. Один из них подарил Фарадею билет на цикл лекций знаменитого английского физика и химика Хэмфри Дэви, которые тот читал в Королевском институте. Майкл тщательно записал лекции, переплёл их в аккуратную книжку и послал Дэви с просьбой принять его на работу в институт. Этот, по словам самого Фарадея, наивный и смелый шаг принёс результат. Дэви был поражён усердием молодого человека, ответил ему и через несколько месяцев, в начале 1813 года, взял его на работу на освободившееся место лаборанта. Фарадей исполнял свои обязанности безукоризненно и вскоре стал незаменимым помощником Дэви, особенно после того, как учёный повредил глаза при взрыве химических реактивов в своей лаборатории.

Майкл никогда не учился в школе, и тем более в университете, но несколько лет, проведённых им в книжном магазине Рибо, сделали его образованным человеком.

— Мне кажется, тут дело не в магазине, а в желании Фарадея учиться, — сказал Андрей.

— Согласен, но, если бы Майкл работал в угольной шахте, а в те времена многие дети его возраста вслед за отцами становились шахтёрами, возможностей для самообразования у него было бы гораздо меньше. Впоследствии Фарадей посвятил Джорджу Рибо одну из своих книг, а на книжном магазине, который существует до сих пор, появилась мемориальная доска, напоминающая о том, что здесь когда-то работал великий учёный.

Осенью того же 1813 года вместе с Дэви и его супругой 22-летний Майкл отправился в поездку по европейским научным центрам, где Дэви встречался с А. Ампером, Ж. Л. Гей-Люссаком и другими выдающимися учёными. Судьбоносная встреча с А. Вольтой (см. «Науку и жизнь» № 4, 2017, статья «Сказка об электрической лягушке и итальянском физике Алессандро Вольте, основоположнике учения об электричестве») произошла в доме знаменитого учёного на озере Комо в Италии и была довольно продолжительной.

Однажды к дому Алессандра Вольты подкатила карета, нагружённая сундуками и чемоданами. Рядом с кучером сидел молодой человек. Он спрыгнул на землю и открыл дверцу кареты. Из неё вышел элегантный господин, а за ним — его жена, пышно разодетая дама. Сварливым голосом она отдала распоряжение насчёт чемоданов, а её муж устремился к хозяину дома, который ожидал его возле крыльца.

— Приветствую вас, сэр Хэмфри Дэви, — сказал Вольта. — Трудна ли была ваша дорога?

Гость представил Вольте супругу, а потом, после некоторого колебания, своего помощника Майкла, молодого человека, ехавшего рядом с кучером и выполнявшего обязанности слуги.

К этому времени Дэви уже прославился своими открытиями в области химии и электролиза, сделанными с помощью вольтова столба. Немало часов провёл он в лаборатории Вольты, знакомясь с созданными великим учёным приборами. Майкл ходил следом и внимательно записывал пояснения хозяина, иногда задавая вопросы, которые своей глубиной удивляли его.

— Смышлёный у вас помощник, — сказал Вольта. А потом добавил: — Я нашёл пролив в новый таинственный океан электричества, которое вырабатывает моя батарея, но исследовать его придётся вам, молодому поколению. Верю, что вы откроете в нём множество секретов.

Галатея нетерпеливо спросила:

— Дэви оправдал надежды Вольты?

Джерри ответил:

— Не совсем. Конечно, он был крупным учёным, но по-настоящему великим исследователем электричества, сумевшим разгадать основные тайны «электрического дракона», стал его молодой помощник Майкл Фарадей, который вошёл в историю благодаря своим выдающимся открытиям. Ранее электрические явления не связывали с магнитными, такими как указание стрелки компаса строго на север или притяжение магнитом железных опилок. Обнаружить единство электрических и магнитных явлений помог вольтов столб. Произошло это так.

Дождливым утром 1820 года профессор Копенгагенского университета Ханс Христиан Эрстед показывал студентам опыт по нагреванию проволоки из-за текущего по ней тока от вольтовой батареи.

На лабораторном столе среди другого оборудования лежал компас. Истопник, принёсший в комнату дрова для камина, выпрямил усталую спину и вдруг заметил, что, когда профессор включил электрическую цепь, стрелка компаса дёрнулась.

— Сударь! — деликатно кашлянул остроглазый истопник, обращаясь к учёному, который проводил этот простой опыт, наверное, в сотый раз. — У вас тут компас… того… шалит!

Эрстед глубоко верил в связь магнитных и электрических явлений, поэтому обратил пристальное внимание на дрожание стрелки компаса, замеченное истопником. Ранее учёные пробовали пропускать электрический ток через магнитную стрелку, но не добились никакого результата. Эрстед провёл серию опытов и доказал, что стрелка компаса реагирует на включённый провод из любого, даже немагнитного, металла и располагается по касательной к окружности вокруг провода. Проще говоря, если расположить провод с током вертикально, то стрелка компаса укажет не на сам провод, а, например, влево. Если же окружить провод несколькими компасами, то их стрелки образуют горизонтальную окружность, в центре которой будет вертикальный провод.

После этого открытия Эрстед стал знаменитым, но история не сохранила имени остроглазого истопника. Исследователи, узнавшие об опыте Эрстеда, удивлялись тому, что магнитное взаимодействие между объектами направлено не от одного к другому, как в теории гравитации Ньютона и электростатическом законе Кулона, а в сторону.

— А что тут удивительного? — не поняла Галатея.

— А то, что электрически заряженные тела тянутся друг к другу. В гравитации все тела падают на Землю в направлении её центра. Представь себе, что ты выронила камушек и он полетел не вниз, а в сторону — параллельно земле. Результаты, полученные Эрстедом, были настолько сенсационными, что о них за считаные недели узнали во всей Европе.

В том же 1820 году французский исследователь Андре-Мари Ампер обнаружил, что два провода под током отталкиваются друг от друга или притягиваются в зависимости от направления течения тока. Он также показал, что катушка из намотанного электрического провода становится сильным магнитом. Ампер изобрёл электромагнитный телеграф, работа которого была основана на воздействии провода с током на магнитную стрелку. Он писал:

«…можно было бы, взяв столько проводников и магнитных стрелок, сколько имеется букв, и помещая каждую букву на отдельной стрелке, устроить своего рода телеграф с помощью одного вольтова столба, расположенного вдали от стрелок. Соединяя поочередно концы столба с концами соответствующих проводников, можно было бы лицу, которое наблюдало бы за буквами на стрелках, передавать сведения со всеми подробностями и через какие угодно препятствия. Если установить со стороны столба клавиатуру с буквами и производить соединения нажатием клавиш, то этот способ сообщения мог бы применяться достаточно просто и не требовал бы больше времени, чем необходимо для нажатия клавиш на одной стороне и чтения каждой буквы на другой».

Фарадея чрезвычайно увлекли эксперименты Эрстеда и Ампера. Майкл интерпретировал опыты Эрстеда следующим образом: ток в проводе создаёт вокруг магнитное поле, на которое реагирует стрелка компаса. Но можно ли создать электрический ток из магнитного поля? Фарадей был уверен: если Эрстед превратил электричество, текущее по проводу, в магнитное поле, воздействующее на компасную стрелку, то должен быть и обратный процесс!

В 1822 году Фарадей зафиксировал в дневнике поставленную перед собой задачу: «Превратить магнетизм в электричество». Примерно в это же время Дэви с другим английским физиком Волластоном попробовали сконструировать электрический двигатель, но потерпели неудачу. За решение этой сложной проблемы взялся Фарадей. Он продемонстрировал работоспособность сразу двух возможных конструкций электродвигателя. Фарадей научился превращать электрическую энергию в механическую!

— Наверное, это очень не понравилось Дэви и Волластону! — воскликнул Андрей.

— Да. Они даже стали обвинять Майкла в плагиате. Фарадею эти склоки были настолько неприятны, что он попросту перестал работать в области электродинамики и переключился на другие научные проблемы. К электрическим опытам он вернулся, когда обоих его оппонентов уже не было в живых.

В 1831 году Майкл совершил революцию в области электродинамики — открыл электромагнитную индукцию (способ превращения магнитного поля в электричество).

— А как он это сделал? — поинтересовалась Галатея. Джерри призадумался, но быстро нашёлся:

— А я сейчас вам покажу! У вас есть магнит?

— Конечно, есть! — воскликнул Андрей, и они стали копаться в большом ящике с игрушками.

— Отлично! — сказал Джерри, держа в руках подковообразный магнит. — Это лучшая детская игрушка всех времён. Теперь нам нужны провода и какой-нибудь простенький вольтметр или любой другой измеритель тока.

— Лапок дохлых лягушек у нас нет! — пошутила Галатея.

— Тогда вот этот приборчик сойдёт, — показал Джерри на найденный вольтметр, который Андрей использовал в электрических схемах, собираемых на уроках физики.

— Теперь сделаем катушку в сотню витков, а лучше ещё больше… — Джерри стал наматывать тонкий провод вокруг пустого пластикового стаканчика — и присоединим её свободные концы к вольтметру.

— И это всё? — удивилась Галатея.

— Да! — подтвердил Джерри. — Теперь мы можем приступать к опытам.

Он взял в руки магнит и опустил его конец в стаканчик. В этот момент стрелка вольтметра дёрнулась и переместилась в сторону на несколько милливольт.

— Я видела, видела! — завопила в восторге Галатея. — Появился ток!

— У тебя острый глаз! — похвалил девочку Джерри. — Теперь вытащи магнит.

Галатея быстро выдернула магнит из стаканчика — и стрелка вольтметра снова дёрнулась, только в обратную сторону.

— Я — настоящий Фарадей! — воскликнула Галатея. И они начали экспериментировать с новой игрушкой, вернее, с новым научным прибором.

Джерри сказал, глядя на увлечённых детей:

— Фарадей доказал: изменение величины магнитного поля, пронизывающего замкнутый проводник, заставляет заряды в проводе двигаться, создаёт в нём электрический ток. Если собрать прибор, способный периодически изменять магнитное поле, пронизывающее катушку, то это будет электрический генератор — источник тока, во многих отношениях превосходящий батарею Вольты. С помощью простых предметов Фарадей создал прототип электрогенератора, который до сих пор служит главным источником получения электрического тока. По такому же принципу работают электрогенераторы, вращаемые огромными турбинами, на гидроэлектростанциях, на тепловых и на атомных станциях, вырабатывающих электрический ток.

— А электромоторы в автомобилях тоже придумал Фарадей?

— Он показал, как из электричества получать механическую энергию. В его опыте свободно висящий провод окунался в ванночку с ртутью, в середине которой был установлен магнит. Когда по проводу шёл ток, он начинал вращаться вокруг магнита. Но от этой конструкции до электродвигателя современного типа было ещё очень далеко. И всё же первым, кто доказал, что дракона можно заставить крутить колёса и винты, был Фарадей. Его имя стало всемирно известным, академии разных стран выбирали его своим почётным членом.

— Так-так, — закивала головой Галатея. — Из рассыльного книжного магазина — в академики! Здорово!

— Ещё как здорово, но, несмотря на головокружительный взлёт в науке, Фарадей оставался исключительно скромным человеком. Он отклонил честь быть возведённым в рыцарское достоинство, а рыцарей почитали и даже хоронили в Вестминстерском аббатстве, где покоятся английские короли и сам Исаак Ньютон. Фарадей дважды отказался от должности председателя Королевского общества — высшего научного поста в Великобритании. Он был полностью сосредоточен на науке и уклонялся от всего, что мешало ему ею заниматься.

За годы работы Фарадей поставил около 30 тысяч экспериментов. В течение 24 лет он проводил опыты по электричеству и магнетизму и посылал их описания в Лондонское королевское общество. Именно эти работы совершили революцию в электродинамике.

Одно из главных достижений Фарадея, имеющее теоретический характер, состоит в том, что он ввёл в науку понятие физического поля, что кардинально отличало электродинамику от теории гравитации Ньютона.

— Но ведь у Ньютона тоже было поле, только гравитационное. В чём же их различие? — спросил Андрей.

— Ньютоновская теория основана на дальнодействии. Это значит, что каждое гравитирующее тело, например Юпитер, действует на другое тело, например на Сатурн, мгновенно на любом расстоянии.

— Но ведь это не так! — удивился Андрей. — Ничто не может действовать быстрее скорости света, а между Юпитером и Сатурном расстояние в несколько световых часов.

— Во времена Ньютона о конечной скорости взаимодействия никто не знал. Поэтому Ньютон исходил из бесконечной или мгновенной скорости передачи гравитационного взаимодействия. Его теория работала практически всегда хорошо, и её придерживались вплоть до начала XX века, пока Альберт Эйнштейн не построил свою теорию гравитации, согласно которой скорость распространения гравитационного поля ограничивается скоростью света.

Учёные XIX века представляли себе пространство между гравитирующими телами пустым. Фарадей считал, что пространство между зарядами и магнитами заполнено полем или средой с особыми нитями — силовыми линиями. В электродинамике не было мгновенного взаимодействия между зарядами: один заряд воздействовал на поле, оно менялось, и это изменение «чувствовал» другой заряд.

— Это не совсем понятно, — заёрзала Галатея.

— Свяжи два шарика ниткой и повесь на крючок. Потяни один шарик вниз. Как он будет воздействовать на другой шарик? Через нитку, которая стала «передавать» взаимодействие и заставлять другой шарик двигаться вверх.

Электромагнитное поле, согласно Фарадею, стало переносчиком взаимодействия между зарядами, и эта концепция является основой современной физики. С помощью своих опытов Фарадей открыл основные законы электродинамики и создал первые образцы электрического двигателя, электрогенератора и трансформатора. Тем самым он заложил фундамент современной электрической цивилизации.

Однажды член парламента, будущий премьер-министр Великобритании Уильям Гладстон, спросил Фарадея:

— Чем же так важно это ваше электричество?

— Скоро вы будете обкладывать его налогами, — ответил Фарадей.

— А кто продолжил его дело? — у Галатеи горели глаза от нетерпения.

— Эстафету подхватил британский физик-теоретик шотландского происхождения Джеймс Максвелл, который превратил законы Фарадея в математические уравнения, названные в его честь законами электродинамики Максвелла. Джеймс послал свою работу Фарадею. Тот сразу откликнулся:

«Мой дорогой сэр, я получил Вашу статью и очень благодарен Вам за неё… Эта работа не только приятна мне, но и даёт мне стимул к дальнейшим размышлениям. Я поначалу испугался, увидев, какая мощная сила математики приложена к предмету, а затем удивился тому, насколько хорошо предмет её выдержал…»

Напряжённые исследования, которые часто были связаны с использованием вредных веществ, например ртути, подорвали здоровье Фарадея. В 1862 году он оставил работу и лишился жалования. Нехотя, лишь под воздействием общественного мнения, премьер-министр назначил ему небольшую пенсию.

— Безобразие! — возмутилась Галатея. — Учёный, который столько сделал для людей и для своей страны, остался нищим.

Джерри вздохнул:

— Увы, это обычная история жизни многих великих людей. Для Фарадея она закончилась относительно благополучно: он получил от королевы в подарок дом в Хэмптон-Корте, по соседству с одним из королевских дворцов в Лондоне. В этом доме он прожил остаток своих лет с любимой супругой Сарой. Сейчас там музей.

Научные достижения Фарадея высоко ценили многие выдающиеся личности. Немецкий физик Герман Гельмгольц высказался просто: «До тех пор, пока люди пользуются благами электричества, они всегда будут с благодарностью вспоминать имя Фарадея». А самый известный физик XX века Альберт Эйнштейн заявил: «Со времени обоснования теоретической физики Ньютоном наибольшие изменения в её теоретических основах, другими словами, в нашем представлении о структуре реальности, были достигнуты благодаря исследованиям электромагнитных явлений Фарадеем и Максвеллом». Ему же принадлежат слова: «…надо иметь могучий дар научного предвидения, чтобы распознать, что в описании электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами».

Завершая вечернюю сказку, Джерри подытожил:

— Майкл Фарадей входит в десятку, а может быть, и в пятёрку самых влиятельных учёных в истории, но он единственный из них, кто не получил формального образования, а оказался самоучкой. В этом смысле Фарадей уникален.

Андрей задумался и стал размышлять:

— XVIII век — век электростатики, XIX — век электродинамики. А каким был XX век, ведь вся наука об электричестве уже была создана к его началу?

Джерри ответил:

— Благодаря трудам Франклина и Вольты, Фарадея и Максвелла, многих других учёных люди изучили характер «электрического дракона», измерили его силу, узнали его слабости. В ХХ веке на первый план вышли инженеры и изобретатели. Они стали конструировать различные устройства, которые заставили «электрического дракона» работать на людей, так что XX век стал веком электрических машин.

Магнитное поле — урок. Физика, 8 класс.

Одним из свойств электрического тока является магнитное поле, оно возникает при протекании тока по проводнику.

Пример:

При прохождении тока по двум параллельно расположенным проводникам между проводниками возникают силы взаимодействия, которые называются магнитными силами. Действие этих сил может привести к деформации проводников (см. рисунок).

Для изучения магнитного действия тока используют магнитную стрелку.

Обрати внимание!

У магнитной стрелки есть два полюса — северный (обозначается буквой \(N\), окрашен в синий цвет) и южный (обозначается буквой \(S\), окрашен в красный цвет).

Линию, соединяющую полюсы магнитной стрелки, называют её осью.

Магнитную стрелку ставят на заостренный коней иглы или булавки, чтобы она могла свободно поворачиваться вокруг своей оси (в горизонтальной плоскости).

Проведем опыт, который первым реализовал Эрстед в 1820 году.

 Эрстед Ханс Кристиан

Для опыта понадобится источник тока, реостат, ключ, провода и магнитная стрелка на подставке. В начальный момент магнитная стрелка располагается под проводом параллельно ему.

При замыкании цепи магнитная стрелка отклоняется от своего первоначального положения. При размыкании цепи магнитная стрелка возвращается в своё начальное положение. Это означает, что проводник с током и магнитная стрелка взаимодействуют друг с другом.

