Еще за тысячу лет до первых наблюдений электрических явлений, человечество уже начало накапливать знания о магнетизме. И всего четыреста лет тому назад, когда становление физики как науки только началось, исследователи отделили магнитные свойства веществ от их электрических свойств, и только после этого начали изучать их самостоятельно. Так было положено экспериментальное и теоретическое начало, ставшее к середине 19 века фундаментом единой теории электрических и магнитных явлений.
Похоже, что необычные свойства магнитного железняка были известны еще в период бронзового века в Месопотамии. А после начала развития железной металлургии люди заметили, что он притягивает изделия из железа. О причинах этого притяжения задумывался и древнегреческий философ и математик Фалес из города Милет (640−546 гг. до н. э.), он объяснял это притяжение одушевленностью минерала.
Греческие мыслители представляли, как невидимые пары окутывают магнетит и железо, как эти пары влекут вещества друг к другу.
Слово «магнит» могло произойти он названия города Магнесии-у-Сипила в Малой Азии, недалеко от которого залегал магнетит.
Одна из легенд рассказывает, что пастух Магнис как-то оказался со своими овцами рядом со скалой, которая притянула к себе железный наконечник его посоха и сапоги.
В древнекитайском трактате «Весенние и осенние записи мастера Лю» (240 г. до н. э.) упоминается свойство магнетита притягивать к себе железо. Через сто лет китайцы отметили, что магнетит не притягивает ни медь, ни керамику. В 7-8 веках они заметили, что намагниченная железная игла, будучи свободно подвешена, поворачивается по направлению к Полярной звезде.
Так ко второй половине 11 века в Китае начали изготавливать морские компасы, которые европейские мореплаватели освоили лишь через сто лет после китайцев.
Тогда китайцы уже обнаружили способность намагниченной иглы отклоняться в направлении восточнее северного, и открыли таким образом магнитное склонение, опередив в этом европейских мореплавателей, пришедших к точно такому выводу только в 15 столетии.
В Европе первым свойства природных магнитов описал философ из Франции Пьер де Марикур, который в 1269 году пребывал на службе в армии сицилийского короля Карла Анжуйского. В период осады одного из итальянских городов, он отправил другу в Пикардию документ, вошедший в историю науки под названием «Письмо о магните», где и рассказал о своих экспериментах с магнитным железняком.
Марикур отметил, что в любом куске магнетита есть две области, которые особенно сильно притягивают к себе железо. Он заметил в этом сходство с полюсами небесной сферы, поэтому позаимствовал их названия для обозначения областей максимума магнитной силы. Оттуда и пошла традиция называть полюса магнитов южным и северным магнитными полюсами.
Марикур писал, что если разбить любой кусок магнетита на две части, то в каждом осколке появятся собственные полюса.
Марикур впервые связал эффект отталкивания и притяжения магнитных полюсов с взаимодействием разноименных (южного и северного), либо одноименных полюсов.
Марикур по праву считается пионером европейской экспериментальной научной школы, его заметки о магнетизме воспроизводились в десятках списков, а с появлением книгопечатания издавались в форме брошюры.
Их цитировали многие ученые натуралисты вплоть до 17 столетия.
С трудом Марикура был хорошо знаком и английский естествоиспытатель, ученый и врач Уильям Гильберт. В 1600 году он опубликовал труд «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле».
В этом труде Гильберт привел все известные на тот момент сведения о свойствах природных магнитных материалов и намагниченного железа, а также описал свои собственные опыты с магнитным шаром, в которых воспроизвел модель земного магнетизма.
В частности он опытным путем установил, что на обоих полюсах «маленькой Земли» стрелка компаса поворачивается перпендикулярно ее поверхности, у экватора устанавливается параллельно, а на средних широтах — поворачивается в промежуточное положение. Таким образом Гильберту удалось смоделировать магнитное наклонение, о котором в Европе знали более 50 лет (в 1544 году его описал Георг Хартман, механик из Нюрнберга).
Гильберт воспроизвел также геомагнитное склонение, которое он приписал не идеально гладкой поверхности шара, а в масштабе планеты объяснил этот эффект притяжением между континентами.
Он обнаружил, как сильно разогретое железо теряет свои магнитные свойства, а при охлаждении – восстанавливает их. Наконец, Гильберт первым четко различил притяжение магнита и притяжение янтаря, натертого шерстью, которое назвал электрической силой.
Это был поистине новаторский труд, оцененный как современниками, так и потомками. Гильберт открыл, что Землю будет правильным считать «большим магнитом».
До самого начала XIX века наука о магнетизме продвинулась очень немного. В 1640 году Бенедетто Кастелли, ученик Галилея, объяснил притяжение магнетита множеством очень маленьких магнитных частиц, входящих в его состав.