Опыт Эрстеда подтверждает существование вокруг проводника с электрическим током магнитного поля, которое и действует на магнитную стрелку, отклоняя её.

Обрати внимание!

Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током, т.е. вокруг движущихся электрических зарядов. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.

Опыт Эрстеда устанавливает связь между электрическими и магнитными явлениями. О существовании такой связи догадывались ещё первые исследователи, которых поражала аналогия электрических и магнитных явлений, например, притягивание и отталкивание: в электричестве — разноимённых и одноимённых зарядов, а в магнетизме — разноимённых и одноимённых полюсов.

Таким образом, подводя итог выше сказанному, заполним таблицу:

неподвижные электрические заряды создают 

движущиеся электрические заряды создают 

Поле

 электрическое

электрическое и магнитное

Это означает, что вокруг проводника с током (т. е. движущихся зарядов) существует как электрическое, так и магнитное поле. Поэтому электрический ток считают источником  магнитного поля.

“Катушка, вращающаяся в магнитном поле ”

    На юбилейной 20 научно-практической конференции “Шаг в будущее” учащийся 9 класса ГАООРТ ГЛРТ Менги Сан-оол с работой “Катушка, вращающаяся в магнитном поле ” занял первое место в секции “Физика” под руководством учителя физики лицея Сергеевой Натальи Александровны.

    В наше время быт человека невозможно представить без применения электроэнергии. Получение, передача и использование переменного тока основано на взаимосвязи электрического и магнитного полей и, в частности, на явлении электромагнитной индукции. Открыл явление электромагнитной индукции Майкл Фарадей в 1831 году. Благодаря открытиям Майкла Фарадея в домах есть свет и тепло, функционируют индукционные и микроволновые печи, возможна сотовая связь. Закон электромагнитной индукции является одним из фундаментальных законов электромагнетизма.

Цель работы: Изготовить прибор для экспериментальной проверки закона электромагнитной индукции Фарадея.

Для достижения цели были решены задачи:

изучена информация по данной теме.
изготовлен прибор для демонстрации явления электромагнитной индукции.
экспериментально проверен закон электромагнитной индукции.
Своими опытами, М. Фарадей доказал, что при всяком изменении магнитного потока, в проводнике возникает индукционный ток.

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Чтобы экспериментально это подтвердить, нужно уметь измерять ЭДС индукции и скорость изменения магнитного потока. Последнее кажется наиболее трудным, так как нет приборов для измерения величины магнитного потока. Если виток вращать в однородном постоянном магнитном поле тогда магнитный поток через него будет периодически изменяться, и скорость этого изменения можно определить по угловой скорости вращения витка. Чтобы экспериментально подтвердить теорию, необходимо работать не с отдельным витком, а с катушкой, состоящей из множества витков, так как это увеличит ЭДС индукции. Возникающая в катушке из N витков ЭДС индукции в N раз больше, чем для одного витка. В качестве измерительного прибора применен светодиод. Светодиод — это малоинерционный полупроводниковый источник света, который зажигается при определенном пороговом напряжении. Светодиод начинает светиться, когда ЭДС индукции превышает напряжение зажигания.

Так как светодиоды пропускают ток только в одном направлении, катушка со светодиодами при вращении в магнитном поле обозначит две симметричные дуги разного цвета. Длина отрезка, соединяющего ближайшие концы светящихся дуг, обратно пропорциональна индукции магнитного поля и угловой скорости вращения в нем катушки. Если эксперимент подтвердит справедливость этого вывода, то тем самым будет обоснована справедливость закона электромагнитной индукции.

Экспериментальное оборудование.

Ход эксперимента

Опыт 1. К неподвижной катушке быстро подносили магнит. При этом один из светодиодов загорался. Если резко удаляли магнит от сердечника – загорался другой светодиод. Отсюда следует, что при изменении магнитного потока в катушке возникает ЭДС индукции, в зависимости от направления которой загорается синий или зеленый светодиод.

20Опыт 2. Катушка приводилась во вращение и к ней медленно приближался магнит. При этом возникали светящиеся дуги, разделенные промежутками. Отрезок, соединяющий эти промежутки, параллелен направлению магнитного поля. Светящиеся дуги становились ярче и увеличивались в размерах по мере роста скорости вращения катушки и приближения к ней магнита. При изменении направления вращения катушки или направления магнитного поля на противоположное разноцветные дуги меняются местами.

Заключение

Был собран прибор для демонстрации зависимости ЭДС индукции от скорости изменения магнитного потока. Прибор позволяет наглядно убедиться в зависимости ЭДС индукции от угла поворота витка в постоянном магнитном поле. Таким образом, поставленная цель была достигнута. Исследование по данной тематике, в перспективе, можно углубить и расширить. Например, исследовать вращение катушки в переменном магнитном поле, а также разработать компьютерную программу для исследования зависимости ЭДС индукции от угла поворота витка в постоянном магнитном поле при различных значениях скорости вращения витка и индукции магнитного поля.

Источники:

В. Майер, Р. Майер. Лаборатория на коленке. – М.: Бюро Квантум, 2009. – 160 с (Библиотечка «Квант». Вып. 112. Приложение к журналу «Квант» № 4/2009)

Физики открывают новый магнитоэлектрический эффект | Блоги

Электричество и магнетизм тесно связаны: линии электропередач создают магнитное поле, вращающиеся магниты в генераторе производят электричество. Однако это явление намного сложнее: электрические и магнитные свойства некоторых материалов также связаны друг с другом. На электрические свойства некоторых кристаллов могут влиять магнитные поля и наоборот. В этом случае говорят о «магнитоэлектрическом эффекте». Он играет важную технологическую роль, например, в некоторых типах датчиков или в поиске новых концепций хранения данных.

Был исследован специальный материал, для которого, на первый взгляд, вообще нельзя было ожидать магнитоэлектрического эффекта. Но тщательные эксперименты теперь показали, что этот эффект можно наблюдать в этом материале, только он работает совершенно иначе, чем обычно. Им можно управлять очень чувствительно: даже небольшие изменения направления магнитного поля могут переключить электрические свойства материала в совершенно другое состояние.

«Связаны ли электрические и магнитные свойства кристалла или нет, зависит от внутренней симметрии кристалла», – говорит профессор Андрей Пименов из Института физики твердого тела в Венском техническом университете. – Если кристалл обладает высокой степенью симметрии, например, если одна сторона кристалла является в точности зеркальным отображением другой стороны, то по теоретическим причинам магнитоэлектрический эффект быть не может».

Это касается кристалла, который сейчас подробно исследован – так называемого лангасита из лантана, галлия, кремния и кислорода, легированного атомами гольмия. «Кристаллическая структура настолько симметрична, что на самом деле не должна допускать никакого магнитоэлектрического эффекта. А в случае слабых магнитных полей действительно нет никакой связи с электрическими свойствами кристалла, – говорит Андрей Пименов. – Но если мы увеличим силу магнитного поля, произойдет нечто замечательное: атомы гольмия изменят свое квантовое состояние и приобретут магнитный момент. Это нарушит внутреннюю симметрию кристалла».

С чисто геометрической точки зрения кристалл по-прежнему симметричен, но также необходимо учитывать магнетизм атомов, а это нарушает симметрию. Следовательно, электрическая поляризация кристалла может быть изменена с помощью магнитного поля. «Поляризация – это когда положительный и отрицательный заряды в кристалле немного смещены друг относительно друга, – объясняет Пименов. – Этого легко добиться с помощью электрического поля, но из-за магнитоэлектрического эффекта это также возможно с помощью магнитного поля».

Чем сильнее магнитное поле, тем сильнее его влияние на электрическую поляризацию. «Связь между поляризацией и напряженностью магнитного поля примерно линейна, в этом нет ничего необычного, – говорит Андрей Пименов. – Однако примечательно то, что взаимосвязь между поляризацией и направлением магнитного поля сильно нелинейна. Если вы немного измените направление магнитного поля, поляризация может полностью перевернуться. Это новая форма магнитоэлектрического эффекта, которая ранее не была известна». Таким образом, небольшое вращение может решить, может ли магнитное поле изменить электрическую поляризацию кристалла или нет.

«Магнитоэлектрический эффект будет играть все более важную роль в различных технологических приложениях, – говорит Андрей Пименов. – На следующем этапе мы попытаемся изменить магнитные свойства с помощью электрического поля вместо изменения электрических свойств с помощью магнитного поля. В принципе, это должно быть возможно точно так же».
Если это удастся, это будет новый многообещающий способ хранения данных в твердых телах. «В магнитных запоминающих устройствах, таких как компьютерные жесткие диски, сегодня необходимы магнитные поля, – объясняет Пименов. – Они генерируются с помощью магнитных катушек, что требует относительно большого количества энергии и времени. Если бы существовал прямой способ переключения магнитных свойств твердотельной памяти с помощью электрического поля, это было бы прорывом».

Замовлення хмари в декілька кліків. UCloud запустив хмарний чат бот!

Магнитное поле: свойства и “парадоксы”

Электрическое и магнитное поля появились в электродинамике почти одновременно с зарождением самой электродинамики. М. Фарадей, а затем и Дж. Максвелл ввели эти понятия, чтобы исключить дальнодействие во взаимодействиях между электрическими зарядами. По мысли авторов поля представляли некоторые умозрительные модели, которые делали эти взаимодействия более наглядными и упрощали расчеты. Никаких представлений о природе этих полей не существовало. Под «полем» творцы электродинамики предполагали некоторую «деформацию» всепроникающей гипотетической среды – «эфира», заполняющей все мировое пространство. Хотя мировому эфиру приходилось приписывать странные и противоречивые свойства, но в его существовании в середине 19-го века никто не сомневался.

Всякая мысленная модель обладает лишь теми свойствами, которыми, руководствуясь экспериментом, ее наделяет автор. Например, электрическое поле создается зарядами, «деформирующими» мировой эфир. Эта «деформация» приводит к тому, что в любой точке электрического поля на заряд действует сила, пропорциональная этому заряду. Коэффициент пропорциональности (напряженность поля E(r)) и стал единственной характеристикой электрического поля. Сложнее было с оценкой параметра, характеризующего интенсивность магнитного поля. Но и ему нашли определяющий параметр – напряженность магнитного поля H(r) , характеризующую «вращательную способность» поля (момент сил, действующий на единичный магнитный момент). Некоторое недоумение вызывала экспериментально обнаруженная связь между электрическими и магнитными явлениями. Можно было предполагать, что это – результат взаимодействия загадочных электрических и магнитных «деформаций» мирового эфира, природу которых удастся разгадать позднее.

В течение полувека обе модели исправно выполняли возложенную на них миссию. Эта благостная картина была разрушена в начале 20-го века, когда появилась специальная теория относительности (СТО). Эта теория отрицает существование избранной системы координат, каковой представлялся мировой эфир. Это понятие было исключено из научного обихода, и мировое пространство осталось абсолютно пустым. Лишенные материальной основы, поля «зависли в вакууме». Чеширский кот исчез, но осталась его «улыбка» – взаимодействие между полями, которое невозможно между мысленными понятиями. Снова появился призрак дальнодействия, ибо – согласно СТО – скорость движения ограничена лишь для материальных объектов. Чтобы сохранить СТО, пришлось «материализовать» электрическое и магнитное поля. Их наделили массой, импульсом, энергией и прочими атрибутами материальных объектов.

Вихревое ли магнитное поле?

Как же смотрится магнитное поле (МП) сегодня?

В школе нам объясняли, что линии напряженности магнитного поля замкнуты и представляют концентрические окружности вокруг провода с током. Поле, линии которого замкнуты, называется «вихревым». Став постарше, мы узнали, что вихревое поле характеризуется дифференциальным соотношением: div H=0 , что означает, что не существует магнитных «зарядов» – северного и южного «монополей». В точках пространства, занятого вихревым полем, существует «завихренность», что выражается зависимостью rot H≠0 . Дж. Максвелл ввел оба соотношения в систему дифференциальных уравнений электродинамики. Для стационарного магнитного поля второе соотношение было записано в виде

rot H=j,

(1)

где j – плотность электрического тока в данной точке поля.

Стационарное магнитное поле создается, например, проводом, по которому протекает постоянный электрический ток. МП тока заполняет все пространство, ослабевая (обратно пропорционально квадрату расстояния) с удалением от тока. Но – согласно уравнению (1) – «завихренность» существует лишь в тех точках, где j отлично от нуля, то есть в точках, принадлежащих проводу. Можно показать, что во всем остальном пространстве rot H≡0 . То есть во всем бесконечном пространстве, за исключением самого провода, магнитное поле не является вихревым! Вместе с тем отсутствие «магнитных зарядов» не позволяет ему быть и потенциальным. Что же это за странный объект, который не удовлетворяет ни одному из условий реального (материального) поля?

Математическая теория поля создавалась в рамках механики жидкостей и газа – для описания векторных полей скоростей и ускорений в моделях сплошной среды. Одним из положений теории поля является вывод, что в идеальной (невязкой) сплошной среде образование вихрей невозможно. И наоборот – вихри, изначально («от рождения») существовавшие в идеальной среде, должны существовать вечно и исчезнуть не могут (согласно закону сохранения момента импульса). Но авторы идеи «материализации» магнитного поля не наделили его вязкостью, ибо для этого не было (и не могло быть!) никаких экспериментальных оснований. Так в электродинамике появилось безвихревое «вихревое» магнитное поле. Иногда математическое понятие «вихревое поле» трактуют как пространство, в некоторых точках которого rot H≠0 . Такое понимание неприемлемо для магнитного поля. Точки, принадлежащие току – это особые точки, которые нельзя считать точками поля, как нельзя считать точками электрического поля заряды, его создающие.

Продолжим, однако, рассмотрение процессов, в которых участвует магнитное поле.

Взаимодействие МП с электрическими зарядами

Важнейшим взаимодействием в электродинамике является силовое взаимодействие МП с электрическими зарядами. Впервые это взаимодействие обнаружил Ампер в 1820 году. Он установил, что на провод с электрическим током в МП действует сила («сила Ампера»). Так как на провод без тока МП не действовало, то было очевидно, что сила Ампера – результат воздействия МП на движущиеся по проводу электроны. Анализируя эти результаты, Х. Лоренц построил теорию взаимодействия МП с одиночными заряженными частицами. Воздействие МП с магнитной индукцией B на частицу с зарядом q , движущуюся со скоростью v, определяется силой Лоренца

FL=q[v,B]

(2)

Никакая другая зависимость в электродинамике не вызывает столько вопросов, сомнений и возражений, как соотношение (2). Так как сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости частицы, то МП не может передать движущейся частице какую-либо энергию. Отсюда – широко распространенное убеждение, что магнитная сила работы над зарядом совершать не может. Это утверждение вызывает недоуменные вопросы: а какая же сила поднимает тонны металлолома с помощью электромагнитов? Какова природа «пондеромоторных» сил взаимодействия между проводами с токами? И, наконец, сила Ампера, «работающая» во всех электродвигателях, разве она не магнитная?

Большинство специалистов по электродинамике лукавят, «не замечая» это противоречие. Но некоторые авторы добросовестно пытаются объяснить этот «парадокс» (см., например, [1]). Чтобы не исказить авторскую мысль, приведем полностью это объяснение: «…роль сторонних сил, поддерживающих ток в контуре, играют магнитные силы. Работа этих сил над единичным положительным зарядом, равная по определению ЭДС, оказывается отличной от нуля. Это обстоятельство находится в кажущемся противоречии с высказанным … утверждением о том, что магнитная сила работы над зарядом совершать не может. Противоречие устраняется, если учесть, что представляет собой не полную магнитную силу, действующую на электрон, а лишь параллельную проводу составляющую этой силы, обусловленную скоростью . Под действием этой составляющей электрон приходит в движение вдоль провода»[1,с.177]).

Аккуратный анализ такого объяснения показывает, что оно не устраняет противоречие. Я не стану приводить здесь этот анализ. Ограничусь лишь мысленным экспериментом, менее «научным», но достаточно убедительным.

Допустим, в магнитном поле В со скоростью v1 движется проводник (Рис. 1). Чтобы создать ЭДС, нужно переместить свободные заряды (электроны) на конец проводника. Для этого сила Лоренца должна сообщить им некоторую скорость v2 вдоль проводника. Но именно это сила Лоренца сделать и не может: с появлением составляющей v2 скорость электрона стала бы равной v0>v1, что противоречит зависимости (2).

К силе Лоренца много претензий и у классической механики. Согласно зависимости (2) сила Лоренца в однородном магнитном поле «сворачивает» траекторию заряженной частицы в окружность, сохраняя при этом скорость частицы (ее кинетическую энергию). Но – согласно классической механике – материальный объект массой m , вращающийся с угловой скоростью ω, кроме поступательной энергии mv2⁄2 имеет еще и вращательную составляющую 2⁄2 , где J – момент инерции тела. Откуда она возьмется? Так что у силы Лоренца, похоже, нелады с законом сохранения энергии… Нетрудно понять, что зависимость (2) нарушает и другие законы сохранения – импульса, момента импульса, а в самом взаимодействии отсутствует сила, ответная силе Лоренца, которая ей «полагается» по 3-му закону Ньютона. Все эти соображения привели некоторых специалистов к заключению, что в электромагнитных взаимодействиях законы механики не работают (?!).

Таким образом, существующие представления о природе электромагнитных взаимодействий исключают возможность генерации ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле! Но такая генерация – экспериментальный факт, который сегодня широко используется на практике! Специалисты-практики пользуются другими представлениями о природе электромагнитных взаимодействий. При этом они руководствуются исходными идеями, сформулированными еще основоположниками электродинамики. Вот что писал о свойствах магнитного (и электрического) полей Дж. Максвелл:

« открыл, что в среде имеет место некоторое состояние напряжений, проявляющееся в натяжении, подобном натяжению веревки, в направлении силовых линий, соединенном с давлением во всех направлениях, к ним перпендикулярных»[2].

В электротехнике силы притяжения магнитов давно рассматриваются как «натяжение» силовых линий, а силы притяжения/отталкивания токов объясняют «давлением», возникающим в неоднородных магнитных полях. «Упругими» свойствами линий поля объясняются механические воздействия на проводники с током в электромагнитном поле (так называемые «пондеромоторные силы»).

На рисунке 2,а показана положительно заряженная частица, движущаяся от нас в однородном магнитном поле B0 . Она создает собственное магнитное поле B1 , которое, складываясь с полем B0 , образует неоднородное результирующее поле B=B0+B1 , градиент которого направлен вниз – в сторону более сильного поля. Это поле напоминает поле, представленное на рисунке 2,б. Рисунок взят из учебника Калашникова [3]. Так автор объясняет природу пондеромоторных сил, старающихся деформировать соленоид с током. Эта картинка отражает тот же механизм, что и рисунок 2,а. Разница лишь в том, что рисунок 2,б иллюстрирует взаимодействие магнитного поля и проводника с током – силу Ампера, а на рисунке 2,а показано взаимодействие магнитного поля с полем одиночного движущегося заряда. В таком поле существует градиент магнитного «давления». В результате на заряд действует сила FM, направленная противоположно этому градиенту. Можно показать, что по величине и направлению эта сила совпадает с силой Лоренца. Но это совпадение – лишь количественное. В отличие от силы Лоренца сила FM – это сила магнитного давления, которая может совершать работу над движущимися заряженными частицами, обращая эту работу в ЭДС.

Магнитное поле не может непосредственно воздействовать ни на неподвижный, ни на движущийся электрический заряд. Если оставаться в рамках существующей модели, можно предположить, что собственное магнитное поле движущегося заряда выступает в этом взаимодействии в роли «посредника», который передает усилие от внешнего поля заряду. Тогда взаимодействия магнитного поля с электрическими зарядами сводятся к силовому взаимодействию между магнитными полями. Таким образом, электромагнитные взаимодействия, которые мы сегодня условно называем «магнитными силами», следует считать истинно магнитными. В стороне остается вопрос, как это взаимодействие между магнитными полями передается собственно заряженной частице. Разрешение этой проблемы выходит за рамки данного исследования.

Замена силы Лоренца силой магнитного давления – это лишь «косметический ремонт» модели магнитного поля, который не может устранить принципиальные недостатки этой модели. Например, выполнение законов механики в электромагнитных взаимодействиях возможно лишь в том случае, если магнитное поле имеет массу, что противоречит здравому смыслу.

Есть ли «структура» у магнитного поля?

«Двуликая» природа ЭМИ тесно связана с представлениями о «структуре» магнитного поля. По мысли творцов электродинамики эта «структура» задается линиями поля. Объяснение явления ЭМИ «способом пересечения» предполагает у магнитного поля наличие такой структуры. «Теория взаимодействия полей» не нуждается в представлении магнитного поля «силовыми линиями». Поэтому сторонники этой теории считают магнитное поле бесструктурным. Одним из таких сторонников был академик И.Е. Тамм. Критикуя «механизм пересечения», он писал:

«… такая интерпретация не выдерживает никакой критики: силовые линии являются лишь вспомогательным понятием, … а не какими-либо материальными образованиями, отдельные элементы которых можно было бы индивидуализировать…»[4].

То есть, понимая, что магнитное поле – категория нематериальная, автор, тем не менее, не считает возможным мысленно наделить ее некоторой «структурой». (Между строк заметим, что эта точка зрения не помешала в свое время «материализовать» МП, присвоив ему массу, импульс и прочие свойства материального объекта!).

Мы показали, что разрешить некоторые «парадоксы» ЭМИ возможно лишь с помощью механизма пересечения, для которого структурированность магнитного поля – обязательное условие. Из-за того, что в электродинамике уже более 100 лет господствует “теория взаимодействия полей”, долго не находили разрешения классические «парадоксы»– Геринга и Фарадея.

Все эти проблемы снимаются, если допустить, что магнитное поле имеет «структуру», а магнитные силы – это силы «натяжения и давления» силовых линий.

Магнитное поле в космосе

Одним из основных выводов из системы уравнений Максвелла является предсказание существования электромагнитных волн (ЭМВ) и его гениальная догадка, что свет имеет электромагнитную природу. Вместе со светом электромагнитные взаимодействия «вышли в космос». Новое «рабочее место» потребовало от магнитного поля новых «способностей».

Мы видели, что большинство «парадоксов» в электродинамике связано с идеей «взаимодействия полей». Альтернативой этой теории является «механизм пересечения», который предполагает участие заряженных частиц. Но СТО утверждает, что межзвездное пространство пусто! В космосе нет (ну – почти нет!) заряженных частиц. Как же электромагнитные волны могут распространяться в пустом пространстве? Как в пустоте образуется ток, создающий магнитное поле – магнитную составляющую электромагнитных волн? И как в вакууме работает «механизм пересечения», генерирующий электрическую компоненту ЭМВ?

Стоит лишь удивляться (восторгаться!) изобретательности теоретиков, которые, пренебрегая законами природы и здравым смыслом, все-таки «решили» все эти проблемы. Но это – отдельный разговор. Об истории этих «изысканий», о новых свойствах, которыми наделили магнитное (и электрическое) поле теоретики и о новых «парадоксах», к которым привели эти разработки, мы расскажем позже. А пока обратимся к электрическому полю.

Далее: Вихревое электрическое поле.

Ссылки

[1] Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. — М.: Наука, 1978. — С. 177.
[2] Максвелл Д.К. Статьи и речи. — М.: Наука, 1968. — С. 59.
[3] Калашников С.К. Электричество: Учеб. пособие. — 6-е изд. — М.: Физматлит, 2004. — С. 191.
[4] Тамм И.Е. Основы теории электричества: Учеб. пособие для вузов. — М.: Физматлит, 2003. — С. 546.

Магнитное поле: свойства и “парадоксы”

Электрическое и магнитное поля появились в электродинамике почти одновременно с зарождением самой электродинамики. М. Фарадей, а затем и Дж. Максвелл ввели эти понятия, чтобы исключить дальнодействие во взаимодействиях между электрическими зарядами. По мысли авторов поля представляли некоторые умозрительные модели, которые делали эти взаимодействия более наглядными и упрощали расчеты. Никаких представлений о природе этих полей не существовало. Под «полем» творцы электродинамики предполагали некоторую «деформацию» всепроникающей гипотетической среды – «эфира», заполняющей все мировое пространство. Хотя мировому эфиру приходилось приписывать странные и противоречивые свойства, но в его существовании в середине 19-го века никто не сомневался.

Всякая мысленная модель обладает лишь теми свойствами, которыми, руководствуясь экспериментом, ее наделяет автор. Например, электрическое поле создается зарядами, «деформирующими» мировой эфир. Эта «деформация» приводит к тому, что в любой точке электрического поля на заряд действует сила, пропорциональная этому заряду. Коэффициент пропорциональности (напряженность поля E(r)) и стал единственной характеристикой электрического поля. Сложнее было с оценкой параметра, характеризующего интенсивность магнитного поля. Но и ему нашли определяющий параметр – напряженность магнитного поля H(r) , характеризующую «вращательную способность» поля (момент сил, действующий на единичный магнитный момент). Некоторое недоумение вызывала экспериментально обнаруженная связь между электрическими и магнитными явлениями. Можно было предполагать, что это – результат взаимодействия загадочных электрических и магнитных «деформаций» мирового эфира, природу которых удастся разгадать позднее.

В течение полувека обе модели исправно выполняли возложенную на них миссию. Эта благостная картина была разрушена в начале 20-го века, когда появилась специальная теория относительности (СТО). Эта теория отрицает существование избранной системы координат, каковой представлялся мировой эфир. Это понятие было исключено из научного обихода, и мировое пространство осталось абсолютно пустым. Лишенные материальной основы, поля «зависли в вакууме». Чеширский кот исчез, но осталась его «улыбка» – взаимодействие между полями, которое невозможно между мысленными понятиями. Снова появился призрак дальнодействия, ибо – согласно СТО – скорость движения ограничена лишь для материальных объектов. Чтобы сохранить СТО, пришлось «материализовать» электрическое и магнитное поля. Их наделили массой, импульсом, энергией и прочими атрибутами материальных объектов.

Вихревое ли магнитное поле?

Как же смотрится магнитное поле (МП) сегодня?

В школе нам объясняли, что линии напряженности магнитного поля замкнуты и представляют концентрические окружности вокруг провода с током. Поле, линии которого замкнуты, называется «вихревым». Став постарше, мы узнали, что вихревое поле характеризуется дифференциальным соотношением: div H=0 , что означает, что не существует магнитных «зарядов» – северного и южного «монополей». В точках пространства, занятого вихревым полем, существует «завихренность», что выражается зависимостью rot H≠0 . Дж. Максвелл ввел оба соотношения в систему дифференциальных уравнений электродинамики. Для стационарного магнитного поля второе соотношение было записано в виде

rot H=j,

(1)

где j – плотность электрического тока в данной точке поля.

Стационарное магнитное поле создается, например, проводом, по которому протекает постоянный электрический ток. МП тока заполняет все пространство, ослабевая (обратно пропорционально квадрату расстояния) с удалением от тока. Но – согласно уравнению (1) – «завихренность» существует лишь в тех точках, где j отлично от нуля, то есть в точках, принадлежащих проводу. Можно показать, что во всем остальном пространстве rot H≡0 . То есть во всем бесконечном пространстве, за исключением самого провода, магнитное поле не является вихревым! Вместе с тем отсутствие «магнитных зарядов» не позволяет ему быть и потенциальным. Что же это за странный объект, который не удовлетворяет ни одному из условий реального (материального) поля?

Математическая теория поля создавалась в рамках механики жидкостей и газа – для описания векторных полей скоростей и ускорений в моделях сплошной среды. Одним из положений теории поля является вывод, что в идеальной (невязкой) сплошной среде образование вихрей невозможно. И наоборот – вихри, изначально («от рождения») существовавшие в идеальной среде, должны существовать вечно и исчезнуть не могут (согласно закону сохранения момента импульса). Но авторы идеи «материализации» магнитного поля не наделили его вязкостью, ибо для этого не было (и не могло быть!) никаких экспериментальных оснований. Так в электродинамике появилось безвихревое «вихревое» магнитное поле. Иногда математическое понятие «вихревое поле» трактуют как пространство, в некоторых точках которого rot H≠0 . Такое понимание неприемлемо для магнитного поля. Точки, принадлежащие току – это особые точки, которые нельзя считать точками поля, как нельзя считать точками электрического поля заряды, его создающие.

Продолжим, однако, рассмотрение процессов, в которых участвует магнитное поле.

Взаимодействие МП с электрическими зарядами

Важнейшим взаимодействием в электродинамике является силовое взаимодействие МП с электрическими зарядами. Впервые это взаимодействие обнаружил Ампер в 1820 году. Он установил, что на провод с электрическим током в МП действует сила («сила Ампера»). Так как на провод без тока МП не действовало, то было очевидно, что сила Ампера – результат воздействия МП на движущиеся по проводу электроны. Анализируя эти результаты, Х. Лоренц построил теорию взаимодействия МП с одиночными заряженными частицами. Воздействие МП с магнитной индукцией B на частицу с зарядом q , движущуюся со скоростью v, определяется силой Лоренца

FL=q[v,B]

(2)

Никакая другая зависимость в электродинамике не вызывает столько вопросов, сомнений и возражений, как соотношение (2). Так как сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости частицы, то МП не может передать движущейся частице какую-либо энергию. Отсюда – широко распространенное убеждение, что магнитная сила работы над зарядом совершать не может. Это утверждение вызывает недоуменные вопросы: а какая же сила поднимает тонны металлолома с помощью электромагнитов? Какова природа «пондеромоторных» сил взаимодействия между проводами с токами? И, наконец, сила Ампера, «работающая» во всех электродвигателях, разве она не магнитная?

Большинство специалистов по электродинамике лукавят, «не замечая» это противоречие. Но некоторые авторы добросовестно пытаются объяснить этот «парадокс» (см., например, [1]). Чтобы не исказить авторскую мысль, приведем полностью это объяснение: «…роль сторонних сил, поддерживающих ток в контуре, играют магнитные силы. Работа этих сил над единичным положительным зарядом, равная по определению ЭДС, оказывается отличной от нуля. Это обстоятельство находится в кажущемся противоречии с высказанным … утверждением о том, что магнитная сила работы над зарядом совершать не может. Противоречие устраняется, если учесть, что представляет собой не полную магнитную силу, действующую на электрон, а лишь параллельную проводу составляющую этой силы, обусловленную скоростью . Под действием этой составляющей электрон приходит в движение вдоль провода»[1,с.177]).

Аккуратный анализ такого объяснения показывает, что оно не устраняет противоречие. Я не стану приводить здесь этот анализ. Ограничусь лишь мысленным экспериментом, менее «научным», но достаточно убедительным.

Допустим, в магнитном поле В со скоростью v1 движется проводник (Рис. 1). Чтобы создать ЭДС, нужно переместить свободные заряды (электроны) на конец проводника. Для этого сила Лоренца должна сообщить им некоторую скорость v2 вдоль проводника. Но именно это сила Лоренца сделать и не может: с появлением составляющей v2 скорость электрона стала бы равной v0>v1, что противоречит зависимости (2).

К силе Лоренца много претензий и у классической механики. Согласно зависимости (2) сила Лоренца в однородном магнитном поле «сворачивает» траекторию заряженной частицы в окружность, сохраняя при этом скорость частицы (ее кинетическую энергию). Но – согласно классической механике – материальный объект массой m , вращающийся с угловой скоростью ω, кроме поступательной энергии mv2⁄2 имеет еще и вращательную составляющую 2⁄2 , где J – момент инерции тела. Откуда она возьмется? Так что у силы Лоренца, похоже, нелады с законом сохранения энергии… Нетрудно понять, что зависимость (2) нарушает и другие законы сохранения – импульса, момента импульса, а в самом взаимодействии отсутствует сила, ответная силе Лоренца, которая ей «полагается» по 3-му закону Ньютона. Все эти соображения привели некоторых специалистов к заключению, что в электромагнитных взаимодействиях законы механики не работают (?!).

Таким образом, существующие представления о природе электромагнитных взаимодействий исключают возможность генерации ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле! Но такая генерация – экспериментальный факт, который сегодня широко используется на практике! Специалисты-практики пользуются другими представлениями о природе электромагнитных взаимодействий. При этом они руководствуются исходными идеями, сформулированными еще основоположниками электродинамики. Вот что писал о свойствах магнитного (и электрического) полей Дж. Максвелл:

« открыл, что в среде имеет место некоторое состояние напряжений, проявляющееся в натяжении, подобном натяжению веревки, в направлении силовых линий, соединенном с давлением во всех направлениях, к ним перпендикулярных»[2].

В электротехнике силы притяжения магнитов давно рассматриваются как «натяжение» силовых линий, а силы притяжения/отталкивания токов объясняют «давлением», возникающим в неоднородных магнитных полях. «Упругими» свойствами линий поля объясняются механические воздействия на проводники с током в электромагнитном поле (так называемые «пондеромоторные силы»).

На рисунке 2,а показана положительно заряженная частица, движущаяся от нас в однородном магнитном поле B0 . Она создает собственное магнитное поле B1 , которое, складываясь с полем B0 , образует неоднородное результирующее поле B=B0+B1 , градиент которого направлен вниз – в сторону более сильного поля. Это поле напоминает поле, представленное на рисунке 2,б. Рисунок взят из учебника Калашникова [3]. Так автор объясняет природу пондеромоторных сил, старающихся деформировать соленоид с током. Эта картинка отражает тот же механизм, что и рисунок 2,а. Разница лишь в том, что рисунок 2,б иллюстрирует взаимодействие магнитного поля и проводника с током – силу Ампера, а на рисунке 2,а показано взаимодействие магнитного поля с полем одиночного движущегося заряда. В таком поле существует градиент магнитного «давления». В результате на заряд действует сила FM, направленная противоположно этому градиенту. Можно показать, что по величине и направлению эта сила совпадает с силой Лоренца. Но это совпадение – лишь количественное. В отличие от силы Лоренца сила FM – это сила магнитного давления, которая может совершать работу над движущимися заряженными частицами, обращая эту работу в ЭДС.

Магнитное поле не может непосредственно воздействовать ни на неподвижный, ни на движущийся электрический заряд. Если оставаться в рамках существующей модели, можно предположить, что собственное магнитное поле движущегося заряда выступает в этом взаимодействии в роли «посредника», который передает усилие от внешнего поля заряду. Тогда взаимодействия магнитного поля с электрическими зарядами сводятся к силовому взаимодействию между магнитными полями. Таким образом, электромагнитные взаимодействия, которые мы сегодня условно называем «магнитными силами», следует считать истинно магнитными. В стороне остается вопрос, как это взаимодействие между магнитными полями передается собственно заряженной частице. Разрешение этой проблемы выходит за рамки данного исследования.

Замена силы Лоренца силой магнитного давления – это лишь «косметический ремонт» модели магнитного поля, который не может устранить принципиальные недостатки этой модели. Например, выполнение законов механики в электромагнитных взаимодействиях возможно лишь в том случае, если магнитное поле имеет массу, что противоречит здравому смыслу.

Есть ли «структура» у магнитного поля?

«Двуликая» природа ЭМИ тесно связана с представлениями о «структуре» магнитного поля. По мысли творцов электродинамики эта «структура» задается линиями поля. Объяснение явления ЭМИ «способом пересечения» предполагает у магнитного поля наличие такой структуры. «Теория взаимодействия полей» не нуждается в представлении магнитного поля «силовыми линиями». Поэтому сторонники этой теории считают магнитное поле бесструктурным. Одним из таких сторонников был академик И.Е. Тамм. Критикуя «механизм пересечения», он писал:

«… такая интерпретация не выдерживает никакой критики: силовые линии являются лишь вспомогательным понятием, … а не какими-либо материальными образованиями, отдельные элементы которых можно было бы индивидуализировать…»[4].