В 1778 году Себальд Бругманс, уроженец Голландии, заметил, как висмут и сурьма отталкивали полюса магнитной стрелки, что стало первым примером физического феномена, который позже Фарадей назовет диамагнетизмом.
Шарль-Огюстен Кулон в 1785 году, посредством точных измерений на крутильных весах, доказал, что сила взаимодействия магнитных полюсов между собой обратно пропорциональна квадрату расстояния между полюсами — так же точно, как и сила взаимодействия электрических зарядов.
С 1813 года датский физик Эрстед усердно пытался экспериментально установить связь электричества с магнетизмом. В качестве индикаторов исследователь использовал компасы, но долго не мог достичь цели, ведь он ожидал, что магнитная сила параллельна току, и располагал электрический провод под прямым углом к стрелке компаса. Стрелка никак не реагировала на возникновение тока.
Весной 1820 года, во время одной из лекций, Эрстед натянул провод параллельно стрелке, причем не ясно, что привело его к этой идее. И вот стрелка качнулась. Эрстед почему-то прекратил эксперименты на несколько месяцев, после чего вернулся к ним и понял, что «магнитное воздействие электрического тока направлено по окружностям, охватывающим этот ток».
Вывод был парадоксальным, ведь раньше вращающиеся силы не проявляли себя ни в механике, ни где-либо еще в физике. Эрстед написал статью, где изложил свои выводы, и больше электромагнетизмом так и не занимался.
Осенью того же года француз Андре-Мари Ампер приступил к опытам. Перво-наперво повторив и подтвердив результаты и выводы Эрстеда, в начале октября он обнаружил притяжение проводников, если токи в них направлены одинаково, и отталкивание, если токи противоположны.
Ампер изучил также взаимодействие между непараллельными проводниками с током, после чего описал его формулой, названой позже законом Ампера. Ученый показал и то, что свернутые в спираль провода с током поворачиваются под действием магнитного поля, как это происходит со стрелкой компаса.
- Наконец, он выдвинул гипотезу о молекулярных токах, согласно которой внутри намагниченных материалов имеют место непрерывные микроскопические параллельные друг другу круговые токи, служащие причиной магнитного действия материалов.
- В то же время Био и Савар совместно вывели математическую формулу, позволяющую вычислять интенсивность магнитного поля постоянного тока.
- И вот, к концу 1821 года Майкл Фарадей, уже работавший в Лондоне, изготовил устройство, в котором проводник с током вращался вокруг магнита, а другой магнит поворачивался вокруг другого проводника.
Фарадей выдвинул предположение, что и магнит, и провод окутаны концентрическими силовыми линиями, которые и обуславливают их механическое воздействие.
Со временем Фарадей уверился в физической реальности силовых магнитных линий.
К концу 1830-х ученый уже четко осознавал, что энергия как постоянных магнитов, так и проводников с током, распределена в окружающем их пространстве, которое заполнено силовыми магнитными линиями.
В августе 1831 года исследователю удалось заставить магнетизм производить генерацию электрического тока.
Устройство состояло из железного кольца с расположенными на нем двумя противоположными обмотками. Первую обмотку можно было замыкать на электрическую батарею, а вторая соединялась с проводником, помещенным над стрелкой магнитного компаса. Когда по проводу первой катушки тек постоянный ток, стрелка не меняла своего положения, но начинала качаться в моменты его выключения и включения.
Фарадей пришел к заключению, что в эти моменты в проводе второй обмотки возникали электрические импульсы, связанные с исчезновением или возникновением магнитных силовых линий. Он сделал открытие, что причиной возникающей электродвижущей силы является изменение магнитного поля.
В ноябре 1857 года Фарадей написал письмо в Шотландию профессору Максвеллу с просьбой придать математическую форму знаниям об электромагнетизме. Максвелл просьбу выполнил. Понятие электромагнитного поля нашло место в 1864 году в его мемуарах.
Максвелл ввел термин «поле» для обозначения части пространства, которая окружает и содержит тела, пребывающие в магнитном или электрическом состоянии, причем он особо подчеркнул, что само это пространство может быть и пустым и заполненным совершенно любым видом материи, а поле все равно будет иметь место.
В 1873 году Максвелл издал «Трактат об электричестве и магнетизме», где представил систему уравнений, объединяющих электромагнитные явления.
Он дал им название общих уравнений электромагнитного поля, и по сей день они зовутся уравнениями Максвелла. По теории Максвелла магнетизм – это взаимодействие особого рода между электрическими токами.
Это фундамент, на котором построены все теоретические и экспериментальные работы, относящиеся к магнетизму.