То есть, понимая, что магнитное поле – категория нематериальная, автор, тем не менее, не считает возможным мысленно наделить ее некоторой «структурой». (Между строк заметим, что эта точка зрения не помешала в свое время «материализовать» МП, присвоив ему массу, импульс и прочие свойства материального объекта!).

Мы показали, что разрешить некоторые «парадоксы» ЭМИ возможно лишь с помощью механизма пересечения, для которого структурированность магнитного поля – обязательное условие. Из-за того, что в электродинамике уже более 100 лет господствует “теория взаимодействия полей”, долго не находили разрешения классические «парадоксы»– Геринга и Фарадея.

Все эти проблемы снимаются, если допустить, что магнитное поле имеет «структуру», а магнитные силы – это силы «натяжения и давления» силовых линий.

Магнитное поле в космосе

Одним из основных выводов из системы уравнений Максвелла является предсказание существования электромагнитных волн (ЭМВ) и его гениальная догадка, что свет имеет электромагнитную природу. Вместе со светом электромагнитные взаимодействия «вышли в космос». Новое «рабочее место» потребовало от магнитного поля новых «способностей».

Мы видели, что большинство «парадоксов» в электродинамике связано с идеей «взаимодействия полей». Альтернативой этой теории является «механизм пересечения», который предполагает участие заряженных частиц. Но СТО утверждает, что межзвездное пространство пусто! В космосе нет (ну – почти нет!) заряженных частиц. Как же электромагнитные волны могут распространяться в пустом пространстве? Как в пустоте образуется ток, создающий магнитное поле – магнитную составляющую электромагнитных волн? И как в вакууме работает «механизм пересечения», генерирующий электрическую компоненту ЭМВ?

Стоит лишь удивляться (восторгаться!) изобретательности теоретиков, которые, пренебрегая законами природы и здравым смыслом, все-таки «решили» все эти проблемы. Но это – отдельный разговор. Об истории этих «изысканий», о новых свойствах, которыми наделили магнитное (и электрическое) поле теоретики и о новых «парадоксах», к которым привели эти разработки, мы расскажем позже. А пока обратимся к электрическому полю.

Далее: Вихревое электрическое поле.

Ссылки

[1] Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. — М.: Наука, 1978. — С. 177.
[2] Максвелл Д.К. Статьи и речи. — М.: Наука, 1968. — С. 59.
[3] Калашников С.К. Электричество: Учеб. пособие. — 6-е изд. — М.: Физматлит, 2004. — С. 191.
[4] Тамм И.Е. Основы теории электричества: Учеб. пособие для вузов. — М.: Физматлит, 2003. — С. 546.

Урок 4. магнитные свойства вещества. электроизмерительные приборы – Физика – 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 4. Магнитные свойства вещества. Электроизмерительные приборы

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1. Магнитные свойства вещества.

2. Свойства диа-, пара- и ферромагнетиков.

3. Принцип действия электроизмерительных приборов.

Глоссарий по теме:

Магнитная проницаемость – это физическая скалярная величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данном веществе отличается от индукции магнитного поля в вакууме.

Диамагнетики – вещества, у которых магнитная проницаемость чуть меньше единицы. К таким веществам относятся золото, серебро, углерод, висмут.

Парамагнетики – вещества, у которых магнитная проницаемость чуть больше единицы. Это алюминий, вольфрам, щелочные металлы, магний, платина.

Ферромагнетики – вещества у которых магнитная проницаемость много больше единицы. Это железо, никель, кобальт, и сплавы металлов.

Точка Кюри – температура, при которой ферромагнетики теряют ферромагнитные свойства.

Ферриты – ферромагнитные материалы, не проводящие электрического тока.

Основная и дополнительная литература по теме:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С. 27-30.

2.Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. С. 113.

3. ЕГЭ 2017. Физика. 1000 задач с ответами и решениями. Демидова М.Ю., Грибов В.А., Гиголо А.И. М.: Экзамен, 2017.

Теоретический материал для самостоятельного изучения.

Все вещества в окружающей нас природе в какой – то мере обладают магнитными свойствами. Ещё с глубокой древности была известна способность некоторых минералов притягивать железные предметы. Среди многих приборов навигации, необходимых для прокладывания курса кораблей или самолётов, обязательно должен быть и магнитный компас. Во многих измерительных приборах основными деталями служат постоянные магниты. Что же происходит с веществом, помещённом в магнитное поле? Вспомним, как магнитные свойства катушки, по которой течёт ток, усиливаются, если в катушку вставлен железный сердечник. Железный сердечник намного увеличивает магнитное поле в катушке с током. Мы знаем, что вокруг катушки с электрическим током возникает магнитное поле, а железный сердечник, создаёт своё магнитное поле и, согласно принципу суперпозиции полей, векторы этих двух полей складываются. Таким образом, мы наблюдаем усиление магнитного поля. Магнитную индукцию, создаваемую электрическим током, обозначим через (В0). Магнитную индукцию поля в веществе обозначим через (В). При введении железного сердечника, появляется магнитная индукция поля, возникающая благодаря намагничиванию вещества (В1). Эти поля складываются по принципу суперпозиции полей. В итоге мы наблюдаем, что вещество может усилить или, возможно ослабить магнитное поле. Магнитная индукция поля, создаваемого этими токами в вакууме, будет меньше, чем магнитная индукция поля в веществе.

Магнитной проницаемостью вещества называется физическая скалярная величина показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данном веществе отличается от индукции магнитного поля в вакууме.

Французский физик Андре Мари Ампер сравнивал магнитные поля, создаваемые полосовым магнитом и проводниками с током. В итоге, Ампер выдвинул гипотезу, что внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи. Круговые электрические токи – это токи, обусловленные орбитальными движениями электронов вокруг ядра.

Английский физик Майкл Фарадей исследовал влияние вещества на магнитное поле. В итоге, он определил, что все вещества изменяют магнитное поле, если их поместить во внешнее магнитное поле. Получается если вещество поместить во внешнее магнитное поле, оно становится источником своего магнитного поля. Это явление называют намагничиванием. Таким образом, Майкл Фарадей обнаружил, что вещества делятся на три группы – диа-, пара-, и ферромагнетики.

Диамагнетики – это вещества, у которых магнитная проницаемость чуть меньше единицы. К таким веществам относятся золото, серебро, углерод, висмут. Магнитная проницаемость висмута равна 0,9998. Значит, магнитное поле ослабляется, когда в него помещают это вещество В˂В0. Это означает, что вектор магнитной индукции поля, создаваемого веществом направлен противоположно вектору магнитной индукции поля, создаваемого током.

Парамагнетики – вещества, у которых магнитная проницаемость чуть больше единицы. Это алюминий, вольфрам, щелочные металлы, магний, платина. Эти вещества намагничиваются очень слабо, намагничиваются вдоль намагничивающего поля. Вектор магнитной индукции поля, создаваемого веществом, направлен в ту же сторону, что и вектор магнитной индукции поля, создаваемого током.

Ферромагнетики – это вещества, у которых магнитная проницаемость во много раз больше единицы. Это такие вещества как железо, кобальт, никель и сплавы металлов. Для железа магнитная проницаемость равна одна тысяча (1000).

Магнитные поля создаются ферромагнетиками не только вследствие обращения электронов вокруг ядер, но и вследствие их собственного вращения. Собственный вращательный момент (момент импульса) электрона называется спином. Согласно простейшим представлениям, электроны вращаясь вокруг собственной оси обладая зарядом, имеют, магнитное поле наряду с полем, появляющимся за счёт их орбитального движения вокруг ядер. В ферромагнетиках существуют области с параллельными ориентациями спинов, называемыми доменами; размеры доменов порядка 0.5 мкм. Параллельная ориентация спинов обеспечивает доменам минимум потенциальной энергии. Если ферромагнетик не намагничен, то ориентация доменов хаотична и суммарное магнитное поле, создаваемой доменами, равно нулю. При включении внешнего магнитного поля домены ориентируются вдоль линий магнитной индукции этого поля, и индукция магнитного поля в ферромагнетиках увеличивается, становясь в тысячи и даже миллионы раз больше индукции внешнего поля

Ферромагнитные свойства у веществ существуют только в определённой области температуры. Температура, при которой ферромагнитные материалы теряют свои ферромагнитные свойства, называют точкой Кюри по имени открывшего данное явление французского учёного Пьера Кюри. Если сильно нагреть намагниченный образец, то он потеряет способность притягивать железные предметы. Точка Кюри для железа 753 градусов по Цельсию, для кобальта 1000 градусов по Цельсию. Существуют ферромагнитные сплавы, у которых точка Кюри менее 100 градусов. Первые детальные исследования магнитных свойств ферромагнетиков были выполнены выдающимся русским физиком А.Г. Столетовым.

Большое применение получили ферромагнитные материалы, не проводящие электрического тока – ферриты. Это химические соединения оксидов железа с оксидами других веществ. К их числу относится и магнитный железняк.

Стальной или железный сердечник в катушке усиливает создаваемое ею магнитное поле, не увеличивая силу тока в катушке. Это экономит электроэнергию. Сердечники трансформаторов, генераторов, электродвигателей и т. д. изготовляют из ферромегнетиков. При выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остаётся намагниченным, таким образом создаёт магнитное поле в окружающем пространстве. Это объясняется тем, что домены не возвращаются в прежнее положение и их ориентация частично сохраняется. Благодаря этому существуют постоянные магниты. Постоянные магниты широко применяются в электроизмерительных приборах, громкоговорителях и телефонах, звукозаписывающих аппаратах, магнитных компасах и т.д. Электроизмерительный прибор является необходимым устройством в связи, промышленности, на транспорте, в медицине и в научных исследованиях.

Примеры и разбор решения заданий:

1. Для каких целей применяют ферромагнитные материалы? Выберите один правильный ответ.

Варианты ответов:

1) для усиления силы тока;

2) для ослабления магнитного поля;

3) для усиления магнитного поля;

4) для ослабления силы тока.

Пояснение: ферромагнетики и ферромагнитные материалы это вещества, которые создают наиболее сильные магнитные поля.

Правильный ответ: 3) для усиления магнитного поля.

2. По графику определите магнитную проницаемость стали при индукции В0 намагничивающего поля 1) 0,4 мТл, 2) 1,2 мТл.

Дано:

1) B0 = 0.4 мТл

2) B0 = 1,2 мТл

µ1 -? µ2 -?

Решение:

По определению магнитная проницаемость µ показывает, во сколько раз индукция магнитного поля В в веществе превышает индукцию намагничивающего поля В0 в вакууме: µ =

  1. При В0 = 0,4 мТл по графику находим что В = 0,8 Тл, следовательно:

2) При В0 = 1.2 мТл, по графику В = 1,2 Тл

Следовательно:

Ответ: µ1 = 2000; µ2 = 1000

Физики определили нижнюю границу массы магнитных монополей

Heikka Valja / MoEDAL Collaboration

Гипотетические магнитные монополи могут рождаться в столкновениях тяжелых ионов или в сильных магнитных полях нейтронных звезд. Физики из Имперского колледжа Лондона теоретически рассмотрели эти процессы и рассчитали нижнюю границу для возможной массы монополей — она оказалась чуть меньше массы протона. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Из классической теории электромагнетизма следует, что магнитных монополей (то есть магнитных зарядов) не существует. Другими словами, сколько бы вы не делили магнит на более мелкие кусочки, у каждого кусочка обязательно будет северный и южный полюс. На это прямо указывает одно из уравнений Максвелла, утверждающее, что поток магнитного поля через произвольную замкнутую поверхность равен нулю.

Однако в квантовой теории поля это не так. В 1974 году Джерард ‘т Хоофт (Gerard ’t Hooft) и Александр Поляков независимо обнаружили, что в некоторых теориях существование монополя не только возможно, но и необходимо. Например, в теории великого объединения такие монополи неизбежно возникают как топологические дефекты поля Хиггса. Как и обычный заряд, заряд магнитного монополя квантуется, причем произведение наименьшего магнитного и электрического зарядов примерно равно 2π (в системе единиц ħ = c = 1). Этот факт Поль Дирак открыл еще в 1931 году, когда пытался теоретически объяснить квантование обычного заряда. Подробнее про открытие и свойства монополей можно прочитать в этой статье.

И хотя с зарядом магнитного монополя все более-менее понятно, с его массой дело обстоит гораздо сложнее. Разные теории дают разные оценки, хотя все они и сходятся на том, что масса должна быть очень большой (кто-то говорит, что она составляет целых 1016 гигаэлектронвольт). На данный момент ученые поставили несколько экспериментов, в которых они ограничили сечение рождения монополей в столкновениях тяжелых ионов, измерили поток монополей в космических лучах или галактических магнитных полях. Но теоретических оценок на эти значения не было, поэтому пересчитать их в массу монополя было нельзя.

Физики-теоретики Оливер Гулд (Oliver Gould) и Артту Раджанти (Arttu Rajantie) наконец разработали теоретические модели описанных процессов, а затем сравнили их с экспериментальными данными и нашли, какие  ограничения на массу магнитного монополя из этого следуют. Примечательно, что результаты их вычислений не зависят от исходной теории, поскольку физики работали в «квазиклассическом приближении», в котором внутренняя структура монополей не учитывается. В кавычки слова взяты потому, что в этом приближении теоретики раскладывались не по степеням ħ (как обычно), а по другому малому параметру.

Нижняя граница на массу магнитного монополя для разных экспериментов и предполагаемых зарядов монополей. Белыми и черными кружками отмечены данные столкновений тяжелых ионов, звездочками отмечены результаты, полученные из анализа рассеяния магнитного поля нейтронных звезд. Ромбиками отмечены ограничения, полученные в предположении, что магнитные монополи должны были рождаться во время первичного нуклеосинтеза

O. Gould & A. Rajantie / Phys. Rev. Lett.

Сначала ученые рассчитали, как часто монополи рождаются в результате столкновений тяжелых ионов, которые происходят, например, на коллайдерах. В подобных столкновениях возникают маленькие участки пространства с очень большими магнитными полями и температурами, физики назвали их «файерболами» (fireball). Магнитные монополи могут рождаться только в таких маленьких областях, поэтому вероятность этого процесса будет пропорциональна объему «файербола» и сечению собственно процесса взаимодействия. При этом вероятность существенно зависит от массы и заряда монополя. Подставляя в формулу данные экспериментов и известные параметры, физики нашли, что масса магнитного поля не может быть меньше двух гигаэлектронвольт.

Кроме того, теоретики рассмотрели рождение монополей на поверхности нейтронных звезд, где температура и величина магнитного поля тоже могут достигать огромных значений. Если они там действительно образуются, магнитное поле будет рассеиваться, причем тем сильнее, чем меньше будет масса монополей. Поэтому магнитное поле звезды не может быть больше некоторого предельного значения. В то же время, астрофизикам известны магнетары, в которых магнитные поля достигают 1015 Гаусс. Отсюда тоже можно вытащить ограничение на массу монополя, только оно получается менее строгим, чем в случае столкновений ионов — около 0,7 гигаэлектронвольт, что составляет примерно 75 процентов от массы протона (938 мегаэлектронвольт).

Впрочем, физики отмечают, что ограничение на массу монополя, найденное из сечения столкновений тяжелых ионов, может быть не совсем верным, поскольку оно получено в приближении постоянного магнитного поля. На самом деле во время столкновения магнитное поле сильно меняется. Поэтому физики считают по-настоящему надежным все-таки значение 0,7 гигаэлектронвольт.

Дмитрий Трунин

История магнетизма и электричества

600 до н.э. – магнитный камень

Магнитные свойства природных ферритных ферритовых (Fe 3 O 4 ) камней (магнитов) были описаны греческими философами.

600 до н.э. – Электрический заряд

Янтарь – желтоватый полупрозрачный минерал. Еще в 600 г. до н.э. греческий философ Аристофан знал об его особенном свойстве: при натирании куска меха янтарь развивает способность притягивать к себе небольшие кусочки материала, например перья.На протяжении веков это странное, необъяснимое свойство считалось уникальным для янтаря. Этот странный эффект оставался загадкой более 2000 лет, пока примерно в 1600 году нашей эры доктор Уильям Гилберт не исследовал реакции янтаря и магнитов и впервые записал слово «электрический» в отчете по теории магнетизма.

Позже, в 1895 г., Х.А. Лоренц разработал теорию электронов. Теперь мы знаем, что есть три способа производства электричества: статическая, электрохимическая и электромагнитная индукция.

1175 – Первое упоминание о компасе

Александр Некем, английский монах из Сент-Олбанса, описывает работу компаса.

1269 – Первое подробное описание компаса

Петрус Перегринус де Маринкур, французский крестоносец, описывает плавающий компас и компас с точкой поворота.

1600 – Статическое электричество (De Magnete)

В 16 веке Уильям Гилберт (1544–1603), придворный врач королевы Елизаветы I, доказал, что многие другие вещества являются электрическими (от греческого слова янтарь, электрон) и что они обладают двумя электрическими эффектами.При натирании мехом янтарь приобретает смолистое электричество; однако стекло, натираемое шелком, приобретает стекловидное электричество. Электричество отталкивает одно и то же и притягивает противоположный вид электричества. Ученые думали, что трение действительно создало электричество (их слово для обозначения заряда). Они не осознавали, что на мехе или шелке остается равное количество противоположного электричества. Доктор Уильям Гилберт понял, что сила создается, когда кусок янтаря (смолы) натирается шерстью и притягивает легкие предметы.Сегодня, описывая это свойство, мы говорим, что янтарь «наэлектризован» или обладает «электрическим зарядом». Эти термины произошли от греческого слова «электрон», означающего янтарь, и отсюда и возник термин «электричество». Только в конце 19 века это «нечто» было обнаружено как отрицательное электричество, известное сегодня как электроны.

Гилберт также изучал магнетизм и в 1600 году написал «De magnete», который дал первое рациональное объяснение таинственной способности стрелки компаса указывать север-юг: сама Земля была магнитной .«Де Магнет» открыл эру современной физики и астрономии и положил начало веку, отмеченному великими достижениями Галилея, Кеплера, Ньютона и других.

Гилберт записал три способа намагничивания стальной иглы: прикосновением к грузоподъемному камню; холодным волочением в направлении Север-Юг; и при длительном воздействии магнитного поля Земли при ориентации Север-Юг.

1660 – Генератор статического электричества

Отто фон Герике изобретает грубую машину для производства статического электричества.

1729 – Проводники и непроводники

Стивен Грей описывает, что мощность, которой обладает одно наэлектризованное тело, может передаваться другому путем их соединения.

1734 – Электрическое притяжение и отталкивание

Шарль Франсуа де Систерне Дю Фай первым распознал два вида электричества.

1730 – Составной магнит

Servigton Savery производит первый составной магнит, связывая вместе несколько искусственных магнитов с общим полюсным наконечником на каждом конце.

1740 – Первый коммерческий магнит

Gowen Knight производит первые искусственные магниты для продажи научным исследователям и наземным мореплавателям.

1745 – Электрическая сила, конденсатор

Лейденская банка – одна из самых ранних и простых форм электрического конденсатора, независимо изобретенная около 1745 года голландским физиком Питером ван Мушенбруком из Лейденского университета и Эвальдом Георгом фон Клейстом из Померании. Первоначальная лейденская банка представляла собой стеклянную банку с водой с закрытой пробкой, через которую в воду выходила проволока или гвоздь.Банку заряжали, держа ее в одной руке и приводя оголенный конец провода в контакт с электрическим устройством. Если контакт между проводом и источником электричества был прерван, а провод касался другой рукой, происходил разряд, который воспринимался как сильный ток.

Если заряд Q помещается на металлические пластины, напряжение повышается до величины V. Показателем способности конденсатора накапливать заряд является емкость C, где C = Q / V. Заряд проходит от конденсатора так же, как от аккумулятора, но с одним существенным отличием.Когда заряд покидает пластины конденсатора, без подзарядки ничего нельзя получить. Это происходит потому, что электрическая сила консервативна. Выделяемая энергия не может превышать запасенную. Способность выполнять работу называется электрическим потенциалом .

Тип сохранения энергии также связан с ЭДС. Электрическая энергия, получаемая от батареи, ограничена энергией, хранящейся в химических молекулярных связях. И ЭДС, и электрический потенциал измеряются в вольтах, и, к сожалению, термины напряжение, потенциал и ЭДС используются довольно свободно.Например, термин потенциал батареи часто используется вместо ЭДС.

1747 – Стекловидное электричество, сохранение заряда

Бенджамин Франклин (1706-90) был американским печатником, писателем, философом, дипломатом, ученым и изобретателем.

После открытия Гилбертом того факта, что сила электрического заряда создается трением различных материалов, Бенджамин Франклин в 1747 году улучшил это, объявив, что этот электрический заряд существует двух типов электрических сил, силы притяжения и силы отталкивания .(Уильям Уотсон (1715-87) в Англии независимо пришел к такому же выводу.) Чтобы идентифицировать эти две силы, он дал названия, положительный и отрицательный заряды, и для их обозначения он использовал знаки + и -, обозначающие положительный и отрицательный заряды. the – для отрицательного. Бенджамин Франклин понял, что все материалы обладают одним видом электрической «жидкости», которая может свободно проникать в материю, но не может быть ни создана, ни разрушена. Действие трения просто передает жидкость от одного тела к другому, электризуя оба.Франклин и Ватсон разработали принцип сохранения заряда: общее количество электричества в изолированной системе постоянно. Франклин определил жидкость, которая соответствует электричеству стекловидного тела, как положительное, а отсутствие жидкости как отрицательное. Следовательно, согласно Франклину, направление потока было от положительного к отрицательному, – противоположное тому, что, как сейчас известно, верно. В дальнейшем была разработана теория двух жидкостей, согласно которой образцы одного типа притягиваются, а образцы противоположных типов отталкиваются.

Франклин был знаком с лейденской банкой (стеклянной банкой, покрытой изнутри и снаружи оловянной фольгой), как она может хранить заряд и как она вызывала электрический ток при разрядке. Франклин задался вопросом, были ли молния и гром также результатом электрических разрядов. Во время грозы 1752 года Франклин запустил воздушного змея с металлическим наконечником. В конце мокрой проводящей веревки из конопли, по которой летел змей, он прикрепил металлический ключ, к которому привязал непроводящую шелковую веревку, которую держал в руке.Эксперимент был чрезвычайно опасным, но результаты были безошибочными: когда он подносил костяшки пальцев к ключу, он мог черпать из него искры. Следующие двое, пытавшиеся провести этот чрезвычайно опасный эксперимент, были убиты.

1750 – Первая книга по изготовлению магнитов

Джон Митчелл издает первую книгу по изготовлению стальных магнитов.

1757 – Power, Steam Engine

Джеймс Ватт (1736-1819) не проводил электрических экспериментов. Он был мастером по профессии и в 1757 году основал ремонтную мастерскую в Глазго.Ватт измерил скорость работы, выполняемой лошадью, поднимающей мусор в старую шахту, и обнаружил, что она составляет около 22 000 фут-фунтов в минуту. Он добавил, что запас в 50% составляет . 33000 фут-фунтов равняются одной лошадиных сил.

Джеймс Ватт, также изобрел паровой конденсационный двигатель. Его усовершенствования паровых двигателей были запатентованы в течение 15 лет, начиная с 1769 года, и его именем была названа электрическая единица мощности – Ватт. Когда генератор Эдисона был соединен с паровой машиной Ватта, производство электроэнергии в больших масштабах стало практическим предложением.

1767 – Электрическая сила

Уже в 1600 году было известно, что сила притяжения или отталкивания уменьшается по мере разделения зарядов . Эта взаимосвязь была впервые поставлена ​​на числовую или количественную основу Джозефом Пристли, другом Бенджамина Франклина. В 1767 году Пристли косвенно вывел, что когда расстояние между двумя маленькими заряженными телами увеличивается в какой-то раз, силы между телами уменьшаются на квадрат множителя.Например, если расстояние между зарядами увеличивается втрое, сила уменьшается до одной девятой своего прежнего значения. Доказательство Пристли, хотя и строгое, было настолько простым, что он не стал его сильно защищать. Этот вопрос не считался решенным до 18 лет спустя, когда Джон Робинсон из Шотландии произвел более прямые измерения задействованной электрической силы.

1780 – Электрический ток

Из-за несчастного случая итальянский ученый 18 века Луиджи Гальвани начал цепочку событий, кульминацией которых стало развитие концепции напряжения и изобретение батареи.В 1780 году один из помощников Гальвани заметил, что рассеченная лягушачья лапа дергалась, когда он касался ее нерва скальпелем. Другой помощник подумал, что в это же время он видел искру от ближайшего заряженного электрогенератора. Гальвани предположил, что электричество было причиной мышечных сокращений. Однако он ошибочно полагал, что этот эффект был вызван переносом особой жидкости или «животным электричеством», а не обычным электричеством.

Подобные эксперименты, в которых лапы лягушки или птицы стимулировались контактом с различными типами металлов, привели Луиджи Гальвани в 1791 году к выдвижению теории о том, что ткани животных генерируют электричество.Экспериментируя с тем, что он назвал атмосферным электричеством, Гальвани обнаружил, что мышца лягушки подергивается, когда ее подвешивают за медный крючок на железной решетке.

1792 – Электрохимия, гальваническая ячейка

К 1792 году другой итальянский ученый, Алессандро Вольта, не согласился: он понял, что главными факторами открытия Гальвани были два разных металла – стальной нож и оловянная пластина, на которых лежала лягушка. . различные металлы, разделенные влажной тканью лягушки, производили электричество.Нога лягушки была просто детектором.

В 1800 году Вольта показал, что когда влага проникает между двумя разными металлами, возникает электричество. Это побудило его изобрести первую электрическую батарею, гальваническую батарею, которую он сделал из тонких листов меди и цинка, разделенных влажным картоном (войлок, пропитанный рассолом).

Таким образом, был открыт новый вид электричества, электричество, которое течет непрерывно, как водяной поток, а не разряжается одной искрой или ударом.Вольта показал, что электричество можно заставить перемещаться из одного места в другое по проводам, тем самым сделав важный вклад в науку об электричестве.

1820 – Электромагнетизм, ток

В 1820 году физик Ганс Кристиан Эрстед узнал, что ток, протекающий по проводу, будет двигать стрелку компаса, расположенную рядом с ним. Это показало, что электрический ток создает магнитное поле.

Андре Мари Ампер, французский математик, посвятивший себя изучению электричества и магнетизма, был первым, кто объяснил электродинамическую теорию.Он показал, что два параллельных провода, по которым протекает ток, притягиваются друг к другу, если токи текут в одном направлении, и противодействуют друг другу, если токи текут в противоположных направлениях. Он сформулировал в математических терминах законы, которые управляют взаимодействием токов с магнитными полями в цепи, и в результате этого от его имени была получена единица измерения электрического тока , усилитель . Электрический заряд в движении называется электрическим током. Сила тока – это количество заряда, проходящего через заданную точку в секунду, или I = Q / t, где Q кулонов заряда проходит за t секунд.Единица измерения тока – это ампер или ампер, где 1 ампер = 1 кулон / сек. Поскольку ток также является источником магнетизма, он является связующим звеном между электричеством и магнетизмом.

1822 – Преобразования Фурье

Барон Жозеф Фурье (1768-1830) был французским математиком. Его метод анализа волн, опубликованный в 1822 году, был результатом его работы о потоке тепла. Он показывает, как любую волну можно построить из более простых волн. Этот мощный раздел математики, преобразования Фурье, внес свой вклад в важные современные разработки, такие как распознавание электронной речи.

1826 – Сопротивление – токи, вызывающие нагрев

В 1826 году немецкий физик Георг Симон Ом исследовал принцип Вольта для электрической батареи и соотношение токов в цепи Ампера. Он отметил, что когда в цепи был ток, время от времени возникало тепло, и количество тепла было связано с разными металлами. Он обнаружил, что существует связь между током и теплом, есть некоторое «сопротивление» току в цепи.Обнаружив это, он обнаружил, что если разность потенциалов (вольт) остается постоянной, ток пропорционален сопротивлению. Эта единица электрического сопротивления – ом – была названа в его честь. Он также сформулировал закон, показывающий соотношение между вольт, ампер и сопротивлением , и этот закон был назван «законом Ома», также названным в его честь. Этот закон, каким мы его знаем сегодня, лежит в основе электричества.

1830 – Индуктивность

В 1830 году Джозеф Генри (1797-1878) обнаружил, что изменение магнетизма может заставить токи течь, но он не смог опубликовать это.В 1832 году он описал самоиндукцию – основное свойство индуктора. В знак признания его работы индуктивность измеряется в генри. Затем была подготовлена ​​почва для всеобъемлющей электромагнитной теории Джеймса Клерка Максвелла. Разброс реальных токов огромен. Современный электрометр может обнаруживать токи до 1/10000000000000000 ампер, что составляет всего 63 электрона в секунду. Ток в нервном импульсе составляет примерно 1/100 000 ампер; 100-ваттная лампочка рассчитана на 1 ампер; разряд молнии достигает пика примерно 20 000 ампер; А атомная электростанция мощностью 1200 мегаватт может выдавать 10 миллионов ампер при напряжении 115 В.

1836 – Ячейка Даниэля

В 1836 году Джон Даниэлл (1790-1845) предложил усовершенствованную электрическую ячейку, которая обеспечивала равномерный ток во время непрерывной работы. Ячейка Даниэля дала новый импульс исследованиям в области электричества и нашла множество коммерческих применений. В 1837 году Даниэлю была вручена высшая награда Королевского общества – медаль Копли за изобретение ячейки Даниэля.

1837 – Телеграф, электромагнит

После открытия электрической батареи и электромагнита Сэмюэл Морс (1791-1872) представил электрический телеграф.Закодированные сообщения отправлялись по проводам с помощью электрических импульсов (обозначенных точками и тире), известных как азбука Морзе. Это действительно было началом использования электроэнергии в коммерческих целях. Электрический телеграф известен как первое практическое применение электричества и первая система электрической связи. Здесь интересно отметить, что почтовое отделение в Австралии играло важную роль в то время в организации связи.

1840 – Механический компьютер

Чарльз Бэббидж (1791–1871), британский математик, сконструировал несколько машин для создания безошибочных таблиц для навигации.Механические устройства будут служить моделями для более поздних электронных компьютеров.

1850 – Термоэлектричество

Томас Зеебек, немецкий физик, открыл «эффект Зеебека». Он скрутил два провода, сделанных из разных металлов, и нагрел соединение в месте их пересечения, создав небольшой ток. Ток – это результат перетекания тепла от горячего спая к холодному. Это называется термоэлектричеством. Термо – это греческое слово, означающее тепло.

1854 – Булева алгебра

Джордж Буль был полностью самоучкой.Он опубликовал способ использования символов, который идеально выражает правила логики. Используя эту систему, можно четко и часто упрощать сложные правила.

1855 – Электромагнитная индукция

Майкл Фарадей (1791-1867) англичанин, сделал одно из самых значительных открытий в истории электричества: электромагнитную индукцию. Его новаторская работа касалась того, как работают электрические токи. Многие изобретения явились результатом его экспериментов, но они появились на пятьдесят или сто лет спустя.Неудачи никогда не разочаровывали Фарадея. Он бы сказал; «неудачи так же важны, как и успехи». Он чувствовал, что неудачи тоже учат. Фарад, единица емкости названа в честь Майкла Фарадея.

Фарадей очень интересовался изобретением электромагнита, но его блестящий ум продвинул предыдущие эксперименты еще дальше. Если электричество может производить магнетизм, почему магнетизм не может производить электричество . В 1831 году Фарадей нашел решение.Электричество могло быть произведено посредством магнетизма движением. Он обнаружил, что когда магнит перемещается внутри катушки с медной проволокой, через нее течет крошечный электрический ток. H.C. Эрстед в 1820 году продемонстрировал, что электрические токи создают магнитное поле. Фарадей заметил это и в 1821 году экспериментировал с теорией, согласно которой, если электрические токи в проводе могут создавать магнитные поля, то магнитные поля должны производить электричество. К 1831 году он смог доказать это и с помощью своего эксперимента смог объяснить, что эти магнитные поля представляют собой силовые линии.Эти силовые линии заставили бы ток течь в катушке с проволокой, когда катушка вращается между полюсами магнита. Затем это действие показывает, что катушки проволоки, перерезанные магнитными силовыми линиями, каким-то странным образом производят электричество. Эти эксперименты убедительно продемонстрировали открытие электромагнитной индукции при производстве электрического тока путем изменения напряженности магнитного поля.

1860 – Arc Lights

По мере того, как практическое использование электричества стало очевидным и электрический телеграф начал работать, вскоре ученые начали искать пути дальнейшего использования этого электричества.Следующим очень важным достижением было внедрение электрической угольной дуги, которая была продемонстрирована в экспериментальной форме в 1808 году сэром Хамфри Дэви. Он использовал большую батарею, чтобы обеспечить ток для своей демонстрации, поскольку эти дуговые лампы требуют сильного тока, а средства механической выработки электричества еще не были разработаны. Принцип этих дуговых ламп заключается в том, что когда два углеродных стержня в цепи соединяются, возникает дуга. Эта дуга, которая излучает блестящее накаливание, сохраняется до тех пор, пока стержни просто разъединены и механически подаются таким образом, чтобы поддерживать дугу.Поскольку дуговые лампы потребляли сильный ток от этих батарей, практическое применение они получили только в 1860 году. К этому времени были разработаны адекватные источники генерации, которые затем использовались в основном только для уличного освещения и в кинотеатрах. Хотя дуговое освещение все еще использовалось до начала 1900-х годов, в конечном итоге они были вытеснены лампами накаливания, за исключением того, что большинство кинотеатров используют их в своих проекторах даже сегодня.

1860 – Двигатель постоянного тока

История электродвигателя начинается с Ганса Христиана Эрстеда, который в 1820 году обнаружил, что электричество создает магнитное поле, как упоминалось ранее.Фарадей продолжил это в 1821 году, разработав принцип электродвигателя собственной конструкции. Среди них стоит упомянуть Якоби в 1834 году, Элиас в 1842 году, Фромент в 1844 году и Пачинотти в 1860 году. Пачинотти использовал кольцевую арматуру, которая использовалась в 1860 году и была выдающимся достижением по сравнению с любыми предыдущими попытками. Большинство этих двигателей находились на экспериментальной стадии, но только в 1871 году Зеноб Теофиль Грамм представил свой двигатель, который на самом деле был развитием машины Пачинотти.Этот двигатель был назван первым электродвигателем, имеющим коммерческое значение. В этот период ученые сосредоточились на «двигателе», но тем временем эксперименты с машинами, производящими электричество динамически, продолжались.

1866 – LeClanche Cell

Лекланш (1839–1882) – французский инженер, который примерно в 1866 году изобрел батарею, носящую его имя. В слегка измененном виде батарея Leclanché, теперь называемая сухим элементом, производится в больших количествах и широко используется в таких устройствах, как фонарики и портативные радиоприемники.Эта ячейка состоит из цинкового корпуса, заполненного влажной пастой, содержащей сульфат аммония. В центре этой электролитной пасты находится угольный стержень, покрытый диоксидом марганца, который является сильным окислителем.