по этой теме: Катушки индуктивности и магнитные поля
электричество и магнетизм
 |
 |
 |
| Электричество- собственный гнев, собственное бушевание тела, гневная самость, которая проявляется в каждом теле, когда его раздражают.(Гегель. Диалектика природы) |
 |
def:[1] Классическая электродинамика — теория поведения электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрическими зарядами. |
Пока вряд ли это можно считать определением, потому что неясно, что такое поле и заряд. Об этом мы поговорим ниже, а здесь отметим, что среди известных видов взаимодействий электромагнитное занимает одно из первых мест по широте и разнообразию проявлений.
Это связано с тем, что все тела построены из электрически заряженных частиц, взаимодействие между которыми на много порядков интенсивнее гравитационного и слабого, а с другой стороны действует на гораздо больших расстояниях, чем сильное взаимодействие.
Электродинамика тесно связана и полностью совместима c различными областями физики, в том числе с СТО, которая собственно выросла из классической теории электромагнетизма и связанных с ней экспериментов. Электродинамика является теоретической основой многих прикладных наук: электро- и радиотехники, радиоастрономии и т.д.
Законы классической электродинамики не работают на малых пространственно-временных интервалах, где царит квантовая электродинамика. Слово «классическая» означает здесь «не квантовая».
2. Историческая справка. Развитие представлений о природе электричества и магнетизма
Здесь можно привести почти весь курс истории физики, однако наша задача — лишь расставить вехи.
· Фалес Милетский — VI в. до н.э. — янтарное веретено притягивает мелкие предметы — elektron. · V в. до н.э. — город Магнезия (в современной Турции) — камни, притягивающие железо и показывающие всегда одно направление — магниты. · Тит Лукреций Кар — I в. до н.э. — поэма «О природе вещей». · Абуль-Валид Мухаммед ибн-Ахмед ибн-Мухаммед ибн-Рошд (Аверроэс) — арабский ученый (1126-1198) — о лечебных свойствах магнита. · 1269 г. — «Послания о магните рыцаря Пьера де Марикура по прозванию Перегрина (странник) к рыцарю Сигеру де Фукорур». · Питер ван Мушенброк — 1745 — лейденская банка — первый конденсатор. · У. Джильберт — 1600 — разграничил электрические и магнитные явления, открыл существование магнитных полюсов. «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле…» · С.Грей — 1729 — электропроводность, проводники и изоляторы. · Ш.Ф.Дюфе — 1735 — электричество двух сортов: стеклянное и смоляное; первый электроскоп (растрепанная кисточка). · М.В.Ломоносов -1752 — опыты с атмосферным электричеством. · Б.Франклин — 1747-53- унитарная теория электричества, молниеотвод. · Г.Кавендиш (1773), Ш.Кулон(1785) — закон Кулона. · Л.Гальвани -1790 — животное электричество (бульон из лягушачьих лапок). · А.Вольта — 1800 — первый источник тока — вольтов столб. · А.Петров — 1802 — электрическая дуга. · Г.Дэви — 1807 — электролиз, впервые получил натрий и калий. · Х.Эрстед, А.М.Ампер — 1820 — магнит и ток. · Г.Ом -1826 — закон Ома. 
· К.Ф.Гаусс -1830 — теорема Гаусса. · Д.П.Джоуль — Э.Х.Ленц — (1841-1842) — закон Джоуля-Ленца. · М.Фарадей — 1830-40 — экспериментальный электромагнетизм. · Ф.Нейман — 1845 — математическая формулировка закона электромагнитной индукции. · Кельвин — 1853 — колебательный контур. · Д.К.Максвелл — 1861-73 — уравнения Максвелла. · Г.Герц -1886-89 — существование эл.-м. волн. · Т.Эдисон -1883 — термоэмиссия. · А.С.Попов — 1896 — радио. · Дж.Дж.Томсон — 1897-98 — электрон. · Дж.Флеминг 1904 — электронная вакуумная лампа. · Х.Лоренц — 1880-1909 — электронная теория вещества. · Р.Милликен — 1911 – определение элементарного заряда
Собственно классическая электродинамика на этом закончена, а дальше идут уже ее применения. Краткие сведения об этих и других ученых разбросаны по всему курсу.
3. Теория дальнодействия
Попробуем понять, как взаимодействуют заряженные тела. Более старая теория исходит из представления о непосредственном действии тел друг на друга на расстоянии, без участия каких-либо материальных посредников.
Теория действия на расстоянии господствовала примерно до последней четверти 19 века.
Дело в том, что в механике в это время безраздельно правили законы Ньютона ( в том числе закон всемирного тяготения), которые прекрасно объясняли огромное количество наблюдаемых фактов, сами не поддаваясь какому-либо объяснению.
Легко предположить, что тяготение, электрические и магнитные силы вообще не нуждаются в объяснении, так как являются врожденными свойствами материи.
Следовательно, задача теории электромагнетизма заключается лишь в математизации законов природы, и на их основе объяснении электрических и магнитных явлений. Следует отметить, что часто электромагнитные законы — калька законов механических (закон Кулона — закон всемирного тяготения Ньютона).