1871 – Генератор постоянного тока

С разработкой Эдисоном в 1879 году угольной лампы накаливания, генератор постоянного тока стал одним из важнейших компонентов систем освещения с постоянным потенциалом. Раньше для уличного освещения использовались только дуговые лампы. Затем коммерческое и жилое освещение, к чему стремились изобретатели, стало практичным, и так родилась электроэнергетика и электроэнергетика.Когда Х. К. Эрстед в 1820 году обнаружил, что электрический ток создает магнитные поля, был разработан двигатель постоянного тока. В 1831 году Майкл Фарадей открыл принцип электромагнитной индукции. Он обнаружил, что перемещение магнита через катушку с проволокой вызывает электрический ток, протекающий по проволоке, поэтому теперь можно разработать электрический генератор. Но только в 1871 году, когда Грамм представил свой двигатель и генератор, электрический генератор стал использоваться в коммерческих целях. К 1872 году Сименс и Хальске из Берлина усовершенствовали генератор Грамма, изготовив якорь барабана.Были внесены и другие улучшения, такие как якорь с прорезями в 1880 году, но к 1882 году Эдисон завершил разработку системы, которую мы все еще используем для распределения электроэнергии от электростанций.

1876 – Телефон

С тех пор, как телеграф был изобретен Самуэлем Морсом в 1837 году, в его использовании были достигнуты большие успехи, но он продолжал работать как телеграфная система, использующая азбуку Морзе для связи. Александр Грэм Белл в 1875 году интересовался телеграфией и понял, что при использовании кода Морзе по телеграфным проводам должны быть другие способы связи с использованием электричества.Он также интересовался акустикой и звуком и работал по принципу, что если азбука Морзе создает электрические импульсы в электрической цепи, некоторые звуковые средства, вызывающие вибрацию в воздухе, могут также создавать электрические импульсы в цепи. В эксперименте он использовал «диафрагму», связанную с электрической цепью, и любой звук, достигающий диафрагмы, вызывал электрические импульсы, которые передавались на другой конец цепи. Тогда они вызовут вибрацию другой диафрагмы на этом конце и будут находиться по отношению к первой диафрагме, следовательно, звук будет электрически передаваться от одного конца цепи к другому.Он продолжал работать над этими экспериментами, и 7 марта 1876 года его телефон был официально запатентован, и его успешная демонстрация была проведена в выставочном зале в Филадельфии. Грэм Белл как раз успел запатентовать свой телефон, так как другой изобретатель Элиша Грей также экспериментировал с аналогичным изобретением. Позже Эдисон усовершенствовал диафрагму, которую тогда называли передатчиками, но Белл победил, удостоившись чести изобрести «телефон».

Александр Грэм Белл (1847-1922) родился в Шотландии, вырос в семье, которая интересовалась наукой о звуке.Отец и дед Белла учили глухих речи. Аппарат уровня звука назван в его честь белом. Уровни звука измеряются в десятых бел, или децибелах. Аббревиатура децибела – дБ.

1879 – Генерация постоянного тока, лампа накаливания

Томас Альва Эдисон (1847–1931) был одним из самых известных изобретателей всех времен с 1093 патентами. Самоучка, Эдисон интересовался химией и электроникой. За всю свою жизнь Эдисон получил только три месяца формального обучения и был исключен из школы как отсталый, хотя на самом деле из-за приступа скарлатины в детстве он был частично глухим.

Прошло почти 40 лет, прежде чем Томас Эдисон построил действительно практичный генератор постоянного тока. Многие изобретения Эдисона включали фонограф и улучшенный печатный телеграф. В 1878 году британский ученый Джозеф Свон изобрел лампу накаливания, а через двенадцать месяцев Эдисон сделал аналогичное открытие в Америке. Позже Свон и Эдисон создали совместную компанию по производству первой практичной лампы накаливания. До этого электрическое освещение было моими примитивными дуговыми лампами.

Эдисон использовал свой генератор постоянного тока, чтобы обеспечить электричеством свою лабораторию, а затем в сентябре 1882 года осветить первую улицу Нью-Йорка, освещенную электрическими лампами. Однако успехи Эдисона не были бесспорными – хотя он был убежден в достоинствах постоянного тока для выработки электроэнергии, другие ученые в Европе и Америке признали, что постоянный ток имеет серьезные недостатки.

1880 – слой Хевисайда

Оливер Хевисайд (1850-1925) Британский математик понял, что информация распространяется по кабелю в виде волны в пространстве между проводниками, а не через сами проводники.Его концепции позволили проектировать междугородные телефонные кабели. Он также обнаружил, почему радиоволны огибают Землю. Это привело к дальнему радиоприему.

1880 – Абсолютные температуры, законы Кирхгофа, законы Кулона, магнитный поток, микрофон

Уильям Томсон, лорд Кельвин (1824–1907) был наиболее известен своим изобретением новой температурной шкалы, основанной на концепции абсолютного нуля температуры. при -273 ° C (-460 ° F). До конца своей жизни Томсон яростно сопротивлялся идее о том, что энергия, излучаемая радиоактивностью, исходит изнутри атома.Одно из величайших научных открытий XIX века, Томсон умер, выступая против одного из самых важных нововведений в истории науки.

Moskowitz, LR: Руководство по проектированию и применению постоянных магнитов , Cahners Books International, Inc. (1976)

В этом месяце по истории физики

Вернувшись в Копенгаген в 1803 году, Эрстед пытался поступить в университет, преподавая физику, но не стал Я сразу же получу его. Вместо этого он начал читать лекции в частном порядке, за вход платный.Вскоре его лекции стали популярными, и в 1806 году он получил назначение в Копенгагенский университет, где он расширил программу физики и химии и основал новые лаборатории. Он также продолжил собственные исследования в области физики и других областей науки. Его первая научная статья была посвящена электрическим и химическим взаимодействиям. Он исследовал множество физических проблем, включая сжимаемость воды и использование электрического тока для взрыва мин.

Эрстед сделал открытие, которым он знаменит в 1820 году.В то время, хотя большинство ученых считали, что электричество и магнетизм не связаны, были некоторые причины полагать, что связь может быть. Например, давно было известно, что компас при ударе молнии может изменить полярность. Эрстед ранее отмечал сходство между тепловым излучением и светом, хотя он не определил, что оба являются электромагнитными волнами. Похоже, он считал, что электричество и магнетизм – это силы, излучаемые всеми веществами, и эти силы могут каким-то образом мешать друг другу.

Во время демонстрации лекции 21 апреля 1820 г., настраивая свой прибор, Эрстед заметил, что, когда он включил электрический ток, подключив провод к обоим концам батареи, находящаяся поблизости стрелка компаса отклонилась от северного магнитного поля. куда обычно указывал. Стрелка компаса двигалась совсем немного, так что публика даже не заметила. Но Эрстеду было ясно, что происходит что-то значимое.

Некоторые люди предположили, что это было совершенно случайное открытие, но мнения расходятся относительно того, была ли демонстрация предназначена для поиска связи между электричеством и магнетизмом или была предназначена для демонстрации чего-то совершенно другого.Конечно, Эрстед был хорошо подготовлен к наблюдению такого эффекта, имея под рукой стрелку компаса и батарею (или «гальванический прибор», как он это называл).

Совершенно случайно или, по крайней мере, несколько ожидаемо, Эрстед был заинтригован своим наблюдением. Он не сразу нашел математическое объяснение, но обдумывал его в течение следующих трех месяцев, а затем продолжил эксперименты, пока не был полностью уверен, что электрический ток может создавать магнитное поле (которое он назвал «электрическим конфликтом»). ).

21 июля 1820 года Эрстед опубликовал свои результаты в брошюре, которая была разослана физикам и научным обществам в частном порядке. Его результаты были в основном качественными, но эффект был очевиден – электрический ток порождает магнитную силу.

Его батарея, гальваническая батарея из 20 медных прямоугольников, вероятно, вырабатывала ЭДС около 15-20 вольт. Он пробовал разные типы проводов и все равно обнаружил, что стрелка компаса отклоняется. Когда он изменил направление тока, он обнаружил, что стрелка отклоняется в противоположном направлении.Он экспериментировал с различной ориентацией иглы и проволоки. Он также заметил, что эффект нельзя устранить, поместив дерево или стекло между компасом и электрическим током.

Публикация сразу произвела фурор и повысила статус Эрстеда как ученого. Другие начали исследовать недавно обнаруженную связь между электричеством и магнетизмом. Французский физик Андре Ампер разработал математический закон для описания магнитных сил между токоведущими проводами.Примерно через десять лет после открытия Эрстеда Майкл Фарадей продемонстрировал, по сути, противоположное тому, что обнаружил Эрстед, – что изменяющееся магнитное поле индуцирует электрический ток. Следуя работе Фарадея, Джеймс Клерк Максвелл разработал уравнения Максвелла, формально объединяющие электричество и магнетизм.

Эрстед продолжал заниматься физикой. Он основал Общество по распространению естественных наук, целью которого было сделать науку доступной для общественности, что, по его мнению, было очень важным.В 1829 году он основал Политехнический институт в Копенгагене. Он также был опубликованным писателем и поэтом и внес вклад в другие области науки, такие как химия – например, в 1825 году он впервые произвел алюминий. Эрстед умер в 1851 году. Его открытие 1820 года ознаменовало начало революции в понимании электромагнетизма, обеспечив первую связь между двумя очень разными физическими явлениями.

Physics4Kids.com: Электричество и магнетизм: Магнитные поля

Магнитные поля отличаются от электрических полей.Хотя оба типа полей взаимосвязаны, они выполняют разные функции. Идея магнитных силовых линий и магнитных полей была впервые исследована Майклом Фарадеем , а затем Джеймсом Клерком Максвеллом . Оба этих английских ученых сделали великие открытия в области электромагнетизма .

Магнитные поля – это области, на которые объект оказывает магнитное влияние. Поля воздействуют на соседние объекты вдоль линий магнитного поля. Магнитный объект может притягивать или отталкивать другой магнитный объект.Вы также должны помнить, что магнитные силы НЕ связаны с гравитацией. Величина силы тяжести зависит от массы объекта, а сила магнитного поля зависит от материала, из которого сделан объект.

Если вы поместите объект в магнитное поле, это повлияет на него, и эффект будет происходить вдоль силовых линий. Во многих экспериментах в классе можно наблюдать, как маленькие кусочки железа (Fe) выстраиваются вокруг магнитов вдоль силовых линий. Магнитные полюса – это точки, в которых силовые линии магнитного поля начинаются и заканчиваются.Линии поля сходятся или сходятся на полюсах. Вы, наверное, слышали о полюсах Земли. Эти полюса – места, где сходятся силовые линии наших планет. Мы называем эти полюса северным и южным, потому что именно там они расположены на Земле. Все магнитные объекты имеют силовые линии и полюса. Это может быть как атом, так и звезда.

Вы знаете о заряженных частицах. Есть положительные и отрицательные заряды. Вы также знаете, что положительные заряды притягиваются к отрицательным.Французский ученый по имени Андре-Мари Ампер изучал взаимосвязь между электричеством и магнетизмом. Он обнаружил, что магнитные поля создаются движущимися зарядами (током). На движущиеся заряды действуют магниты. С другой стороны, стационарные заряды не создают магнитных полей и на них не действуют магниты. Два провода, по которым течет ток, при размещении рядом друг с другом могут притягиваться или отталкиваться, как два магнита. Все это связано с движущимися зарядами. Магниты – простые примеры естественных магнитных полей.Но знаете что? У Земли огромное магнитное поле. Поскольку ядро ​​нашей планеты заполнено расплавленным железом (Fe), существует большое поле, которое защищает Землю от космической радиации и частиц, таких как солнечный ветер . Когда вы смотрите на крошечные магниты, они работают аналогичным образом. Вокруг магнита есть поле.

Как отмечалось ранее, ток в проводах вызывает магнитный эффект. Вы можете увеличить силу этого магнитного поля, увеличивая ток через провод.Мы можем использовать этот принцип для создания искусственных регулируемых магнитов, называемых электромагнитами , путем создания катушек из проволоки и затем пропускания тока через катушки.

Или выполните поиск на сайтах по определенной теме.

Электромагнитный ротационный аппарат Майкла Фарадея (двигатель)

Этот простой на вид объект был создан Майклом Фарадеем в 1822 году. Его простота скрывает его истинное значение как первого из сохранившихся электродвигателей.

В 1820 году Ганс Кристиан Эрстед объявил о своем открытии, согласно которому электрический ток, протекающий через провод, создает вокруг него магнитное поле. Андре-Мари Ампер продолжил и показал, что магнитная сила, по-видимому, была круговой, создавая, по сути, цилиндр магнетизма вокруг провода. Такой круговой силы раньше не наблюдалось.

Британский ученый-самоучка Майкл Фарадей (1791–1867) первым понял, что означают эти открытия.Если магнитный полюс можно изолировать, он должен постоянно перемещаться по кругу вокруг токоведущего провода.

В 1821 году Фарадей попытался понять работу Эрстеда и Ампера, разработав свой собственный эксперимент с использованием небольшой ртутной ванны. Это устройство, преобразовывающее электрическую энергию в механическую, было первым электродвигателем.

Этот аппарат – единственный сохранившийся оригинальный образец, сделанный Фарадеем на следующий год после его открытия в 1822 году.

Двигатель имеет жесткий провод, который свешивается в стеклянный сосуд, на дне которого закреплен стержневой магнит.Тогда стеклянный сосуд будет частично заполнен ртутью (металлом, который является жидким при комнатной температуре и является отличным проводником). Фарадей подключил свой аппарат к батарее, которая пропускала электричество по проводу, создавая вокруг него магнитное поле. Это поле взаимодействовало с полем вокруг магнита и заставляло проволоку вращаться по часовой стрелке.

Это открытие привело Фарадея к размышлениям о природе электричества. В отличие от своих современников, он не был убежден, что электричество – это материальный флюид, который течет по проводам, как вода по трубе.Вместо этого он думал об этом как о вибрации или силе, которые каким-то образом передаются в результате напряжений, созданных в проводнике.

Фарадей и электромагнитная теория света

Майкл Фарадей (22 сентября 1791 – 25 августа 1867), вероятно, наиболее известен своим открытием электромагнитной индукции, его вкладом в электротехнику и электрохимию или тем, что он отвечал за введение концепции поля в физике. описать электромагнитное взаимодействие.Но, возможно, не так хорошо известно, что он также внес фундаментальный вклад в электромагнитную теорию света .

В 1845 году, всего 170 лет назад, Фарадей обнаружил, что магнитное поле влияет на поляризованный свет – явление, известное как магнитооптический эффект или эффект Фарадея. Чтобы быть точным, он обнаружил, что плоскость вибрации луча линейно поляризованного света, падающего на кусок стекла, вращалась, когда магнитное поле было приложено в направлении распространения луча.Это было одним из первых указаний на связь электромагнетизма и света. В следующем году, в мае 1846 года, Фарадей опубликовал статью Мысли о вибрациях лучей , пророческую публикацию , в которой он предположил , что свет может быть вибрацией электрических и магнитных силовых линий.

Майкл Фарадей (1791-1867) / Источники: Wikipedia

Случай Фарадея нечасто встречается в истории физики: хотя его обучение было очень простым, законы электричества и магнетизма в гораздо большей степени связаны с экспериментальными открытиями Фарадея, чем с любыми другими учеными.Он открыл электромагнитной индукции , что привело к изобретению динамо-машины, предшественницы электрического генератора. Он объяснил электролиз с точки зрения электрических сил, а также ввел такие концепции, как поля, и силовые линии, , которые не только были фундаментальными для понимания электрических и магнитных взаимодействий, но и легли в основу дальнейших достижений в физике.

Майкл Фарадей родился в Южном Лондоне в скромной семье.Единственное базовое формальное образование, которое он получил в детстве, – это чтение, письмо и арифметика. Он бросил школу, когда ему было тринадцать, и начал работать в переплетном магазине. Его страсть к науке была пробуждена описанием электричества , которое он прочитал в копии Британской энциклопедии , которую он подписывал, после чего он начал экспериментировать в импровизированной лаборатории. 1 марта 1813 года Фарадей был нанят в качестве лаборанта Хэмфри Дэви в Королевском институте в Лондоне, членом которого он был избран в 1824 году и где он проработал до своей смерти в 1867 году, сначала помощником Дэви, затем его сотрудником и, наконец, , после смерти Дэви, как его преемник.Фарадей произвел на Дэви такое впечатление, что когда последнего спросили о его величайшем открытии, Дэви ответил: «Моим величайшим открытием был Майкл Фарадей». В 1833 году он стал первым фуллеровским профессором химии в Королевском институте. Фарадей также признан великим популяризатором науки. В 1826 году Фарадей основал в Королевском институте «Пятничные вечерние лекции», которые являются каналом связи между учеными и непрофессионалами. В следующем году он запустил Рождественские лекции для молодежи, которые ежегодно транслируются по национальному телевидению, серию, цель которой – представить науку широкой публике.Многие из этих лекций читал сам Фарадей. Оба они продолжаются по сей день.

Майкл Фарадей читает рождественскую лекцию в Королевском институте в 1856 г. / Кредиты: Википедия

Фарадей сделал свое первое открытие электромагнетизма в 1821 г. Он повторил эксперимент Эрстеда , поместив небольшой магнит вокруг токоведущего провода и подтвердив, что сила, действующая со стороны ток на магните был круговым. Как он объяснил много лет спустя, провод был окружен бесконечной серией круговых концентрических силовых линий , которые он назвал магнитным полем тока. Он взял работу Эрстеда и Ампера о магнитных свойствах электрических токов в качестве отправной точки и в 1831 году получил электрический ток от изменяющегося магнитного поля, явление, известное как электромагнитная индукция . Он обнаружил, что, когда через катушку пропускают электрический ток, в соседней катушке генерируется еще один очень короткий ток. Это открытие ознаменовало решающую веху в прогрессе не только науки, но и общества , и сегодня оно используется для производства электроэнергии в больших масштабах на электростанциях.Это явление открывает кое-что новое об электрических и магнитных полях. В отличие от электростатических полей, создаваемых электрическими зарядами в состоянии покоя, циркуляция которых по замкнутому пути равна нулю (консервативное поле), циркуляция электрических полей, создаваемых магнитными полями, происходит по замкнутому пути, отличному от нуля. Эта циркуляция, которая соответствует индуцированной электродвижущей силе, равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через поверхность, граница которой представляет собой проволочную петлю ( закон индукции Фарадея ).Фарадей изобрел первый электродвигатель, первый электрический трансформатор, первый электрический генератор и первую динамо-машину, поэтому Фарадея можно без всяких сомнений назвать отцом электротехники .

Фарадей отказался от теории жидкости для объяснения электричества и магнетизма и ввел концепции поля , и силовых линий , отойдя от механистического объяснения природных явлений, таких как действия Ньютона на расстоянии. Введение Фарадеем концепции поля в физику, возможно, является его наиболее важным вкладом и было описано Эйнштейном как великое изменение в физике , потому что оно предоставило электричеству, магнетизму и оптике общую основу физических теорий.Однако силовые линии Фарадея не были приняты до тех пор, пока несколько лет спустя не появился Джеймс Клерк Максвелл.

Как отмечалось в начале этой статьи, другим и, возможно, менее известным эффектом, обнаруженным Фарадеем, было влияние магнитного поля на поляризованный свет, явление, известное как эффект Фарадея или магнитооптический эффект . Пытливый ум Фарадея не удовлетворился простым открытием взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. Он также хотел определить, влияют ли магнитные поля на оптические явления. Он верил в единство всех сил природы, в особенности света, электричества и магнетизма. 13 сентября 1845 года он обнаружил, что плоскость поляризации линейно поляризованного света поворачивается, когда этот свет проходит через материал, к которому приложено сильное магнитное поле в направлении распространения света. Фарадей написал в абзаце № 7504 своей книги Dairy :

.

«Сегодня работал с магнитными силовыми линиями, пропуская их через разные тела (прозрачные в разных направлениях) и в то же время пропуская через них поляризованный луч света (…) на поляризованном луче производился эффект, и, таким образом, магнитный доказано, что сила и свет связаны друг с другом ».

Это, безусловно, было первым четким указанием того, что магнитная сила и свет связаны друг с другом, а также показало, что свет связан с электричеством и магнетизмом. В связи с этим явлением Фарадей также писал в том же абзаце:

.

«Этот факт, скорее всего, окажется чрезвычайно плодотворным и очень ценным при исследовании обоих условий естественной силы».

Он не ошибся. Этот эффект является одним из краеугольных камней электромагнитной теории света.

Вращение поляризации из-за эффекта Фарадея / Источники: адаптировано из Википедии

В выступлении королевского института в пятницу вечером, проведенном в апреле 1846 года, Фарадей предположил, что свет может быть некоторой формой возмущения, распространяющегося вдоль силовых линий . На самом деле именно в эту пятницу Чарльз Уитстон должен был выступить с докладом о своем хроноскопе. Однако в последнюю минуту Уитстона охватил приступ страха перед сценой, и Фарадей выступил с речью Уитстона.Так как он закончил раньше времени, он заполнил оставшиеся минуты, раскрывая свои мысли о природе света . Речь Фарадея была опубликована в том же году в журнале Philosophical Magazine под заголовком Мысли о лучевых вибрациях . Фарадей даже осмелился поставить под сомнение существование светоносного эфира – научная ересь того времени – который должен был быть средой для распространения света, как так элегантно Френель описал в своей волновой теории света.Он предположил, что свет может быть не результатом вибраций эфира, а вибрацией физических силовых линий. Фарадей попытался исключить эфир, но он сохранил вибрации. Почти извиняющимся тоном Фарадей заканчивает свою статью, указав:

«Я думаю, что вполне вероятно, что я сделал много ошибок на предыдущих страницах, потому что даже для меня мои идеи по этому поводу кажутся лишь тенью спекуляции ».

Однако эта идея Фарадея была воспринята со значительным скептицизмом и отвергалась всеми до тех пор, пока в 1865 году не была опубликована статья Максвелла под названием Динамическая теория электромагнитного поля .В этой статье Максвелл не только описывает свою основополагающую электромагнитную теорию света – одну из вех, отмеченных в Международный год света 2015 – но также приписывает идеи, которые в конечном итоге легли в основу его теории, мыслям Фарадея о лучевых вибрациях . На странице 466 своей статьи со скромностью, всегда свойственной Максвеллу, он ссылается на статью Фарадея 1846 года следующим образом:

«Концепция распространения поперечных магнитных возмущений за исключением нормальных четко изложена профессором Фарадеем в его« Мыслях о лучевых колебаниях ».Электромагнитная теория света, предложенная им [Фарадеем], по сути та же, что и та, которую я начал развивать в этой статье, за исключением того, что в 1846 году не было данных для расчета скорости распространения ».

И на странице 461 своей статьи 1865 года Максвелл также ссылается на магнитооптический эффект, заявляя:

«Фарадей обнаружил, что когда плоско поляризованный луч пересекает прозрачную диамагнитную среду в направлении силовых линий магнитного поля, создаваемых соседними магнитами или токами, плоскость поляризации вращается».

Всего Майкл Фарадей цитируется шесть раз и трижды упоминается в статье Максвелла 1865 года. Однако это неудивительно, учитывая, что большая часть работ Максвелла основана на работах Фарадея, и Максвелл математически смоделировал большинство открытий Фарадея по электромагнетизму в теорию, которую мы знаем сегодня.

Электромагнитные волны, о существовании которых Фарадей размышлял в 1846 году в своих мыслях о лучевых колебаниях , и которые были математически предсказаны Максвеллом в 1865 году, наконец, были получены в лаборатории Герца в 1888 году.Остальное уже история. Ясно, что Максвелл открыл дверь в физику двадцатого века, но не менее ясно, что Фарадей дал Максвеллу некоторые из ключей, которые он использовал.

В 1676 году Ньютон послал своему сопернику Гуку письмо, в котором написал: «Если я и видел дальше, то это было то, что он стоял на плечах гигантов» (*). Двести пятьдесят лет спустя, во время одного из визитов Эйнштейна в Кембридж, Великобритания, кто-то заметил: «Вы сделали великие дела, но стоите на плечах Ньютона». Эйнштейн ответил: «Нет, я стою на плечах Максвелла».Если бы кто-то сказал то же самое Максвеллу, он, вероятно, сказал бы, что стоял на плечах Фарадея .

(*) Хотя это предложение интерпретируется некоторыми авторами как саркастическое замечание, направленное на горбатую внешность Гука, в настоящее время эта фраза обычно используется в положительном ключе. Комментарий Ньютона – это заявление о том, что наука представляет собой серию постепенных достижений, которые строятся на уже достигнутых ранее (см., Например, книгу Стивена Хокинга под названием На плечах гигантов ).

Аугусто Белендес

Профессор прикладной физики Университета Аликанте (Испания) и член Королевского физического общества Испании

Библиография

  • А. Диас-Хеллин, Фарадей: El gran cambio en la Física (Nívola. Madrid, 2001).
  • Ордоньес, В. Наварро и Х. М. Санчес Рон, Historia de la ciencia (Espasa Calpe. Madrid, 2013).
  • Форбс и Б. Махон, Фарадей, Максвелл и электромагнитное поле: как два человека революционизировали физику (Prometheus Books.Нью-Йорк, 2014).
  • Зайонц, Улавливая свет: переплетенная история света и разума (Oxford University Press, Нью-Йорк, 1995)
  • Хокинг, На плечах гигантов: великие труды по физике и астрономии (Running Press. Philadelphia, 2002)
  • Мансурипур, Классическая оптика и ее приложения (Издательство Кембриджского университета. Кембридж, 2002)

Глава 3: Электромагнитное взаимодействие


Остин Коул, Жозефина Фабрициус и Андреа Лавиллес

Закон электростатики Шарля Огюстена де Кулона и Кулона


Шарль Огистен де Кулон родился 14 июня 1736 года. богатая семья.Он вырос в Ангулеме, Франция, и особенно любил учиться. математика. Он начал работать в бизнесе своего отца в Монпелье, но позже присоединился к военное училище, что в конечном итоге привело к его участию в строительстве форта в Мартиника, французская колония на Карибах. По возвращении во Францию ​​Кулон обнаружил обратная зависимость силы между электрическими зарядами и квадратом ее расстояние. Это стало известно как закон Кулонов.Кулон умер в Париже 23 августа 1806 года.
Закон Кулона, или закон обратных квадратов Кулона, впервые опубликованный в 1785 г. развитие теории электромагнетизма. Закон описывает электростатическое взаимодействие между электрически заряженными частицами. В нем говорится, что величина электростатики сила взаимодействия между двумя точечными зарядами прямо пропорциональна скалярной величине умножение величин зарядов и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.2), где r – расстояние между точечными зарядами, а ke – константа пропорциональности. Единица измерение этой силы F – это кулон C, или заряд, переносимый постоянным током в один ток. ампер за одну секунду. Это единица измерения электрического заряда в системе СИ.

Hans Christian Oersted & Oersted’s Discovery

Ганс Кристиан Эрстед родился в 1777 году на Рудкьёбинге в Дании (NNDB). Он учился на доктор философии в 1799 г. читал лекции по химии и натурфилософии.Эрстед был первым, кто установил связь между электрическими токами и магнетизмом. В 1820 г. Было опубликовано открытие, что при пропускании электрического тока по проводу создается магнитное поле.
Естественно, ученые и даже древние греки знали о железных магнитах и ​​магнитных камнях. сделали магниты с железными сердечниками (Bellis). Именно Эрстед нашел альтернативный метод магнетизм. Эрстед устроил демонстрацию для своих друзей и коллег, нагревая провод. используя электрический ток, и у него также был под рукой компас для демонстрации магнетизма.Во время демонстрации электричества он заметил, что стрелка компаса двигается, когда электрическая ток был включен и выключен. Игла не притягивалась и не отталкивалась проволокой, а вместо этого стоял под прямым углом от него. Эрстед размышлял о своем открытии, но не опубликовал никаких объяснение его выводов. Открытие Эрстеда жизненно важно для современного общества, потому что оно показывает, что использование меняющихся магнитное поле может генерировать электричество; и что электричество может генерировать магнитный поле (Чем).Последствия этого открытия можно найти в аппаратах МРТ для двигателей.

Феликс Савар

Феликс Савар родился 30 июня 1791 года в городе Мезьер, Франция. У его семьи была история стать инженерами и служить в армии, но Савар выбрал другое маршрут и предпочел изучать медицину. Франция в этот момент наслаждалась победами правление Наполеона, и после нескольких лет обучения Савар был призван на должность хирурга. для армии.После нескольких поражений Наполеона Савар был уволен из армии и продолжил его медицинское образование. Получив медицинское образование в Страсбурге, Саварт сосредоточился на получение большего медицинского опыта и перевод книги «Медицина» Авла Корнелиуса Цельсия.
В Меце Саварт открыл медицинскую практику, но обнаружил, что уделяет больше времени физике, чем физике. лечение пациентов. Затем он построил физическую лабораторию, в которой изучал звук и, в частности, пробовал строить скрипки в соответствии с математическими принципами.В 1819 году Савар отправился в Париж, чтобы найти издателя для его переведенной книги «Медицина», чтобы он мог поговорить с Био об акустике. инструментов. Биот нашел открытия Савара интересными, а Савар даже создал и продемонстрировал трапециевидная скрипка, обеспечивающая звук более высокого качества, чем обычная скрипка.

Когда прибыл Савар, Биот тоже изучал электричество, что привело к тому, что пара объединилась, когда они слышали об открытии Ганса Христиана Эрстеда, что когда стрелка компаса, находящаяся рядом с проводом, с током, проходящим через него, направленным под прямым углом к ​​нему.Вместе они открыли для себя Biot-Savart. закон: магнитные поля, создаваемые электрическими токами, можно рассчитать по закону. Они опубликовали газета “Записка о магнетизме пиля де Вольта” 1820 года.
Савар начал преподавать естественные науки в частной школе в 1820 году, а затем был избран в Академию наук. Наук и стал профессором экспериментальной физики. Савар опубликовал несколько работ о своем экспериментирует со звуком, раскрывая некоторые научные данные о вибрации инструмента и другие предметы, которые находятся поблизости.Он также создал диск Саварта. который представлял собой вращающийся диск, который помогал определять тон инструмента путем сопоставления тон. Частота легко определялась диском Савара. Он использовал свои технологии, чтобы помочь изучайте гармоничные и диссонирующие звуки.
Савар скончался в Париже 16 марта 1841 года, за несколько месяцев до своего 50-летия.

Майкл Фарадей и Закон индукции Фарадея

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года. Он был английским химиком и физиком. который внес важный вклад в науку, несмотря на отсутствие формального математического образования.Его исследования магнитных полей вокруг проводников, по которым проходят электрические токи постоянного тока, привели к основы электромагнитного поля в физике, которые позже исследовал Джеймс Максвелл. Фарадей установил, что магнетизм может влиять на лучи света, открыл принцип электромагнитная индукция, диамагнетизм и законы электролиза, изобрели электромагнитный
вращающиеся устройства, которые легли в основу технологии электродвигателей, помогли производить электричество пригоден для использования в технике, обнаружен бензол, исследован клатратный гидрат хлор, изобрел раннюю форму горелки Бунзена и систему степеней окисления, и популярная терминология, такая как анод, катод, электрод и ион.

Закон индукции Фарадея является основным законом электромагнетизма, относящимся к принципы работы трансформаторов, индукторов и многих типов электродвигателей и генераторы. В нем говорится, что индуцированная электродвижущая сила (ЭДС) в любой замкнутой цепи равна к скорости изменения магнитного потока через контур. Это относится только к закрытым схемы из тонкой проволоки. Единица емкости под названием фарад F была названа в честь Фарадея. Фарад – это заряд в кулонах, который конденсатор примет, чтобы потенциал на нем изменился на 1 вольт.

Джеймс Клерк Максвелл

Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня 1831 года в Эдинбурге. Его отец был юристом и происходил из зажиточная семья. Он вырос в сельской местности Шотландии как единственный ребенок. Мать Максвелла дала ему образование первые несколько лет своей жизни, но она умерла от рака, когда Максвеллу было всего восемь лет. Отец Максвелла нанял для него репетитора, чтобы он начал свое формальное образование. В 1841 году, спустя два года репетиторство, отец Максвелла решил уволить наставника и отправить Джеймса в Эдинбургскую академию.Он должен был начать со второго года обучения, что означает, что все в его классе были на год старше его. Максвелл был выбран одноклассниками из-за его деревенских манер и акцента. Находясь в академии, Максвелл выиграл получил награды по математике и английскому языку и написал свою первую научную статью Oval Curves. Документ был представлен
Королевское общество Эдинбурга. Максвеллу было всего четырнадцать, и он считался слишком молодым, чтобы представить работа, поэтому ее вместо этого представил Джеймс Форбс, профессор Эдинбургского университета.

Максвелл закончил школу в академии, когда ему было шестнадцать лет. Он продолжил образование в Эдинбургском университете. Во время учебы он самостоятельно провел множество экспериментов. используя оборудование, которое он сделал. Эти эксперименты в основном были сосредоточены на свойствах света. Максвелл написал еще две работы, пока он учился на бакалавриате, но его снова сочли слишком молодым, чтобы представлять свои собственные. После учебы в Эдинбургском университете Максвелл поступил в Кембриджский университет, чтобы получить степень магистра.Он учился там с 1851 года, пока не окончил в 1854 году диплом по математике. Максвелл решил подать заявку на стипендия, которая была предоставлена ​​в конце 1855 года. Однако в следующем году Максвелл получил поддержку своего бывшего профессора Forbes подать заявку на вакантную должность в Marischal College. Максвелл был принят на позиции и покинул Кембридж в конце 1856 г.

В то время как профессор естественной философии в Маришале, Максвелл продолжал свое обучение в математика, оптика и физика.Он решил загадку того, как кольца Сатурна оставались стабильными, доказав, что математически, что они состоят из множества мелких частиц. Максвелл также встретил Кэтрин Дьюар, пока он жил в Маришале и женился на ней в 1859 году. В 1860 году Максвелл оставил Маришальский колледж и стал профессор Королевского колледжа в Лондоне. За время своего пребывания там Максвелл добился многих успехов в изучении электричество и магнетизм. Максвелл преподавал в Королевском колледже до 1865 года, когда он ушел в отставку и вернулся в дом, в котором он вырос.

Максвелл продолжал писать, пока не преподавал. В 1871 году Максвелл вернулся в Кембридж в качестве профессор физики. Джеймс Максвелл умер 5 ноября 1879 года от того же типа рака брюшной полости, что и его мать страдала от. Многие из его неопубликованных работ были напечатаны после его смерти в Кембридже. Университет.

Уравнения Максвелла>
В статье Джеймса Максвелла 1861 г., озаглавленной «О физических линиях силы», были использованы все современные знания электричество и магнетизм и свел их в систему дифференциальных уравнений.Было двадцать из этих уравнений и всего двадцать переменных. Максвелл использовал эти уравнения для вычислить скорость распространения электромагнитного поля, которая приблизительно равна скорости свет. Из этих расчетов Максвелл пришел к выводу, что свет – это электромагнитное возмущение. и следует тем же законам.
Максвелл сократил свою систему уравнений до четырех уравнений в частных производных. Есть два варианта уравнений Максвелла: микроскопическая и макроскопическая.Микроскопическая система, также известная как уравнения Максвелла в вакууме, использует полный заряд и общий текущий присутствует. Макроскопическая система или уравнения Максвелла в веществе зависят только от зависит только от бесплатного заряда и бесплатного тока. Кроме того, уравнения Максвелла можно записать как в интегральной, так и в дифференциальной форме.
Первое из уравнений Максвелла также известно как закон Гаусса. Он описывает взаимосвязь между электрическими зарядами и создаваемым ими электрическим полем.Второй известный как закон Гаусса для магнетизма. Это уравнение описывает существование магнитных полей и магнитный поток. Все магниты существуют в виде диполей, что означает, что у каждого магнита есть как северный, так и южный полюс. Не бывает магнитных монополей, у которых есть только северный или южный полюс. Третий Максвелл уравнения известны как закон Фарадея. В нем говорится, что изменяющееся магнитное поле может создавать электрическое поле. Финал уравнения Максвелла – вариант закона Ампера.Это исправлено уравнение описывает два способа создания магнитного поля. Один из способов – электрический ток, а второй – изменяющимся электрическим полем.