В математическом отношении теория дальнодействия благодаря усилиям выдающихся физиков и математиков (Лапласа, Ампера, Гаусса, Остроградского и т.д. — подробнее о каждом из них расскажем в соответствующем разделе курса) обладала простотой, ясностью, не использовала гипотез о физической природе электричества, основывалась только на экспериментальных фактах и их обобщениях.
4. Теория близкодействия
И все же: «Можно ли воздействовать , не действуя ?» «Нет !» — ответил Фарадей.
Он высказал простую до гениальности мысль, что действие одного тела на другое возможно либо через соприкосновение, либо передается через промежуточную среду. Такой средой Фарадей считал «мировой эфир», заполняющий все пространство.
В нем при наличии заряженных тел возникают изменения типа упругих деформаций, которые и передают воздействие. Его же можно назвать электромагнитным полем.
Прекрасный экспериментатор, Фарадей не был таким же математиком, поэтому его качественные объяснения не всегда находили понимание среди современников.
Максвелл, который был приверженцем Фарадея, сумел облечь его идеи в математическую форму. Он сформулировал систему уравнений, в которой содержатся все законы электромагнитных взаимодействий.
5. Борьба двух теорий
Изначально к теории Максвелла отнеслись весьма настороженно. Дело в том, что тогда электродинамика занималась изучением постоянных или почти постоянных полей, а в этом случае уравнения Максвелла переходят в уравнения теории дальнодействия и, конечно, выводы из обеих теорий, поддающиеся экспериментальной проверке, совпадают.
Ситуация кардинально изменилась, как только речь зашла о быстро меняющихся полях. Из теории Максвелла следует (мы это покажем ниже), что электромагнитное поле существует, причем распространяется в вакууме в виде волны со скоростью
|
c=299792458 м/с~3,00·108 м/с |
т.е. со скоростью света. Эта скорость настолько велика, что огромный круг явлений воспринимается так, как если бы взаимодействия передавались мгновенно, т.е. по теории дальнодействия.
Опыты Герца и Попова (см. соответствующие разделы курса) однозначно решили спор в пользу теории Максвелла-Фарадея, теории близкодействия.
6. О физической картине мира
Физики 19 века (в том числе и Максвелл) стремились свести электромагнитные явления к механическим. Использовалось понятие эфира, который обладал механическими свойствами: упругостью и т.д. Однако в итоговом труде Максвелла «Трактат по электричеству и магнетизму» (1873) механические модели вообще не используются.
Оказалось, что природу сил упругости можно объяснить, на основе знания об электромагнитных силах. Пришлось признать равноправие двух видов материи: тел (вещества), и поля, которые обладают физическими свойствами, такими как энергия, импульс и т.д.
7. Вакуум и вещество
Следует отметить, что с точки зрения классической электродинамики, вакуум и вещество не являются равноправными средами. Для нас вполне достаточно считать, что вакуум — это состояние, в котором отсутствуют реальные частицы (не говорим о физическом вакууме, а лишь о термодинамическом). Это универсальная среда, в которой существует и распространяется электромагнитное поле.
Вещество же будем рассматривать как вакуум, «испорченный» вкраплениями атомных ядер и электронов, собственные поля которых искажают внешнее электромагнитное поле.
| |
[1] def (сокр. лат. definitio) — определение, lex (лат.) — закон,»lex non scripta» — неписанный закон. rem (сокр. фр. remarque) — ремарка, замечание, уточняющее детали.
Введение — Энергетика: история, настоящее и будущее
С древнейших времен энергия была важнейшим фактором, определяющим жизнь человека и развитие цивилизации. История энергетики от овладения человека огнем, а затем энергией рек, ветра, солнца, тепловой и атомной энергией отражает постоянный поиск, великие открытия, накопление и передачу от поколения к поколению знаний, важнейшие достижения в области познания законов природы.
В первой книге «От огня и воды к электричеству» научно-познавательного издания «Энергетика: история, настоящее и будущее» дается представление об эволюции Земли, истории освоения человеком энергии рек, ветра с древних времен до эпохи электроэнергетики, освещены начало использования солнечной энергии и её потенциал, а также открытие и использование основных видов ископаемых энергетических ресурсов (угля, нефти, газа, урана).
В настоящей второй книге издания «Познание и опыт – путь к современной энергетике» приводится история развития учения о теплоте и использования тепловой энергии, исследований и открытия основных законов электричества, создания первых электростанций и систем передачи электроэнергии, исследований и использования атомной энергии, создания первых атомных электростанций.
Знания, накопленные человечеством в течение тысячелетий, успехи в познании окружающего мира, достигнутые в эпоху Возрождения и последующий период благодаря работам гениальных ученых Леонардо да Винчи, Коперника, Галилея, Кеплера, Ньютона и многих других, стали основой дальнейшего развития науки и техники.
И справедливы слова Ньютона: «Если мы видели дальше других, то это потому, что стояли на плечах гигантов». Большой вклад в установление закономерностей и свойств тепловых явлений, развитие термодинамики и теории теплопередачи сделали выдающиеся ученые: русский ученый М.В. Ломоносов (1711– 1765), французские Э.
Мариотт (1620–1684), Ж. Гей-Люссак (1778–1850), С. Карно (1796–1832), немецкие Г. Гельмгольц (1821–1894), Ю. Майер (1814–1878), Р. Клаузиус (1822–1888), английские Р. Бойль (1627–1691), Д. Джоуль (1818–1889), У. Томсон (лорд Кельвин) (1824–1907), Д. Максвелл (1831–1879), американские Б. Румфорд (1753–1814), Д.
Гиббс (1839–1903) и многие другие.
Развитие термодинамики и теории теплопередачи позволило решить многие практические задачи. Именно с потребностями производства связано бурное развитие науки. Накопление новых практических знаний в XVI–XVIII вв.
благодаря трудам ученых и изобретателей обеспечило дальнейшее развитие техники. Как отметил еще великий древнегреческий ученый и философ Аристотель (384–322 до н.э.), «Деяние есть живое единство теории с практикой».
Промышленная революция в XVII–XVIII вв. вызвала быстрый рост потребности в механической энергии, в первую очередь для горнодобывающей и металлургической промышленности, который уже невозможно было удовлетворить за счет использования водяных колес и ветряных мельниц.
С изобретением теплового двигателя в ХVIII в. человек получил по тем временам неограниченный источник энергии, превращая в механическую энергию теплоту, запасенную в древесине, угле, торфе, а промышленные предприятия уже могли размещаться в любом месте, а не только у реки.
Первые паровые машины английских изобретателей Т. Севери (1650–1715), Т. Ньюкомена (1663–1729) нашли применение в промышленности в ХVIII в. в качестве паровых водоподъемников. Эти первые несовершенные паровые машины стали основой для создания универсальных паровых двигателей.
Более совершенная паровая машина русского изобретателя И.И. Ползунова (1728– 1766), предназначенная для приведения в действие воздуходувных мехов, являлась уже агрегатом непрерывного действия.
Однако только английскому изобретателю Д. Уатту (1736–1819) удалось создать универсальную паровую машину, в которой движущей силой стало не атмосферное давление, а упругость пара повышенного давления, приводящего в действие поршень.
Д. Уатт заложил основы устройства и работы современных паровых машин. Паровые машины Д. Уатта с конца ХVIII в. получили широкое распространение в промышленности. Использование в середине ХІХ в. перегретого пара с температурой до 350°С по предложению французского ученого Г.А. Гирна позволило значительно повысить к.п.д. паровых машин.
Паровая машина является одним из великих изобретений, изменившим картину мира, давшим мощный импульс развитию промышленности, транспорта. Ее создание является ярким примером того, как писал французский философ М. Монтень (1537–1592), что «поистине человеческий ум – большой мастер творить чудеса».
Однако тихоходная паровая машина с низким к.п.д. уже не соответствовала новым требованиям, вызванным в конце ХІХ в. строительством электростанций, и на смену паровым машинам пришли быстроходные компактные паровые турбины большой мощности с высоким к.п.д.
Важнейшую роль в их создании сыграли дальнейшие научные исследования в области термодинамики, теории теплопередачи.
Долгим был путь от прототипа активной турбины, изобретенной итальянским архитектором Д. Бранко в 1629 г., до первой активной турбины промышленного назначения, построенной инженером Лавалем в 1889 г.
Английский инженер Ч. Парсонс в 1889 г. получил патент на многоступенчатую реактивную турбину, а соединив турбину с электрогенератором, создал первый турбогенератор для электростанции.
Существенный вклад в совершенствование турбин внесли американский инженер Ч. Кертис, французский О. Рато, швейцарский Г. Целли и многие другие. В результате в конце ХIХ в.
были созданы активные и реактивные турбины, которые в дальнейшем использовались в турбогенераторах электростанций.
Важнейшее значение для развития современной цивилизации имели исследования, связанные с электричеством, – от первых наблюдений явления магнетизма, описанных еще древнегреческим философом и ученым Фалесом Милетским (625–547 до н.э.), до первых исследований явлений магнетизма и электричества выдающимся английским ученым У.
Гильбертом (1544–1603), исследования немецкого физика О. Герике (1602–1686), английского С. Грея (1666–1735), французского Ш. Дюфе (1698–1739), американского Б. Франклина (1706–1790), французского Ш. Кулона (1736–1806) и многих других, а также создание первой электрической машины трения О.