Магнитная сила (зависимость от скорости)

Магнитная сила – это сила, которая действует на заряд, движущийся через магнитное поле. Этот движущийся заряд может принимать форму либо тока в проводе, либо заряженной частицы, движущейся с некоторой скоростью. Величина этой силы пропорциональна току и величине магнитного поля, и направление силы перпендикулярно как магнитному полю, так и направлению Текущий.Кроме того, магнитные поля могут создаваться движущимися зарядами. Это означает, что два текущих несущие провода, размещенные рядом, будут испытывать магнитную силу, вызванную магнитным полем противоположный провод. Важно отметить, что заряженный объект будет чувствовать магнитную силу только в том случае, если он движущийся.

Генрих Герц

Генрих Герц, немецкий физик, родился в 1857 году в Гамбурге. Его семья была довольно зажиточной, поэтому у него был доступ к качественному образованию.Герц был особенно искусен в науке и технике. Он учился во многих школах по всей Германии, получив докторскую степень в 1880 году в Берлинском университете. После получив ученую степень, Герц прошел некоторое обучение в докторантуре и в конечном итоге стал профессором в
Университет Карлсруэ. Герц внес большой вклад в изучение теории электромагнетизма, расширив идеи, выдвинутые Джеймсом Максвеллом. В 1886 году Герцу удалось доказать существование электромагнитные волны.Он сделал это, установив передатчик радиоволн, который производил искру на частота. Затем он использовал проволочный круг с очень маленьким зазором между концами в качестве приемника. В электромагнитные волны, создаваемые передатчиком, создавали колебательный ток в петле провода, который создавало искры в зазоре в ствольной коробке. Герцу удалось уточнить свои эксперименты, чтобы показать, что эти электромагнитные волны распространяются с той же скоростью, что и свет, тем самым подтверждая гипотезу Максвелла.За его вкладов, единица измерения частоты получила название «герц».

Причины промышленного переворота

Промышленный переворот в странах Западной Европы и Соединенных Штатах Америки охватывает период со второй половины XVIII века до середины XIX века.Он совершил качественный прорыв в технологическом развитии, завершил создание Западного капиталистического общества.

Промышленный переворот (син. Промышленная революция) – это переход от ручного труда к механизированному, от мануфактурного производства к фабричному, сопровождаемый нововведениями во всех сферах общественной жизни.

Причины промышленного переворота:

  1. Скопление денежных средств и материальных ценностей в руках буржуазии, что дало ей возможность вложить деньги в развитие промышленности.
  2. Принятие реформ, направленных на защиту частной собственности[1].
  3. Формирование судебной системы защищающей имущественную неприкосновенность.
  4. Активное развитие международной торговли.
  5. Повышение благосостояния народонаселения, которое привело к увеличению спроса на промышленные товары.
  6. Возникновение множества технических изобретений, развитие научной мысли.
  7. Широкое распространение наемного труда, который стал основной движущей силой крупномасштабного производства.
  8. Обмирщение сознания, вдохновение людей к занятию предпринимательской деятельностью.

Условия для промышленной революции в разных государствах сложились не одновременно. Раньше всего начался промышленный переворот в Англии, ему проложила путь Английская революция 1640- 1660гг.

Особенности промышленного переворота в Англии, Франции, Северной Америке

Первой на путь переворота в промышленности вступила Великобритания, обогнав большинство своих европейских соседей более чем на 100 лет.

Великобритания

Здесь промышленный переворот начался во второй половине XVIII века (1780-1840гг) из-за ряда условий:

  • Аграрной революции.

Развернувшиеся в государстве процессы «огораживания[2]» лишили крестьян земли. Это привело к победе крупной земельной собственности сосредоточенной в руках землевладельцев и полному исчезновению мелких крестьянских хозяйств. Чтобы выжить, крестьяне вынуждены были наниматься в качестве батраков или уходить в города в поисках работы на мануфактурах[3]. Такие капиталистические изменения способствовали росту производительности в сельскохозяйственном производстве и создавали базу наемных работников, которые были нужны для развития английской промышленности.

  • Английской революции 1640-1660гг.

Революция принесла с собой множество изменений, реформ, которые способствовали «раскрепощению» предпринимательской деятельности, активному развитию торговли.

  • Начала применения машин в промышленности.

Разнообразные технические изобретения (как например, создание паровой машины) стали основой для появления нового типа капиталистических производственных предприятий - фабрик. Фабрики отличались от мануфактур большей производительность труда, благодаря замене ручного труда машинным.

2sfsf

В Великобритании достижения промышленной революции внедрялись сначала в тех сферах, которые пользовались повышенным спросом - текстильной и металлургической промышленности. Так был внедрен летучий челнок, механическая прялка «Дженни», паровые машины.

Франция

Во Франции промышленная революция началась намного позднее чем в Англии - в начале XIX века. В отличие от Англии, здесь внедрение машин на производство заняло долгие десятилетия, промышленная революция приняла затяжной характер.

3dad

Темпы французского промышленного развития тормозились по нескольким причинам:

  1. Французская буржуазная революция привела к власти не столько промышленную буржуазию, сколько банкиров.
  2. В сельскохозяйственном производстве даже после Великой Французской революции не были уничтожены некоторые феодальные пережитки.
  3. Негативно на экономическом развитии Франции сказывалась континентальная блокада – внешняя политика, проводимая в начале XIX века Наполеоном, основанная на запрете на торговлю с Англией и ее колониями. Континентальная блокада лишала французских предпринимателей английских машин, хлопка, угля, металлоизделий.
  4. Темпы промышленной революции замедлялись из-за отставания Франции в строительстве железных дорог. А ведь именно железнодорожные пути позволяли перевозить тяжелые грузы: сырье, станки и машины, готовую продукцию.
  5. Во Франции традиционно преобладало мелкое кустарное производство, не хватало условий для развертывания крупномасштабной промышленности.

Первоначально во Франции развивались преимущественно отрасли текстильного производства, и только во второй половине XIX века получили развитие металлургия, химическая, машиностроительная и горнодобывающая промышленность.

США

Почти одновременно с Францией в новом буржуазном государстве - Соединенных Штатах Америки начался промышленный переворот. Здесь двигателем революции в промышленности стали:

  • Приток рабочей силы из стран Западной Европы.

Люди эмигрировали[4] в США в поисках лучшей жизни, скрываясь от местных властей, в поисках рабочих мест.

  • Строительство железных дорог.
  • Накопление в руках местной буржуазии огромных капиталов, источниками которых были иностранные инвестиции, работорговля, контрабанда[5], пиратство.
  • Революция и война за независимость Североамериканских колоний, в результате которой были образованы США, создавшие все условия для развития промышленности внутри государства.

4dgsg

Предприниматели Северной Америки перенимали английский технический опыт, использовали они и американские технические открытия и изобретения, способствующие повышению производительности труда.Технические изобретения внедрялись в самые развитые промышленные отрасли: текстильную, шерстяную, мукомольную, сахарную, табачную.

Технические и научные изобретения промышленной революции

Главной движущей силой промышленной революции были достижения научно-технической мысли XVIII – первой половины XIX века.

Прорыв в развитии промышленности был совершен благодаря:

  1. Изобретению паровой машины. Первую в мире универсальную паровую машину изобрел шотландский инженер Джеймс Уатт в 1784 году. Его машина способна была выполнять любую работу и вскоре ее стали внедрять на всех фабриках и заводах. Паровые машины в промышленности заменили маломощные и низкоэффективные «живые» двигатели – ветряные мельницы, в сотни и тысячи раз увеличили производительность труда.
  2. Изобретение паровоза. Возникновение паровых двигателей произвело революцию не только в промышленности, но и в транспортных средствах. В 1801 году британский механик Ричард Тревитик построил первый в мире паровоз. Однако паровоз Ричарда не получил широкого распространения, так как постоянно ломал чугунные рельсы, для него нужно было строить специальные пути. Появились новые изобретатели, взявшиеся за создание паровоза, удачнее остальных оказались локомотивы Джорджа Стефенсона.
  3. Строительству первых железных дорог. С изобретением паровоза не была решена проблема грузоперевозок. Паровозы передвигались медленно, постоянно ломали чугунные рельсы. Заменить чугунные рельсы железными предложил английский механик Джордж Стефенсон. К его мнению прислушались, так как к тому времени он уже приобрел всемирную известность благодаря своим паровозам. Строительство железной дороги началось в 1821 и завершилось в 1825 году. Между английскими городами Стоктон и Дарлингтон была построена первая в мире железная дорога. Позднее железнодорожное строительство развернулось по всему миру. По рельсовым путям перевозили сырье, тяжелые станки, оборудование, готовую продукцию на продажу.

5kjfj

Эти три важнейших изобретения сделали возможным переход от мануфактуры к фабрике. На фабриках производили не только товары народного потребления, но и производственное оборудование. Увеличение численности машин провоцировало массовую потребность в металле, способствовало развитию металлургии. А появление новых видов транспорта помогло организовать бесперебойную поставку металлов на фабрики и заводы.

Изобретение электричества

Еще одним важным достижением промышленного переворота стало изобретение электричества.

Научные эксперименты с электричеством проводились начиная с XVIII века. В 1791 году итальянский врач и физик Луиджи Гальвани открыл так называемое «животное электричество», обнаружив, как ток вызывает мышечное сокращение у препарированных лягушек. В 1799 году итальянский физик Алессандро Вольта доказал, что «животного электричества» не существует, а препарированные лягушки реагировали на ток, возникающий при контакте разнородных металлов.

В 1800 году Алессандро Вольта смастерил источник постоянного тока - Вольтовый столб. В его честь была названа единица электрического напряжения -вольт, он ввел такие понятия как: электродвижущая сила, цепь и разность напряжений.

Неоценимый вклад в развитие электричества внес американский ученый Томас Эдисон, который изобрел в 1879 году знаменитую лампу накаливания. Лампы использовали для освещения городских улиц, производственных помещений на фабриках и заводах. Изобретение электричества позволило увеличить продолжительность рабочего дня, теперь фабрики и заводы могли работать посменно, и днем, и ночью.

6ddhdh

биография

Алессандро Вольта, полное имя Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Вольта, родился 18 февраля 1745 года в Комо, Италия. Его семья имела благородный характер, что облегчало ему получение образования с раннего возраста.

Мать Алессандро была благородной, а отец был причастен к так называемой высокой буржуазии. Когда ему было всего 7 лет, его отец умер, а это означало, что ему не хватало этой фигуры с самого начала.

Первые исследования

Алессандро проявил интерес к явлениям природы в детстве; тем не менее, первое образование, которое получило - основное и среднее - носило скорее гуманистический характер. Его первой школой был один из иезуитов, который был в его городе..

Говорят, что учителя этой школы хотели мотивировать его продолжить обучение в религиозной сфере. Со своей стороны, его семья заставила его посвятить себя профессии юриста, поскольку в этой семье это была традиционная карьера..

Оказавшись в гуще этих трудностей, Алессандро остался тверд в своих интересах и выбрал научную подготовку, как только начал свое высшее образование..

Первые изобретения

Согласно историческим записям, известно, что Вольта ответил на его интерес к электрическим явлениям, когда он был молодым, учитывая, что, когда ему было 18 лет, он начал общаться по почте с различными электрологами, проживающими в Европе..

Уже с 1767 года Вольта начал делиться своими представлениями об электричестве; в этом случае он сделал это с Джован Батиста Беккариа, который был профессором в городе Турине.

В 1774 году Вольта был предложен в качестве профессора физики в Королевской школе Комо; там он начал свою педагогическую деятельность. Почти параллельно с этим назначением, в 1775 году Volta выпустила свое первое электрическое изобретение; это был электрофор, артефакт, через который можно было производить статическую энергию.

В дополнение к генерации статической энергии большое преимущество этого изобретения состояло в том, что оно имело длительный характер; то есть вам нужно было только зарядить его, чтобы он мог передавать энергию разным объектам.

Всего два года спустя Вольта обнаружил еще одно важное открытие, в данном случае в области химии: Алессандро Вольта смог определить и изолировать газообразный метан. Вольта продолжил свою преподавательскую деятельность, а с 1779 года он начал работать профессором физики в Университете Павии..

Выводы о текущей и животной ткани

С 1794 года Вольта интересовался производством электрического тока через металлы без использования тканей животных, что было популярным понятием в то время..

Луиджи Гальвани, еще один известный ученый и друг Вольты, провел несколько экспериментов в этой области за несколько лет до этого, в 1780 году. Согласно экспериментам, проведенным Гальвани, было возможно генерировать электрический ток, когда два металла с различными характеристиками контактировали с мышцей. лягушки.

В этом случае Вольта повторил эти эксперименты и получил аналогичные ответы, но не был полностью убежден в результате.

Затем, с помощью различных экспериментов, проведенных в 1794 году, Вольта смог подтвердить, что ткани животных не были необходимы для генерации электрического тока. Это означало революционное утверждение для времени.

С этого момента они начали поиски Вольты, чтобы проверить свою гипотезу и получить одобрение научного сообщества. Вольта провел несколько экспериментов, и, наконец, в 1800 году появилась первая электрическая батарея..

Аккумулятор, созданный Volta, состоял из 30 металлических колес, отделенных друг от друга влажными тканями. Наконец, Вольта обнародовал свое изобретение перед Королевским лондонским обществом, которое после различных проверок отдает должное Вольте, которая изобрела первую электрическую батарею..

подтверждени

Конечно, это изобретение было очень влиятельным в то время, так как оно оказалось инструментом, который изменил многие процессы, создав несомненные лучшие.

Власти того времени признали это важное открытие, поэтому Алессандро Вольта был вызван в различные академические учреждения, чтобы рассказать о своем изобретении и последствиях, которые он имел.

Одной из личностей, которая особенно интересовалась изобретением Вольты, был Наполеон Бонапарт. В 1801 году этот стратег пригласил Вольта в Париж, чтобы отправиться в Институт Франции, чтобы объяснить особенности этой электрической батареи..

Масштабы открытия заинтересовали Бонапарта таким образом, что Бонапарт стал очень вовлеченным в переговоры, данные Вольтой, и рекомендовал ему получить самые большие почести, которых он считал этим ученым заслужить..

Научная проверка и назначения

После этого именно Национальный институт наук проверил функциональность изобретения Вольта и признал, что это действительно замечательное изобретение, поэтому он был номинирован на получение золотой медали за научные заслуги - высшее отличие в область науки в то время.

Со своей стороны Бонапарт продолжал демонстрировать восхищение Алессандро Вольта, вплоть до того, что он был назван Рыцарем Почетного легиона и назначил ему ежегодную пенсию.

Вольта также получил другие назначения от других личностей: он носил титул Рыцаря Королевского итальянского ордена Железной Короны и был графом Италии, через год после того, как исполнял обязанности итальянского сенатора..

Признание последовало, и в 1815 году, через 15 лет после создания первой электрической батареи, университет Падуи - один из самых важных в Италии - назначил его директором своего философского факультета..

кончина

В общем, Алессандро Вольта был охарактеризован как человек спокойного, центрированного, остроумного и верующего характера. После обнаружения электрической батареи, его последующие исследования касались проводимости и интенсивности.

В последние годы своей жизни Вольта жил на ферме, расположенной в непосредственной близости от Комо, его родного города; его поселение было в Камнаго. Он умер 5 марта 1827 года, когда ему было 82 года.

Основные вклады

Электрическая батарея или аккумуляторная батарея

В марте 1800 года Вольта внес свой самый большой вклад, изобрел электрический аккумулятор. Это изобрело революцию в концепции источников энергии навсегда, сделав впервые доступным портативный источник постоянного тока.

Электрическая батарея позволяла генерировать ток из колонки дисков разных металлов с вкраплениями картона, смоченного в солевом растворе.

Этот вклад Вольты привел к разработке приложений, таких как электролиз воды или производство электрической дуги между двумя углеродными полюсами. Кроме того, это изобретение позволило продемонстрировать связь между магнетизмом и электричеством..

электрохимия

Алессандро Вольта считается одним из отцов электрохимии как дисциплины. Вольта разделяет этот титул с Луиджи Гальвани, который сделал важные разработки в области электричества для животных.

Основной вклад Вольты в эту дисциплину был сделан с помощью экспериментов с лягушками, которые он провел для оценки электрических явлений, описанных Гальвани..

Различные интерпретации, данные Вольтой и Гальвани к этим явлениям, позволили истинному развитию электрохимии.

Некоторые авторы считают Вольту истинным основателем электрохимии из-за экспериментальной природы, которая дала эту отрасль науки.

Контактные законы электрификации

Вольта поднял знаменитые законы контактной электрификации, теорию, которую он разработал, чтобы объяснить источники электрических зарядов. Впоследствии теория Вольта о контактном электричестве оказалась неполной и ошибочной в нескольких аспектах..

Несмотря на ошибки, теория Вольта длилась много лет и послужила основой для развития экспериментального изучения электричества и для важных теоретических дискуссий на эту тему..

изобретение из аппаратные средства

Среди менее известного вклада Вольты в мир науки большое количество оборудования, некоторые из которых используются до сих пор..

Вольтовое изобретение, такое как электрический конденсатор, который используется для накопления энергии. Он также изобрел конденсаторный электроскоп, аппарат, который сочетает в себе функции электроскопа и конденсатора..

Кроме того, он усовершенствовал электрофор, команду, изобретенную Йоханом Вилке и которая служит генератором статического электричества..

Открытия и экспериментальные процессы

Алессандро Вольта сделал важный экспериментальный вклад в свое время. Среди них он, как известно, открыл органическую природу биогаза.

С другой стороны, Вольта также провел важные эксперименты в области атмосферного электричества, такие как воспламенение газов электрическими искрами в закрытых контейнерах..

Вклад Вольты в научный мир продолжался до 1803 года. После этого года и до даты своей смерти в 1827 году он не вносил новых вкладов..