Герике, изобретение электрической индукционной машины немецкими физиками В. Гольцем и А. Теплером.
Выдающимися достижениями стали опыты основоположника электрофизиологии итальянского ученого Л. Гальвани (1737– 1798) и открытие электрического тока итальянским физиком А. Вольта (1745–1827), создание им довольно мощных источников постоянного электрического тока – «вольтова столба» и гальванической батареи.
В XIX в. работами выдающихся немецких физиков Г. Ома (1787–1854), Г. Кирхгофа (1824–1887), Г. Герца (1857–1894), датского Г. Эрстеда (1777–1851), французского А. Ампера (1775–1836), английских М. Фарадея (1791–1867), Д. Максвелла (1831–1879), Д.
Джоуля (1818–1889), русских Э.Х. Ленца (1804–1865), В.В.
Петрова (1761–1834) и многих других были исследованы свойства электрического тока, установлены основные законы электрической цепи, на основании которых были созданы первые электрические генераторы и электродвигатели.
Первая магнитоэлектрическая машина, использующая явление электромагнитной индукции, была создана в 1832 г. во Франции братьями Пиксии. Важнейшие усовершенствования в конструкцию динамомашин, служащих для превращения энергии движения в электрическую, внесли виднейший немецкий электротехник В. Сименс, бельгиец Т. Грамм и др. Были созданы динамомашины переменного тока.
Для работы динамомашин (генераторов) использовались паровые, газовые и гидравлические турбины.
Первая в мире крупная центральная электростанция, предназначенная для электрического освещения, была введена в действие в 1882 г. в Нью-Йорке. На ней были установлены 6 пародинамомашин конструкции гениального изобретателя и организатора Т. Эдисона. Такие электростанции быстро получили широкое распространение в США и Европе.
Эффективность централизованного производства электроэнергии была обеспечена применением системы ее передачи потребителям по проводам на значительные расстояния. Впервые передача электроэнергии постоянным током мощностью в 1 л.с.
по линии длиной 4 км была осуществлена в 1873 г. в г. Вене французским электротехником И. Фонтеном, а уже в 1891 г. произошла передача электроэнергии трехфазным переменным током напряжением 8500 В от ГЭС мощностью 300 л.с.
в Лауфене (Германия) на расстояние 175 км.
Большая заслуга в создании первых крупных систем передачи электроэнергии переменным током принадлежит русскому электротехнику М. Доливо-Добровольскому, сербскому Н. Тесла и др.
В конце XIX в. были созданы эффективные паровые и гидравлические турбины, разработаны генераторы переменного тока, построены первые промышленные электростанции, осуществлена передача электроэнергии на значительное расстояние, что обеспечило дальнейшее быстрое развитие электроэнергетики.
Предвидя великое будущее использования электрической энергии, В. Сименс в 1867 г. писал: «…современной технике даны средства дешевым и удобным способом вызывать электрические токи неограниченной силы…» Открытие явления радиоактивности французским ученым А.
Беккерелем в 1896 г. можно отнести к числу наиболее выдающихся достижений современной науки.
Оно оказало огромное влияние на ее развитие, позволило значительно углубить познания в области структуры и свойств материи, процессов во Вселенной, овладеть атомной энергией.
За сравнительно короткий промежуток времени в течение первой половины ХХ в. благодаря работам выдающихся ученых разных стран – Марии и Пьера Кюри, Э. Резерфорда, Ф. Содди, С. Мейера, О. Гана, Н. Бора, И. и Ф. Жолио-Кюри, Э. Ферми, И.В. Курчатова, Я.Б.
Зельдовича, Ю.Б. Харитона, Г.Н. Флерова, Г. Сиборга и многих других – учение о радиоактивности и ядерная физика получили стремительное развитие. Это нашло практическое применение в 1954 г. на первой в мире Обнинской атомной электростанции мощностью в 5 МВт.
Человечество получило новый колоссальный источник энергии.
Поистине захватывает дерзость человеческого разума, преображающего мир.
«Жаден разум человеческий. Он не может ни остановиться, ни пребывать в покое, а порывается все дальше и дальше», – писал английский философ Ф. Бэкон (1561–1626). Благодаря достижениям многих поколений ученых, изобретателей, инженеров были обеспечены необходимые условия для наступления новой эры – эры современной электроэнергетики.
«ТРАКТАТ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСТВЕ И МАГНЕТИЗМЕ»
«ТРАКТАТ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСТВЕ И МАГНЕТИЗМЕ»
«Трактат» содержал все, что знал и передумал Джеймс Клерк Максвелл об электричестве и магнетизме, причем собственные его взгляды и разработки не заняли в книге подобающего им места — стремление рассказать все об электричестве, дать систематический учебный курс привело к тому, что работы самого Максвелла несколько отошли в этом труде на задний план.
Максвелл хотел дать практическое пособие для ученых, инженеров и студентов и не заботился о том, какое место в общей картине знаний по электричеству займут его имя, его труды.
Уже в предисловии Максвелл пишет о том, что имеющиеся в библиотеках учебники и пособия по теории электромагнетизма не отвечают потребностям людей, работающих в настоящей научной лаборатории, совсем уже не учебной, людей, которым приходится делать хитроумные и точные измерения. Не без яда Максвелл упоминает о многопудовых учебниках по электричеству, лежащих без применения, пылящихся на полках библиотек, — эти учебники были далеки от практических задач и зачастую попросту непонятны.
Исправляя эту ошибку, Максвелл значительную часть «Трактата» посвятил изложению методов измерения и описанию измерительной аппаратуры.
Максвелл дал полный обзор всех до тех пор созданных теорий электричества и магнетизма. Максвелл справедлив и великодушен. Он признает их значение для развития физики и прямо говорит, что теория Ампера непревзойденна по точности, а формула Ампера, определяющая силу взаимодействия токов, навсегда останется в золотом фонде любой теории электромагнетизма.
В «Трактате» сформулированы «уравнения Максвелла».
В «Трактате» есть, по сути дела, все те же уравнения, что и в «Динамической теории». Но выведены они иным путем, более закономерным и обоснованным.
Максвелл подбирается к уравнениям издалека. Неторопливо идет вначале повествование о размерностях физических величин. Затем столь же медленно и систематически даются основы векторного исчисления.
Затем — четыре части: электростатика, электрокинематика, магнетизм, электромагнетизм. Казалось бы, и здесь нет существенных различий с общепринятой методикой изложения. Каждая часть начинается со спокойного изложения исходных экспериментов и основных понятий.
Но вот метод исследования Максвелла резко отличается от методов других исследователей. Не только каждая математическая величина, но и каждая математическая операция наделяются глубоким физическим смыслом. В то же время каждой физической величине дается четкая математическая характеристика.
Одна из глав «Трактата» (девятая глава четвертой части) называется «Основные уравнения электромагнитного поля». Здесь, казалось бы, и должны быть сосредоточены основные уравнения электромагнитного поля.
И действительно, нумерация уравнений здесь меняется: они начинают обозначаться не цифрами, а буквами, что, видимо, должно обратить внимание на их важность.
Но читатель с удивлением может заметить, что нумерация уравнений, отмеченных буквами, начинается в этой главе сразу с D, а уравнения под номерами А, В, С были приведены уже в предыдущей главе. Таким образом, в главе «Основные уравнения» даны не все уравнения.
Но это еще не все. Уравнения, отмеченные буквами, кончаются буквой L. Их двенадцать! Их слишком много! Максвелл, чувствуя это, оправдывается перед читателем:
«Наша цель в настоящий момент состоит не в получении компактности математических формул, а в выражении каждого известного нам соотношения, и исключение величины, выражающей полезную идею, было бы скорее потерей, чем выигрышем на данной стадии исследования».
С помощью векторного исчисления Максвелл более просто сделал теперь то, что раньше сделал с помощью механических моделей, — вывел свои уравнения электромагнитного поля.
Впоследствии уравнения Максвелла были «расчищены» Герцем и Хевисайдом. Они сократили число уравнений Максвелла до четырех, самых важных. Эта система уравнений употребляется до сих пор.
Трудно поверить, что в области электричества и магнетизма не существует ни одного факта, противоречащего или не ложащегося в рамки этой системы четырех уравнений.
Уравнения Максвелла при простой форме записи очень сложны. Их не всякий сможет решить или применить к нужному случаю. Но смысл уравнений прозрачен, и в их содержании сравнительно просто разобраться.
Первое уравнение означает, что электрическое поле образуется зарядами и силовые линии этого поля начинаются и кончаются на зарядах.
Второе уравнение постулирует замкнутость магнитных силовых линий, отсутствие свободных магнитных зарядов. Магнитные силовые линии нигде не начинаются, нигде не кончаются — они замкнуты.
Третье уравнение говорит о том, что магнитное поле создается током, включающим в себя открытый Максвеллом ток смещения. Это обобщение и дополнение всей электродинамики Ампера.
Четвертое уравнение отражает закон электромагнитной индукции Фарадея — возникновение электрического поля за счет изменения индукции магнитного поля. Любое изменение магнитного поля приводит в соответствии с этим уравнением к возникновению в пространстве особого, вихревого электрического поля.
Два последних уравнения привели Максвелла к предсказанию существования электромагнитных волн. Вокруг магнитных силовых линий возникают тут же электрические силовые линии, вокруг которых, в свою очередь, создаются магнитные — и за счет этого в пространстве, от точки к точке, передается электромагнитное возбуждение.
Если попытаться вычислить из уравнений скорость распространения электромагнитной волны, то получится, что она равна отношению электромагнитной и электростатической единицы измерения.
Совпадение этой величины со скоростью света было известно давно, со времен Кольрауша и Вебера, но никто до Максвелла не смог усилием мысли придать этому, казалось, случайному совпадению глубокий физический смысл.
Исследовательский метод Максвелла проявил в доказательстве электромагнитной природы света свое высшее достижение.
Важнейшим следствием электромагнитной теории света было предсказанное Максвеллом давление света. Ему удалось подсчитать, что в случае, когда «в ясную погоду солнечный свет, поглощаемый одним квадратным метром, дает 123,1 килограммометра энергии в секунду, он давит на эту поверхность в направлении своего падения с силой 0,41 миллиграмма».
- Таким образом, теория Максвелла укреплялась или рушилась в зависимости от результатов еще не осуществленных экспериментов.
- Существуют ли в природе электромагнитные волны, подобные по свойствам свету?
- Существует ли световое давление?
- Уже после смерти Максвелла на первый вопрос ответил Герц, на второй — Лебедев.
Пока никаких доказательств новой теории не было…
Но могло существовать и еще одно доказательство справедливости электромагнитной теории света и всей теории электромагнитного поля в целом. Доказательство, правда, частное, но многозначительное.
Рассматривая условие распространения электромагнитного возмущения в однородной среде, Максвелл приходит к важному выводу о зависимости электромагнитных свойств среды от ее оптических характеристик.
Например, квадрат показателя преломления должен быть равен диэлектрической постоянной среды, умноженной на ее магнитную проницаемость.
Для немагнитного диэлектрика показатель преломления среды должен быть равен квадратному корню из диэлектрической постоянной.
Среди тех, кто пытался подтвердить это опытом, — обожающий Максвелла и преклоняющийся перед ним Людвиг Больцман. Он работал в те времена, в 1872 году, в Берлине, в лаборатории Гельмгольца.
Он пытался проверить зависимость, данную Максвеллом в ранних статьях, для газов. Но Больцмана подвела память. Он искал почему-то прямую пропорциональность показателя преломления и диэлектрической постоянной.
Это неправильное положение засело у него в памяти, и его он доказывал. А оно не получалось. И не должно было получаться.
Больцман, расстроенный тем, что ему не удалось, как ему казалось, подтвердить теорию Максвелла, бросил заниматься этими экспериментами.
- Лишь позже, когда он покинул уже Берлин, он случайно заглянул в свой лабораторный журнал и заметил хорошее совпадение для случая, если бы показатель преломления был пропорционален квадратному корню из диэлектрической постоянной.
- Решив проверить себя, он заглянул в статью Максвелла и обнаружил, что и там говорится как раз о квадратном корне!
- К несчастью, это открытие произошло уже после выхода «Трактата» в свет и не послужило своевременным доказательством правильности новой теории.
- Недостаточность доказательств Максвелл компенсировал своей гениальной физической интуицией.
На наиболее высоких ступенях научного познания вступают в силу высшие качества исследователя — способность его ума воспарить над известными данными, выйти за пределы результатов опытов, «довообразить» их. Это можно назвать интуицией, гениальностью, высшей степенью умственной деятельности ученого.
Необходимость выходить за границы доказанных положений, вырваться из рамок опыта. И способность сделать это. Но не вопреки опыту. Не вопреки зарекомендовавшим себя научным принципам. А может быть, и вопреки, если они оказываются неверными. Лишь гений, тонко чувствующий границы дозволенного, может без боязни приближаться к ним.
Как достиг он такой степени свободы? В силу врожденной гениальности? Или в силу иных причин?
— Если прямая цель всякой научной работы, — говорил Максвелл, — раскрывать тайны природы, то она оказывает и другое, не менее ценное действие на ум исследователя.
Она делает его обладателем методов, и к выработке их ничто, кроме научной работы, не могло бы его привести; это ставит его в положение, с которого многие области природы, помимо тех, которые он изучал, являются перед ним в новом свете.
Его гениальность; несомненно, была врожденной. Но и тщательно лелеемой и укрепляемой в процессе каждодневных исследований.
- «Трактат об электричестве и магнетизме» заканчивается обзором теорий Гаусса, Римана, Клаузиуса.
- Знаменательное название имеет последний параграф трактата. Он назван:
- «Идея среды неодолима».
- И смысл его в том, что все непротиворечивые теории электричества «приводят к представлению об электромагнитном поле — о среде, в которой происходит распространение электрических и магнитных воздействий; если мы примем это в качестве гипотезы, она, мне кажется, должна будет занять важное место в наших исследованиях, и нам следовало бы изучить все детали ее проявления — что и было моей постоянной целью в этом «Трактате».
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Следующая глава